Warum haben Sterne manchmal Zacken?

Rainer Kayser

Abell 1689

NASA/ESA/E. Jullo/P. Natarajan/J.-P. Kneib

Auf Fotos sind Sterne oft von strahlenförmigen Zacken umgeben – und auch mit bloßem Auge kann dieser Eindruck entstehen. Zwar geht es auf ihren Oberflächen turbulent zu, aber im Wesentlichen handelt es sich bei Sternen um heiße Kugeln aus Gas. Für die beobachteten Zacken sind verschiedene optische Effekte verantwortlich.

Unsere Sonne erscheint am Himmel als nahezu kreisrunde Scheibe und so wäre es auch bei allen anderen Sternen. Aufgrund der großen Distanz lassen sie sich am Nachthimmel allerdings nur als helle Punkte beobachten. Zumindest theoretisch, denn in der Praxis wird der Blick in die Sterne oft durch verschiedene optische Effekte verfälscht.

Bevor das Licht der Sterne unser Auge oder ein Teleskop erreicht, muss es natürlich die Erdatmosphäre durchqueren. Entlang des Lichtwegs schwanken Temperatur und Druck – nicht nur abhängig von der Höhe, sie können sich auch während der Beobachtung rasch ändern. Das beeinflusst den Brechungsindex und damit die optischen Eigenschaften der Luft.

Mit bloßen Augen sind die Folgen dieser „Luftunruhe“ als Funkeln sichtbar, was sich insbesondere bei horizontnahen und hellen Sternen zeigt. Im Fernrohr erscheinen die Sterne dagegen als verwaschene Scheibchen. Der Grund dafür wird klar, wenn man den Stern mit hoher zeitlicher Auflösung filmt. Viele kleine Punkte – die eigentlichen Abbilder des Sterns – ändern durch die Luftunruhe permanent ihre Position und überlagern sich letztlich zu der beobachteten Scheibe.

Von Wellenbergen und -tälern

Aber auch wenn man die Erdatmosphäre hinter sich lässt und den Nachthimmel mit einem Teleskop im Weltall betrachtet, sehen Sterne nicht punktförmig aus: Beugungseffekte am Rand des Objektivs verteilen das Sternenlicht ebenfalls in einem kleinen Scheibchen. Erklären lässt sich dieses Phänomen durch die Wellennatur des Lichts. Zwar breiten sich Lichtstrahlen im freien Raum stets geradlinig aus, treffen sie aber auf ein Hindernis, können sie sich auch „um die Ecke“ bewegen [siehe Infobox unter dem Text].

Bei diesem Manöver kommen die Lichtwellen etwas aus dem Takt: Wellenberge und Wellentäler verschieben sich gegeneinander und es treten Interferenzeffekte auf. In einigen Bereichen verstärken sich die Wellen dadurch gegenseitig, in anderen schwächen sie sich ab. Hinter der kreisförmigen Blende eines Teleskops entsteht so ein typisches Beugungsmuster – ein helles Scheibchen mit konzentrischen und nach außen stark abgeschwächten Beugungsringen.

Je nach Hindernis können aber auch andere Muster entstehen, wie etwa Zacken. Das ist beispielsweise bei Spiegelteleskopen der Fall. In diesen modernen astronomischen Fernrohren dient ein Hohlspiegel als Objektiv. 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 und damit mitten im Strahlengang des Teleskops.

Auf der Illustration ist der Blick aus dem ELT in den Nachthimmel dargestellt. Neben dem Sekundärspiegel sind viele Streben zu erkennen.

Sekundärspiegel des Extremely Large Telescope

Um das Licht betrachten oder untersuchen zu können, lenkt man es deshalb mit einem zweiten Spiegel aus dem Strahlengang hinaus. Alternativ lässt sich auch der Bildsensor direkt im Strahlengang platzieren. Egal ob Spiegel oder Sensor – beide müssen irgendwie am Teleskop befestigt werden. Die dafür nötigen Streben stellen ein weiteres Hindernis für die einlaufenden Lichtwellen dar und erzeugen ein zusätzliches Beugungsmuster: strahlenförmige Zacken.

Wenn Sterne auf einem Foto also Zacken aufweisen, stammt die Aufnahme ziemlich sicher von einem Spiegelteleskop. Manche Hobbyastronomen arbeiten allerdings mit einem Trick, um auch mit einem Linsenfernrohr die charakteristischen Zacken bei Sternen zu beobachten: Sie setzen einen speziellen Filter, der aus einem feinen Gitter besteht, in den Strahlengang und sorgen so ebenfalls für „strahlende“ Effekte.

Doch auch in Zeichnungen und auf Gemälden haben Sterne oft Strahlen oder Zacken – selbst bei Künstlern, die vor der Erfindung des Fernrohrs gelebt haben. Und tatsächlich scheinen von hellen Sternen, mit bloßen Augen am dunklen Nachthimmel betrachtet, feine Strahlen auszugehen. Oft liest man, dass auch für dieses Phänomen die Luftunruhe verantwortlich sei. Das allerdings lässt sich leicht widerlegen, indem man den Kopf schräg hält. Dabei drehen sich die Strahlen nämlich mit. Der Effekt muss also unmittelbar am oder im Auge entstehen und nicht auf dem Weg durch die Erdatmosphäre.

Im Auge des Betrachters

Tatsächlich lassen gleich zwei optische Effekte die Strahlen entstehen: Zum einen spielen Abbildungsfehler der Augenlinse – der Astigmatismus – eine Rolle, zum anderen Beugungserscheinungen am unregelmäßigen Rand der Iris und an den Wimpern. Der Effekt wird entsprechend stärker, wenn man die Augen zusammenkneift. Beobachten lassen sich die Strahlen übrigens auch bei hellen Lampen, vorausgesetzt sie sind nicht zu groß. Denn bei größeren leuchtenden Objekten addieren sich die Beugungserscheinungen aller Punkte und liefern lediglich einen unscharfen leuchtenden Saum, aber keine definierten Strahlen mehr.

Ähnlich ist es in der Astronomie: Flächenhafte Objekte wie Gasnebel oder Galaxien sind nicht anfällig für die Beugungseffekte in Spiegelteleskopen. So lassen sich auf Himmelsaufnahmen leicht Galaxien von Sternen unterscheiden. Denn dort weisen selbst helle Galaxien keine Zacken auf, während alle Sterne – egal ob schwach oder leuchtstark – über vier Strahlen verfügen.


Um die Ecke geleuchtet – das Huygenssche Prinzip

Von links kommend treffen ebene Wellen auf eine Barriere, in der eine kleine Öffnung ist. Durch diese Öffnung treten die Wellen hindurch und überlagern sich hinter der Barriere zu einem Interferenzmuster.

Nach dem Huygensschen Prinzip kann jeder Punkt auf einer Wellenfront als Ausgangspunkt einer neuen Welle betrachtet werden. Erst die Überlagerung all dieser sich kugelförmig ausbreitenden Elementarwellen bestimmt, wie sich Licht hinter einem Hindernis ausbreitet. Denn bei der Überlagerung der einzelnen Elementarwellen kommt es zu Interferenzeffekten: In einigen Bereichen verstärken sich die Wellen gegenseitig, in anderen schwächen sie sich ab. Auf diese Weise entsteht ein charakteristisches Beugungsmuster.

Anmerkung der Redaktion: Die erste Version dieses Artikels erschien 2009 auf Welt der Physik. Im Dezember 2021 haben wir den Text überarbeitet und aktualisiert.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/zacken-von-sternen/