Astromische Koordinaten anhand der scheinbaren Himmelskugel

Die folgenden hervorragenden Ausführungen und Inhalte stammen von der homepage
www.parallax.at von H.C. Greier

Die Himmelskugel ist eine gedachte, den Beobachter scheinbar umgebende Kugel mit theoretisch 'unendlich großem' Radius, auf der die Gestirne gesehen werden. Ihr Mittelpunkt liegt am Ort des Beobachters. Entfernungen auf dieser Sphäre werden in Winkeln ausgedrückt, wie wir später noch sehen werden.


Dies ist nur eine Hilfsvorstellung und dient dazu, die von einem bestimmten Ort aus sichtbaren Gestirne zu beschreiben. Meistens wird eine Darstellung wie hier verwendet, d.h. wir blicken auf einen Beobachter von einem fiktiven Standort außerhalb der Himmelskugel. Die waagerechte (grün unterlegte) Ebene ist die Horizontebene des Beobachters. Direkt über seinem Kopf befindet sich der Zenit, unter seinen Füßen (in gedachter Verlängerung) der Nadir. Natürlich ist der Horizont nicht absolut eben, meistens rauben uns Häuser, Hügel, Berge, Bäume und andere Hindernisse die Sicht auf den sogenannten 'Scheinbaren Horizont', der als komplett eben betrachtet wird. Der in der Natur vorkommende Horizont wird auch als 'Landschaftlicher Horizont' bezeichnet. Zenit und Nadir sind also die Schnittpunkte der Lotrechten mit der Himmelskugel. Jener (größte) Kreis, der jetzt vom Nordpunkt durch den Zenit zum Südpunkt, dann zum Nadir und wieder zurück zum Nordpunkt läuft, heißt Meridian (von lat. circulus meridianus = Mittagskreis). Er ist insofern wichtig, weil die Gestirne dort ihre größte Höhe über dem Horizont erreichen, was als (obere) Kulmination bezeichnet wird.

Zur gesamten Himmelskugel kommen jetzt noch die Himmelspole und der Himmelsäquator hinzu. Die Himmelspole befinden sich dort, wo die gedachte Verlängerung der Erdachse die Himmelskugel schneidet. Eine weitere Skizze: Hier habe ich die Erde bezüglich der Himmelskugel übertrieben groß mit eingezeichnet. Die waagrechte Ebene ist hier wieder die Horizontebene des Beobachters, sie geht also im Prinzip nicht durch den Erdmittelpunkt. Stellt man sich jetzt den Erdäquator an die Himmelskugel projiziert vor, dann erhält man den Himmelsäquator. Er teilt die Himmelskugel in Nord- und Südhemisphäre. Hier ist die Äquatorebene blau hinterlegt. Da die Größenverhältnisse aber stark übertrieben sind (der Erddurchmesser verschwindet gegen den Durchmesser der Himmelskugel), kann man die Horizontebene als praktisch durch den Erdmittelpunkt gehend betrachten, sie fällt also hier (und nur hier) mit der Ekliptikebene zusammen. Die Ekliptik ist die jährliche Bahn der Erde um die Sonne - eine elliptische Bahn - und die Ekliptikebene ist eben jene Fläche, in der diese Bahn liegt.

Da jetzt aber die Erdachse gegenüber der Lotrechten (durch den Zenit) um etwa 23.5° geneigt ist, ist logischerweise auch die Ebene des Himmelsäquators, die ja senkrecht auf die Erdachse steht, um den selben Betrag gegen die Ekliptik gekippt. Im verallgemeinerten Fall befindet sich der Beobachter irgendwo auf der Erde, d.h. die Ekliptikebene fällt dann nicht mehr mit der Horizontebene zusammen oder ist zu dieser nicht mehr parallel.


In der folgenden Skizze ist das veranschaulicht: Der Beobachter sieht am Himmel (theoretisch) den Himmelsäquator und die um ca. 23.5° dazu geneigte Ekliptik.

Das Wort Ekliptik hat eigentlich zwei Bedeutungen:

1. Die scheinbare Bahn der Sonne durch die Sternbilder des Tierkreises im Laufe eines Jahres (von der Erde aus gesehen)

2. Die wahre Bahn der Erde im Weltraum, dies ist eine Ellipse mit der Sonne in einem Brennpunkt.

Die Ekliptik schneidet offensichtlich den Himmelsäquator in 2 Punkten, dem Frühlingspunkt und dem Herbstpunkt. Die Sonne würde in der Skizze im Jahreslauf gegen den Uhrzeiger entlang der Ekliptik laufen. Der Frühlingspunkt ist dabei jener Punkt, an dem die Sonne die Himmelsäquatorebene in Richtung Himmels-Nordhemisphäre überschreitet. Der Herbstpunkt ist der gegenüberliegende Punkt dazu, die Sonne wandert auf die südliche Hemisphäre. (Das die Punkt hier in der Nähe der Punkte Ost und West liegen, ist rein zufällig)

Aufgrund der Rotation der Erde um ihre Achse dreht sich nun scheinbar die Himmelskugel einmal in 24 [h] um unseren Beobachtungsort. Gestirne gehen auf und unter, grob gesagt von Osten über Süden, wo sie am höchsten stehen, nach Westen. Den dabei über dem Horizont verlaufenden Teil der Bahn nennt man den Tagbogen. Entsprechend heißt der unter dem Horizont gelegene Teil Nachtbogen. Manche Sterne habe jetzt so viel Abstand vom Himmelsäquator z.B. in Richtung Himmelsnordpol, das sie selbst in ihrer tiefsten Position den Horizont nicht erreichen, d.h. sie gehen schlicht gesagt nicht unter. Solche Sterne nennt man Zirkumpolarsterne. Auf der Nordhalbkugel ist das z.B. beim Kleinen und Großen Wagen der Fall. Normale, nichtzirkumpolare Sterne gehen auf und unter, und wiederum andere bekommen wir nie zu Gesicht, nämlich die Zirkumpolarsterne der Südhemisphäre. Diese gehen dort nicht unter bzw. in unseren Breiten nie auf.

Die untenstehenden Skizzen zeigen 3 Tagbögen von Sternen auf der Nordhalbkugel (links) sowie auf der Südhalbkugel (rechts) der Erde. Auf der Südhalbkugel ist natürlich die Richtung genau seitenverkehrt:
die Erde dreht sich in die selbe Richtung, nur der Beobachter steht im Vergleich zu uns kopfüber...


Tagbogen der Gestirne auf der Nordhalbkugel Tagbogen der Gestirne auf der Südhalbkugel


Die Sterne gehen auf der Südhalbkugel genauso wie bei uns im Osten auf und im Westen unter, nur kulminieren sie dort im Norden. Manchmal stiftet das etwas Verwirrung, ist aber leicht einzusehen. Der Begriff Tagbogen ist an und für sich schon etwas verwirrend, weil er nichts damit zu tun hat, wann ein Gestirn sichtbar ist, sondern er bezeichnet lediglich das über dem Horizont befindliche Bogenstück.

Hier ist eine Skizze zum Begriff der Zirkumpolarsterne:

Die Skizze gilt für etwa 50° Nördliche Breite:
Hier erkennt man deutlich, dass Sterne mit großem Abstand vom Himmelsäquator, d.h. Sterne relativ nahe den Himmelspolen nicht untergehen können. Rechts oben liegen die Zirkumpolarsterne der Nordhalbkugel, links unten jene der Südhalbkugel. Alle anderen Gestirne, die diese Zirkumpolarbedingung nicht erfüllen, gehen sowohl auf der Nord- als auch auf der Südhalbkugel zu bestimmten Zeiten auf und unter.
Wie groß dieser Wert - die Deklination des Sterns - sein muss, damit er nicht mehr untergeht, sehen wir weiter unten.

Der Begriff der Kulmination muss jetzt wegen der Zirkumpolarsterne verfeinert werden, weil diese ja zweimal oberhalb des Horizonts durch den Meridian gehen. Daher bezeichnet man den 'höheren' (gemeint ist der höher am Himmel stehende) Meridiandurchgang des Sterns als obere Kulmination ('zenitseitig')und den näher zum Horizont hin gelegenen Meridiandurchgang als untere Kulmination ('horizontseitig') . Hier ist das am Beispiel des Sterns 'Kochab' im kleinen Wagen dargestellt, die Bahn von Kochab am Nordhimmel ist dabei grün hinterlegt:
Das hier die Kulmination im Norden erfolgt hat damit zu tun, dass es sich hier um Zirkumpolarsterne handelt. 'Normale Sterne' - also Sterne, die auf- und untergehen - kulminieren auf der Nordhalbkugel der Erde im Süden. Auf der Südhalbkugel sind die verhältnisse entsprechend umgekehrt. Befindet man sich auf 50° südlicher Breite, kulminieren die Nicht-Zirkumpolarsterne (also jene, die dort auf- und untergehen), im Norden. Die dortigen Zirkumpolarsterne hingegen durchlaufen eine obere und ein untere Kulmination im Süden.

Untere Kulmination von Kochab ( Ursae Minoris

Obere Kulmination von Kochab Da der Polarstern (Polaris, Ursae Minoris) zur Zeit weniger als eine Bogenminute vom Himmelsnordpol entfernt ist, bewegt er sich nur auf einem recht kleinen Kreis um den Pol. Der gesamte Himmel scheint sich so mehr oder weniger um den Polarstern zu drehen, wenn man nächtens die Sterne beobachtet.



Spezielle Beobachtungsorte

I. Beobachtunsort am Äquator

Die obigen Skizzen gelten für etwa 40-50° nördliche Breite, in 'Extremsituationen' hat man allerdings andere Tagbögen. Wenn man sich z.B. am Äquator oder sogar am Nordpol befände, würde man folgendes feststellen:

Befindet man sich genau am Erdäquator, ist die Horizontebene parallel zur Erdaches. Die Himmelspole verlagern sich also die in die Horizontebene, alle Sterne gehen dann im Verlauf eines Tages auf und unter, es sind also beide Hemisphären komplett beobachtbar. Man muss dann nur die entsprechende Jahreszeit abwarten, damit die Beobachtungszeit in die Nachtstunden fällt, da man die Sterne (außer die Sonne natürlich) ja nur nachts beobachten kann.

Sterne mit der Deklination 0° liegen auf dem Himmelsäquator (dickere Linie) und gehen damit genau im Osten auf und im Westen unter und kulminieren im Zenit.
Auch stehen dort die Sterne nicht mehr 'nur im Süden' am höchsten, sondern jene mit positiver Deklination im Norden, wir befinden uns ja sozusagen im 'Übergangsbereich' zwischen Nord und Süd, und auf der Südhemisphäre kulminieren Sterne positiver Deklination offensichtlich im Norden. Nur wir auf der Nordhemisphäre der Erde sind es gewohnt, das die Sterne im Süden am höchsten stehen.


II. Beobachtunsort am Pol

Befindet man sich hingegen am Nordpol der Erde, steht der Himmelsnordpol im Zenit, man schaut quasi Richtung Zenit in Richtung der Erdachse. Die Horizontebene steht hier senkrecht auf die Erdachse.

Der Himmelsäquator fällt in die Horizontebene. Sterne mit positiver Deklination wandern parallel oberhalb des Horizonts im Tageslauf einmal herum, sie gehen weder auf noch unter. Die Sterne der Südhemisphäre sind nie sichtbar. Im Sommer ist die Nordhalbkugel der Erde der Sonne zugewandt, die Sonne steht dann am Nordpol den ganzen Tag über dem Horizont, es herrscht Polartag. Auf der Südhalbkugel ist entsprechend Polarnacht, die Sonne geht nicht auf. Ein halbes Jahr später, wenn die Südhemisphäre der Sonne zugewandt ist, sind die Verhältnisse umgekehrt.

Natürlich ist das mit dem "halben Jahr" nicht ganz genau zu nehmen, eigentlich sind die genauen Zeiten nicht so einfach festzulegen. Das hat mit den Dämmerungszeiten zu tun. Wenn nämlich die Sonne im Herbst bereits kleine negative Deklinationswerte erreicht, ist es am Nordpol noch keineswegs völlig dunkel. Es herrscht Dämmerung, Astronomisch dunkel wird es erst, wenn die Sonne mehr als 18° unter dem Horizont steht, und das dauert am Beobachtungsort "Nordpol" einige Wochen, bis es soweit ist. Näheres zu diesem Thema findet man hier.



Die Koordinaten

Genug der Vorbereitungen. Um die Position eines astronomischen Objektes (im Weiteren einfach 'Stern') an der Himmelssphäre zu definieren, benötigen wir ein sphärisches Koordinatensystem. So ein System hat 3 Koordinaten:

1. Entfernungs- und

2. Winkelkoordinaten


Da die Entfernung vernachlässigt wird - es interessiert uns ja nur die Richtung, alle Objekte befinden sich scheinbar auf der Oberfläche der unendlich weit entfernten Himmelskugel - wird in diesem System die Position eines Punktes durch die beiden Winkelkoordinaten festgelegt. In Anlehnung an die geografischen Koordinaten auf der Erde geht man wie folgt vor:

Man nimmt sich immer 2 Referenz-Linien, auf der Erde (Skizze) sind das eben der Äquator und der Nullmeridian, welche sich in einem Referenzpunkt schneiden. Referenzebene ist die Äquatorebene. Die Position eines Punktes auf der Kugel ist durch die beiden eingezeichneten Winkel gegeben, gerechnet werden die Winkel so:

1. Winkel : In der Referenzebene vom Referenzpunkt bis zum Schnittpunkt Äquator/Längenkreis des Objekts (wo der orange Pfeil entlang des Äquators endet).

2. Winkel : Senkrecht zur Referenzebene vom genannten Schnittpunkt entlang des Längenkreises bis zum Objekt (im Bild also Richtung Norden, zweiter oranger Pfeil).

Je nachdem, um welches Koordinatensystem es sich handelt, benützt man verschiedene Referenzebenen, Referenzpunkte und Winkel.

Im wesentlichen werden in der Astronomie 5 verschiedene Koordinatensysteme verwendet. Alle haben die folgenden Merkmale gemeinsam:

  • Der Himmel wird als Kugeloberfläche (Sphäre) betrachtet.
  • Die als punktförmig angesehene Erde befindet sich im Mittelpunkt dieser Sphäre.
  • Wie beim irdischen Koordinatensystem...
    • ...besitzen alle astronomischen Systeme einen Äquator und zwei Pole ..
    • .gibt es Längen- und Breitengrade ...ist ein Nullmeridian festgelegt

Astronomische Koordinatensysteme

Horizontsystem (Azimutsystem)

Ruhendes Äquatorsystem

Rotierendes Äquatorsystem

Ekliptik-System

Galaktisches System