Heliometer

1. Einführung:

Das Objektiv-Doppelbildmikrometer basiert auf einer Idee des dänischen Astronomen Ole Rømer (1644–1710). Er erkannte um 1675 die Möglichkeit mit einem solchen Instrument die Winkelabstände zweier Himmelsobjekte zu bestimmen. Etwa zur Mitte des 18. Jahrhunderts standen den Astronomen dann die ersten brauchbaren Instrumente dieses Typs zur Verfügung. Mit Pierre Bouguer (1698–1758) erhielt es schließlich 1748 die Bezeichnung „Heliometer“. Bouguer verwendete es, wie der Name bereits vermuten lässt zur Bestimmung des scheinbaren Sonnendurchmessers. Zunächst gelang es vor allem englischen Instrumentenbauern wie Peter Dollond (1730–1820) den äußerst komplizierten Heliometerkopf in einer brauchbaren Qualität anzufertigen.

Etwa 1812 entwickelte der bei Joseph von Utzschneider (1763–1840) in Benediktbeuern tätige Optiker Joseph Fraunhofer (1787–1826) ein in vielen Details verbessertes Heliometer. So versah er beispielsweise sein Instrument mit der Möglichkeit eine Wiederholungsmessung durchzuführen und verwendete gegenüber seinen Vorgängern für das Objektivmikrometer keine gezahnten sondern exakt geschnittenen Schraubengewinde. Ein erstes Exemplar ging 1814 an Carl Friedrich Gauß (1777–1855) nach Göttingen, weitere an die Sternwarten in Berlin, Breslau und Gotha. 1824 konstruierte Fraunhofer für den in Königsberg arbeitenden Astronomen Friedrich Wilhelm Bessel (1784–1846) ein großes Heliometer. Mit einer Objektivöffnung von 6 Pariser Zoll und einer Brennweite von 8 Fuß übertraf es die seinerzeit größten Instrumente dieser Art um das Doppelte! Die Leistungsfähigkeit dieses Instruments war beeindruckend, so gelang es Bessel damit die Parallaxe des Schnellläufers 61 Cygni zu messen und mit Hilfe dieses Winkels im Jahr 1838 erstmals auch die Entfernung eines Fixsterns zu bestimmen. Das später in Münchener ansässige Unternehmen Utzschneiders fertigte noch zwei weitere Instrumente dieser Größe für die Sternwarten in Pulkowa (1839) und Bonn (1841) an. Zusätzlich wurde in Kooperation mit dem Hamburger Unternehmen Repsold & Söhne vier große Heliometer-Objektive für die Sternwarten in Oxford (1849), New Haven (1882), Kapstadt (1887) und Bamberg (1889) angefertigt. Die zu Beginn des 20. Jahrhundert aufkommende astrometrische Auswertung von Fotoplatten machte den Einsatz von Heliometern zunehmend überflüssig. Die letzten Instrumente wurden in den 1920er Jahren abgebaut und später zum Teil wie das Bamberger Heliometer an Museen abgegeben.

2. Funktionsweise:

Gegenüber einem gewöhnlichen Mikrometer, welches üblicherweise mit einem Faden oder einer Linie im Gesichtsfeld versehen ist, werden beim Doppelbildmikrometer zwei eigenständige Abbildungen des Beobachtungsobjektes erzeugt. Hierbei kann die Verdoppelung des Bildes durch das Objektiv selbst, einer Optik im Strahlengang oder durch ein spezielles Okular erfolgen. Bei den hier vorgestellten Heliometern handelt es sich um sogenannte Objektivdoppelbild-Mikrometer. Diese Instrumente verfügen über ein senkrecht zur optischen Achse geteiltes Fernrohrobjektiv, welches sich über Mikrometerschrauben gegeneinander verschieben lässt. Betrachtet man nun mit diesem Instrument einen Fixstern, so wird dieser im Okular doppelt dargestellt. Der Abstand des Doppelbildes zueinander kann nun durch das gegenseitige Verschieben der Objektivhälften verändern werden. Dies geschieht durch das Drehen einer hochpräzisen Gewindeschubstange, welche die zwei mit einem Support versehenen Objektivschlitten exakt in einer Schiene gegeneinander bewegt. An den Rändern der Objektivschlitten sind feine Skalen graviert, die eine Korrelation der ausgeführten Objektivbewegung und einem Abstandswinkel ermöglichen. Heliometer dienten zunächst der genauen Vermessung der Sonnenscheibe. Hierbei wurde das Doppelbild des Sonnenrands über die Sonnenscheibe verschoben und so der scheinbare Durchmesser der Sonnenscheibe ermittelt.  Das gleiche Verfahren fand auch bei der Vermessung der Mondes Anwendung. Später dienten die Heliometer häufig zur astrometrischen Vermessung von Doppelsternpaaren. Die historisch wohl wichtigsten Messungen, die mit Heliometern durchgeführt wurden, dienten der Ermittlung von Fixsternparalaxen. Hierbei wurde zunächst die im Laufe eines Jahres stattfindende scheinbare Bewegung eines sonnennahen Sterns gegenüber weiter entfernten Vergleichssternen vermessen und anschließend die gemessenen Winkel zur trigonometrischen Bestimmung der Sterndistanz genutzt. Dieses Verfahren setzte zum einen eine sehr genaue Winkelmessung voraus, zum anderen die Kenntnis störender Faktoren wie die Aberration, Präzession, Nutation und Refraktion. Ein weiteres Aufgabengebiet kleinerer transportabler Heliometer war die Vermessung der 1874 und 1882 stattfindenden Venustransite. Die zunächst überwiegend von englischen und französischen Werkstätten hergestellten Heliometer waren aufgrund ihrer relativ kleinen und häufig schlechten Objektive für Fixsternmessungen ungeeignet. Erst mit dem 1814 von Fraunhofer für Carl Friedrich Gauß in Göttingen gebauten Heliometer begann der Durchbruch dieser Instrumentenklasse als eines der wichtigsten astronomischen Messinstrumente des 19. Jahrhunderts. Schauen wir uns zunächst die Beschreibung seines sogenannten „Kleinen Heliometers“ an, wie es im Preisverzeichnis des Optischen Instituts von Utzschneider & Fraunhofer in Benediktbeuern etwa 1816 angeboten wurde:

„1. Heliometer mit messingener Säule und drey Füssen, parallaktisch montirt, mit zwey Libellen, Stunden- und Declinations- Kreis von 4,6 Zollen im Durchmesser, beyde mit silbernen Limbus durch die Verniers von 20 zu 20 Secunden getheilt. Das Fernrohr hat ein achromatisches Objektiv von 42 Zoll Brennweite und 34 Linien Oeffnung, vier astronomische Oculare von 41, 52, 81 und 131 maliger Vergrößerung und zwey Sonnengläser. Dieser Heliometer ist in allen Stücken sehr wesentlich und vortheilhaft von allen bisherigen verschieden, er repetirt die damit gemessenen Durchmesser der Sonne und Planeten, Distanzen, Ascensions- und Declinations- Unterschiede, ist in jeder Lage vollkommen balancirt, und gibt vermittelst der Micrometer-Schraube eine halbe Secunde ohne Repetition an.“ (Preisverzeichnis des Optischen Instituts in Benediktbeuern In: Zeitschrift für Astronomie und verwandte Wissenschaften, 2. Bd. (1816), S. 173)

Fraunhofers Kleines Heliometer zeichneten sich zum einen durch ein gutes achromatisches Objektiv, zum anderen durch die Möglichkeit, in Repetition, also in WiederholungDas Repetitionsverfahren wurde durch das Drehen des gesamten Heliometerkopfes durchgeführt, zu messen aus.

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Königsberger Heliometer

3 Das Königsberger Heliometer (1829)

Nachdem sich das Kleine Heliometer sehr gut verkaufte, betrat man mit der Umsetzung des von Wilhelm Bessel für die Königsberger Sternwarte bestellten 6-zölligen Heliometers Neuland. Hier war es vor allem Fraunhofer selbst, der die Planung des Instruments und wohl auch noch den Baubeginn überwachte. Im Februar 1827 gelang seinem langjährigen Schüler und Nachfolger Georg Merz gleich beim ersten Versuch die Teilung des Objektivs. In Franz Gruithuisens Analekten für Erd- und Himmels-Kunde lesen wir hierzu:

„Im von Utzschneider-Fraunhofer’schen optischen Institute in München ist ein für Hrn. Bessel nach Königsberg bestimmtes Heliometer fertig geworden und ist von der Hälfte Octobers an bis Ende deselben im laufenden Jahre für die Kenner ausgestellt gewesen. Die Oeffnung des in 2 Hälften getheilten Objectivs ist sechs Pariser- Zoll. Herr Merz (gebohren in Benedictbeyern, im optischen Institut gleichsam aufgewachsen, Fraunhofers geschiktester Schüler und seit vielen Jahren sein erster Arbeiter) spaltete die zwey Objectivgläser mit einem Diamant; und es gelang schon zum Erstenmale so gut, dass nur die Bruchflächen durften matt geschliffen werden.“ (Gruithuisen, Franz: Analekten für Erd- und Himmels-Kunde, 1. Heft, herausgegeben von Fr. v. P. Gruithuisen. München: J. Palm (-E. A. Fleischmann) 1828.)

Im gleichen Jahr wurde auch die parallaktische Montierung und das Stativ des Heliometers unter der Leitung Joseph Mahlers fertig gestellt. Er orientierte sich hierbei an dem 1824 aufgestellten Refraktor der Dorpater Sternwarte, änderte aber gegenüber diesem Instrument die Aufnahme des Gegengewichts auf der Deklinationsachse. Über die Nebenapparate des am 11. März 1829 ausgelieferten Heliometers findet sich ebenfalls bei Franz Gruithuisen folgender Hinweis:

„Das Fernrohr hat 5 Oculare von 45 bis 290malige Vergrösserung mit verschiedenen Sonnengläser versehen. Auch ist dabey eine Lampenmikrometer- Vorrichtung, ein Ocular mit Fäden ins Kreuz, ein anderes mit Netz in Rhomben und noch eins mit concentrischen Kreisen, beyde leztere auf Glas. Noch gehört dazu ein Kreismikrometer mit 2 concentrischen Ringen nach Fraunhofer. Die Oculare der Netz- und Kreismikrometer haben eine 66,92 und eine 165-malige Vergrösserung. Die Aufstellung ist parallactisch, alles in jeder Lage wohl balancirt, und das Fernrohr geht mittelst einer Uhr mit den Gestirnen, wie beim Dorpater Instrument. Der Stundenkreis hat eine Eintheilung von 400 zu 400 in Zeit, der Declinationskreis von 1000 zu 1000 im Raume. Alles dieses ist erst nach des unvergesslichen Fraunhofers Tod gefertigt worden.“

Die Kosten für das Instrument betrugen laut Kaufvertrag zwischen Utzschneider und Bessel rund 9.000 Gulden. Die Endkontrolle führte Carl August Steinheil (1801-1870) durch, bevor es für den Transport nach Königsberg verpackt wurde. Im Frühjahr 1829 begann man auf dem nördlichen Instrumentensaal der Sternwarte mit dem Bau der Heliometer-Kuppel. Am 11. März 1829 kam das Instrument in Königsberg an. Im Oktober des gleichen Jahres wurde es aufgestellt und in Betrieb genommen. Fraunhofer erlebte die Fertigstellung des damals weltweit größten Heliometers im Frühjahr 1829 nicht mehr. Er starb bereits drei Jahre zuvor am 7. Juni 1826 an Lungentuberkulose.

Im August 1944 wurden bei einem verheerenden Luftangriff auf Königsberg die Sternwarte zu einem großen Teil zerstört. Die Ruine der Sternwarte an der ehemaligen Bessel-Straße stand noch bis etwa 1956 bevor sie abgerissen wurde. Über den Verbleib des Heliometers kann bislang nur spekuliert werden. Vermutlich wurden die Überreste des überwiegend aus Messing gefertigten Instruments in der Notzeit der Nachkriegsjahre der Buntmetallverwertung zugeführt.

4 Pulkowa Heliometer (1839)

Konstruktiv handelte es sich bei dem Pulkowaer Heliometer um eine vergrößerte Kopie des bereits 10 Jahre zuvor an die Königsberger Sternwarte gelieferten Instruments. Es wurde 1839 zusammen mit einem 14-zölligen Merz Refraktor an die neue Kaiserliche Nikolai-Hauptsternwarte in Pulkowa für den Astronomen Friedrich Georg Wilhelm Struve (1793–1864) geliefert. Der Bau eines großen Heliometers erforderte einen deutlich höheren Arbeitsaufwand als es bei einem vergleichbaren Refraktor der Fall war. So war für das Pulkowaer Instrument allein ein Mitarbeiter fast drei Jahre mit der Anfertigung des Objektivschlittens beschäftigt. Die Besonderheiten des Heliometers beschrieb der Astronom Christian Schumacher (1780–1850) anlässlich eines Besuches in Pulkowa wie folgt:

„[. . . ] Aufstellung wie beim großen Refractor auf einem aus Granit gehauenen Stative. Oeffnung des Objectivs 7,5 Zoll. Brennweite 10 Fuß. Im Ganzen ist das Instrument nach dem berühmten Königsberger Heliometer gearbeitet. Ihm eigen ist es, daß durch Anbringung eines kleinen Fernrohrs am Ocularende die Ablesung der Micrometerschrauben und mit Hilfe eines Spiegels auch die des Positionskreises vom Beobachter gemacht werden kann, ohne daß er seinen Ort zu verändern braucht und daß es gleichfalls nicht nöthige ist, die Richtung des Fernrohrs bei den Ablesungen zu ändern.“ (Schumacher, Heinrich C.: Kurze während meines Aufenthaltes in Pulkowa gesammlte Notizen. In: Astronomische Nachrichten 18 (1840), Nr. 411, S. 33–44.)

Nachdem man einige Jahre mit dem Instrument gearbeitete hatte, plante man eine umfangreiche Modernisierung. So sollte eine gleichzeitig entgegengesetzte Bewegung der beiden Objektivschieber sowie die Drehung des ganzen Fernrohrs, anstatt der getrennten Positionsdrehung für Objektiv und Okularkopf, ermöglicht werden. Zu den geplanten Umbauten kam es nicht mehr und so war das Instrument spätestens mit der Einführung der modernen Repsold-Heliometer ab etwa 1882 veraltet. Vermutlich wurde das Pulkowaer Heliometer im Rahmen der Anfang der 1880er Jahre durchgeführten Baumaßnahmen für einen neuen 30-Zoll Refraktor abgebaut. Über den Verbleib des Instruments fanden sich bislang keine Hinweise. Es ist sehr wahrscheinlich, dass es bei den schweren Kämpfen um Leningrad in den Jahren 1942/43 zusammen mit weiteren Instrumenten und den Gebäuden der Sternwarte zerstört wurde.

Erst mit der erfolgreichen Fertigstellung des Pulkowa-Heliometers übernahm man auch ein 6- bzw. 7-zölliges Heliometer in die Preisverzeichnisse des Optischen Instituts. So finden wir 1840 unter den Positionen 12. und 13. folgende Offerten:

„12. Großer Heliometer von 9⅔ Fuß Brennweite, 7 Zoll Oeffnung, parallactisch aufgestellt, mit einem Stundenkreis von 14 Zoll im Durchmesser von 2 zu 2 Secunden in Zeit, und einem Declinationskreis von 20 Zoll im Durchmesser von 10 zu 10 Secunden durch die Verniers auf silbernem Limbus getheilt. Das Fernrohr hat einen achromatischen Sucher, alle nöthigen feinen und groben Bewegungen, ist in jeder Lage im Gleichgewicht, folgt durch eine Uhr mit Centrifugal-Pendel der Bewegung der Erde und hat 5 astronomische Oculare von 55, 110, 140, 220 und 357maliger Vergrößerung nebst den nöthigen Sonnengläser. Dieser Heliometer ist in allen Stücken sehr wesentlich von den bisherigen verschieden, und repetirt die damit gemessenen Durchmesser der Sonne und Planeten, Distanzen, Ascensions- und Declinationsunterschiede. 15000 fl.13. Großer Heliometer von 8 Fuß Brennweite, 6 Zoll Oeffnung, parallactisch aufgestellt, im übrigen wie Nr. 12 nur besitzen die 5 astronomischen Okulare 45, 94, 119, 185 und 300malige Vergrößerung. 12600 fl“ (Astronomische Nachrichten, Bd. 17 (1840), Nr. 405, S. 33)

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Bonner Heliometer

5. Bonner Heliometer (1841)

Das Optisches Institut, mittlerweile im Besitz von Georg Merz (1793-1867) und Joseph Mahler (1795-1845), lieferten 1841 das dritte und letzte große Heliometer. Es war für die neue Sternwarte in Bonn unter der Leitung von Friedrich Argelander (1799-1875) vorgesehen. Die Montierung des Heliometers entsprach aufgrund des schweren Objektivschlittens der eines 9-zölligen Refraktors. Ein solides Gebälkstativ trug das massige Instrument. Der Durchmesser des Deklinationskreises betrug 20 Zoll und war von 10 zu 10 Sekunden geteilt. Der Stundenkreis mit einem Durchmesser von 14 Zoll war von 2 zu 2 Sekunden geteilt. Der Objektivschlitten konnte vom Okularende aus bedient werden und mit Hilfe eines Ablesefernrohrs auch von dort abgelesen werden. Das Instrument besaß 5 Okulare, die Vergrößerungen zwischen 45- bis 300-fach erlaubten. Für die Messungen wurde später ausschließlich ein euryskopisches Okular mit einer 250-fachen Vergrößerung verwendet. Der Okularstutzen war auf einem Schieber befestigt und konnte so entsprechend der Objektivstellung verschoben werden. Nachdem das Heliometer einige Jahre genutzt wurde, ließ es Argelanders Nachfolger, Eduard Schönfeld (1828–1891) gründlich überholen. Anhand eines Eintrages im Kassenbuch der Firma Merz vom 4. November 1876 wurden folgende Arbeiten durchgeführt: „Das Schieberwerk des Heliometers in Stand gesetzt, Linsen gereinigt, dazu neue Sternmuttern für die Schrauben, sammt 4 neuen gussenen Schraubenziehern“ Eine weitere Überholung des Instruments fand im Frühjahr 1898 durch den Bonner Mechaniker Wolz statt. Hierbei erhielt das Instrument einen neuen, nur noch in ganzen Grad geteilten Positionskreis sowie ein neues Ablesefernrohr der Firma Steinheil & Söhne in München  mit einer Öffnung von 15 Linien.

Das Bonner Instrument hat als einziges der drei großen Merz-Heliometer die Zeit überdauert. Es befindet sich heute in der Dauerausstellung des Bonner Universitätsmuseums. Neben den vollständig von Merz gebauten Heliometern wurden wie bereits erwähnt auch mehrere geteilte Objektive an Werkstätten verkauft. Hier ist vor allem die Firma Repsold & Söhne in Hamburg zu nennen welche 1889 das letzte große Merz/Repsold-Heliometer für die Remeis-Sternwarte in Bamberg anfertigte.

6. Bamberger Heliometer (1889)

Karl Remeis (1837–1882), ein wohlhabender Jurist und Amateurastronom, stellte testamentarisch für den Bau einer Forschungssternwarte einen Betrag von 400.000 Goldmark zur Verfügung. Am 24. Oktober 1889 konnte die aus diesen Mitteln finanzierte und nach ihrem Mäzen benannte Remeis-Sternwarte ihren Betrieb auf dem Bamberger Stefansberg aufnehmen. Zu den Hauptinstrumenten der neuen Sternwarte gehörte ein noch von Remeis ausgesuchter 10-Zoll Refraktor des Hamburger Instrumentenbauers Hugo Schröder (1834–1902). Der erste Direktor der Sternwarte Ernst Hartwig (1851–1923) war mit dem Schröder-Refraktor nicht zufrieden. Er bemängelte vor allem die schlechte Aufstellung und die ungenaue Nachführung des Instruments. Um die Leistungsfähigkeit der  neuen Sternwarte zu unterstreichen, entschied sich Hartwig für die Anschaffung eines großen Heliometers. Er beauftragte die Firma Repsold & Söhne mit der Ausführung der mechanischen Bauteile, die optischen Bauteile wurden von Jakob Merz (1833-1906), dem letzten aus der Optiker-Dynastie Merz stammenden Inhaber des Instituts bezogen. Mit 7 Zoll Öffnung war das Bamberg-Heliometer das letzte große Instrument dieser Art, das mit einem Merz-Objektiv ausgerüstet wurde. Es war bereits bei seiner Auslieferung komplett elektrifiziert und verfügte über beleuchtete Teilkreise. Zur weiteren Ausstattung des Instruments gehörte ein in der Höhe verstellbarer Repsold-Beobachtungsstuhl. Mit rund 36.500 Goldmark verschlang das Heliometer fast ein Zehntel des gesamten Budgets der Remeis-Stiftung. Zu den Forschungsschwerpunkten der neuen Sternwarte zählten zunächst die genaue Bestimmung der physischen Libration des Mondes sowie die Vermessung einiger Sternparallaxen. Heute befindet sich das Repsold/Merz-Heliometer im Deutschen Museum in München. Es wird dort in der Dauerausstellung zur Astronomie präsentiert.

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Weiterführende Literatur:

Ambronn, Leopold: Handbuch der astronomischen Instrumentenkunde – Eine Beschreibung der bei astronomischen Beobachtungen benutzten Instrumente sowie Erläuterung der ihrem Bau, ihrer Anwendung und Aufstellung zu Grunde liegenden Principien, Bd. 1. u. 2. Berlin: J. Springer 1899.

Fürst, Dietmar: Die Geschichte des Heliometers der Sternwarte Königsberg. 1. Teil: Anschaffung und Aufstellung des Instrumentes. In: Dick, Wolfgang R. and Jürgen Hamel (Hg.): Beiträge zur Astronomiegeschichte; Band 6. Frankfurt am Main: Harri Deutsch (Acta Historica Astronomiae; Vol. 18) 2003, S. 90–136.

Hartl, Gerhard: Der Refraktor der Sternwarte in Pulkowa, eine traurige Geschichte. In: Kultur und Technik 10 (1986), Heft 1, S. 18–29.

Kost, Jürgen: Wissenschaftlicher Instrumentenbau der Firma Merz in München (1838–1932). Hg. von Gudrun Wolfschmidt. Hamburg: tredition (Nuncius Hamburgensis; Band 40), 2015

Repsold, Johann A.: Zur Geschichte der astronomischen Messwerkzeuge von 1450 bis um 1830, Bd. 1. Leipzig: Verlag Emmanuel Reinicke 1908.

Repsold, Johann A.: Zur Geschichte der astronomischen Messwerkzeuge von 1830 bis um 1900, Bd. 2. Leipzig: Verlag Emmanuel Reinicke 1914.

Zinner, Ernst: Die Remeis-Sternwarte zu Bamberg 1889–1939. Bamberg: Verlag Reindl 1939.

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