Warum haben Sterne auf Fotos Zacken?

Auf Fotos sind insbesondere helle Sterne oft von strahlenförmigen Zacken umgeben. Natürlich haben Sterne in Wahrheit keine Zacken: Sie sind riesige kugelförmige Gasbälle wie unsere Sonne. Auf Grund ihrer großen Entfernung sollten sie uns eigentlich punktförmig erscheinen.

Doch das ist aus einer Reihe von Gründen nicht der Fall. Zunächst einmal verschmiert die Luftunruhe das Sternenbildchen. Ursache dafür sind Turbulenzen in der Erdatmosphäre, die über Temperatur- und Druckschwankungen zu zeitlichen Veränderungen des Brechungsindexes entlang des Lichtwegs führen. Mit bloßen Augen sind die Folgen der Luftunruhe als Funkeln insbesondere horizontnaher, heller Sterne sichtbar. Im Fernrohr erscheint der Stern als verschmiertes Scheibchen. Filmt man den Stern mit hoher zeitlicher Auflösung, so ist zu erkennen, dass dieses Scheibchen aus der Überlagerung kleiner umher tanzender Flecken entsteht. Diese Flecken sind die eigentlichen Bilder des Sterns, die sich durch die Luftunruhe permanent verändern.

Beugung an einer Blende

Aber auch vom Weltall aus gesehen ist ein Stern nicht punktförmig. Denn die Beugung am Rand des Fernrohrobjektivs verteilt das Sternenlicht ebenfalls in einem kleinen Scheibchen. Bei diesem Effekt macht sich die Wellennatur des Lichts bemerkbar. Wenn Licht auf Hindernisse trifft oder durch Öffnungen hindurch fällt, dann lässt sich seine Ausbreitung nicht länger allein mit den Gesetzen der geometrischen Optik beschreiben. Denn während sich nach diesen Gesetzen Lichtstrahlen stets geradlinig ausbreiten, bewegt sich das Licht am Rand eines Hindernisses sozusagen „um die Ecke“.

In der Wellenoptik beschreibt man dieses Phänomen mit dem Huygensschen Prinzip. Danach kann jeder Punkt auf einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle betrachtet werden. Erst die Überlagerung all dieser sich kugelförmig ausbreitenden Elementarwellen ergibt das vollständige Bild der Lichtausbreitung hinter einem Hindernis oder einer Öffnung. Bei der Überlagerung der einzelnen Elementarwellen kommt es nun zu sogenannten „Interferenzeffekten“: In einigen Bereichen verstärken sich die Wellen gegenseitig, in anderen schwächen sie sich ab. Hinter einer kreisförmigen Blende, also beispielsweise der Begrenzung eines Teleskop-Objektivs, entsteht so typischerweise ein helles Beugungsscheibchen mit konzentrischen, nach außen rasch schwächer werdenden Beugungsringen.

Sterne mit Zacken

Woher aber kommen nun die Zacken der Sterne? Moderne astronomische Fernrohre sind meistens Spiegelteleskope. Als Objektiv dient dabei ein Hohlspiegel. Während bei einem Linsenfernrohr der Brennpunkt hinter dem Objektiv liegt, also für den Beobachter leicht erreichbar ist, liegt er bei einem Hohlspiegel vor dem Objektiv, also mitten im Strahlengang des Teleskops. Um das Licht betrachten oder untersuchen zu können, muss es deshalb mit einem zweiten Spiegel aus dem Strahlengang hinaus gelenkt werden. Dieser Fang- oder Sekundärspiegel kann natürlich nicht frei im Fernrohr schweben, sondern muss am Fernrohr befestigt sein. Die Streben der Spiegelhalterung stellen nun wiederum ein Hindernis für die einlaufenden Lichtwellen dar und erzeugen ein zusätzliches Beugungsmuster – eben die strahlenförmigen Zacken.

Wenn Sterne auf einem Foto strahlenförmige Zacken aufweisen können wir daraus also schließen, dass die Aufnahme von einem Spiegelteleskop stammt – denn Linsenfernrohre haben keinen Sekundärspiegel und erzeugen damit auch keine strichförmigen Beugungsmuster.

Galaxien haben keine Zacken!

Nur Sterne haben Zacken, Galaxien nicht

Und noch etwas kann man sehen: Astronomische Objekte, die flächenhaft sind, sind nicht Anfällig für die Beugungseffekte an der Spiegelhalterung. Das liegt daran, dass hier nicht nur eine Wellenfront des quasi-punktförmigen Sterns gebeugt wird. Vielmehr überlagern sich die Beugungsmuster benachbarter Lichtstrahlen des ausgedehnten Objekts gerade wieder so, dass die Beugungsmuster verschwinden. So lassen sich auf solchen Aufnahmen leicht Galaxien (die eine Ausdehnung haben) von den punktförmigen Sternen unterschieden: Auch sehr helle Galaxien haben keine Zacken! Diesen Unterschied kann man besonders in den Galaxienfeldaufnahmen des NASA/ESA-Hubble-Weltraumteleskops sehr schön erkennen. Selbst schwache Sterne haben hier vier Strahlen.