Das "Einscheinern" von parallaktischen Montierungen nach der klassischen Methode von Julius Scheiner (1858 - 1913)

Hinweis:
Der ursprüngliche Text wurde vom Verfasser vor ungefähr 25 Jahren verfasst und ist im Prinzip inzwischen irrelevant, da es heute elektronische und andere technische Methoden gibt, eine parallaktische Montierung zeitnah poljustiert aufzustellen. Die Stichworte sind hier Polsucherfernrohre, GoTo Montierungen, der QHY Polmaster, die Star Aid Revolution, die Software PHD Guiding und das so genannte "plate solving".

Julius Scheiner

Julius Scheiner (geb. 25. November 1858 in Köln; gest. 20. Dezember 1913 in Potsdam), Quelle: gemeinfrei.

Die Scheiner Methode ist das ursprüngliche, historische Verfahren, um eine parallaktische Montierung (egal von welchen Bautyp) präzise auf den wahren Himmelspol auszurichten und somit lang belichtete Fotografie mit punktförmige Sternabbildungen zu ermöglichen. Der Vorgang wird auch "Scheinern" oder "Einscheinern" genannt, im englischen Sprachraum ist die Bezeichnung "Drift Alignment Method" gebräuchlich.

Entwickelt und publiziert wurde die Methode vom deutschen Astrophysiker Julius Scheiner 1897 in Zusammenhang mit seiner Mitwirkung bei den internationalen Arbeiten zum einem photographischen Himmelsatlas.

Da alle modernen Methoden (mit Ausnahme des Posucherfernrohrs) letztlich auf die Scheinersche Methode zurück greifen, hat der Verfasser den ursprünglichen Text aktualisiert und stellt ihn hier zum Verständnis der Poljustierung einer parallaktischen Montierung zur allgemeinen Verfügung.

Ortsfeste und/oder auch transportable parallaktische Montierung müssen – wenn sie fotografisch eingesetzt werden sollen – eine genau definierte Aufstellungsposition am Beobachtungsort haben. Dabei muss die Rektaszensions- oder Polachse der Montierung genau parallel zur Lage der gedachten Erdrotationsachse am Beobachtungsort stehen. Das bedeutet, sie muss im Azimut (Horizontal, Ost-West) exakt in Nord-Südrichtung stehen und ihr Winkel zur Erdoberfläche muss exakt dem Winkel der geografischen Breite des Beobachtungsortes entsprechen. Dieser Winkel wird auch als Polhöhenwinkel (φ, psi) bezeichnet. Genau auf diesen Punkt des Himmels zeigt die gedachte Rotationsachse der Erde, dort befindet sich der wahre Himmelspol (gleiches gilt natürlich auch für den Südhimmel). Die so genannte Äquatorhöhe ist entsprechend die Höhe des Himmelsäquators zum Horizont und berechnet sich aus der Polhöhe zu: 90° minus Polhöhe.

Um diesen Punkt am Himmel scheinen sich alle Sterne in Kreisbögen zu bewegen (die Bewegung ist natürlich nur die Projektion der Erdrotation). Dicht am nördlichen Himmelspol steht der helle Polarstern (Alpha Ursae Minoris), am südlichen Himmelspol gibt es leider keinen hellen Stern.

Der Polarstern hat zur Zeit einen Abstand von einem knappen Grad zum wahren Himmelspol und beschreibt deshalb innerhalb von 23h 56m 04,1s (das ist die wahre Rotationsperiode der Erde) ebenfalls einen kleinen Kreisbogen.

Der nördliche Himmelspol: Die Abbildung demonstriert dies zur Erläuterung. Fällt man (gedanklich) ein Lot vom Polarstern zum Horizont, so markiert der Punkt geografisch Nord. Hier ist zusätzlich noch das Sternbild Großer Wagen in vier verschiedenen Stellungen eingezeichnet, die es im Lauf eines Tages bzw. eines Jahres einnimmt.

Das Bild zeigt den Effekt der Erdrotation einer fest stehenden Kamera mit Blick auf den südlichen Himmelspol. Die Belichtungszeit betrug 37 x 300 Sekunden.



Verlängert man den Abstand der hinteren beiden Kastensternen des großen Wagens (Abbildung links oben) um ihre fünffache Länge, trifft man ziemlich genau auf den Polarstern. Das Kreuz markiert die Stellung des wahren Himmelspols.

Fast alle aufwändigere gefertigte transportable parallaktische Teleskopmontierungen verfügen heute (zumindest optional) über ein so genanntes Polsucherfernrohr, welches eine poljustierte Aufstellung der Montierung stark vereinfacht und zeitlich beschleunigt. Hier ist die Rektaszensionsachse (Polachse) hohlgebohrt und dort wird dann ein kleines Fernrohr mit einer entsprechenden Fadenkreuzplatte eingesetzt. Wenn sich der Verfasser richtig erinnert, führte die Firma Vixen Anfang der 80ger Jahre erstmalig zusammen mit der kleinen transportablen Polaris Montierung das Polsucherfernrohr ein.

Für eine exakte Aufstellung liefert aber auch das Polsucherfernrohr nur einen (allerdings schon recht genauen) Richtwert. Größere Montierungen oder zum Beispiel Eigenkonstruktionen verfügen oft über kein Polsucherfernrohr. Auch die bei Amateuren beliebten Schmidt-Cassegrain Teleskope in Gabelmontierungen haben selten ein Polsucherfernrohr, selbst wenn sie mit einer Polhöhenwiege parallaktisch aufgestellt werden können.

Moderne parallaktische Goto-Montierungen verfügen zusätzlich zum Polsucherfernrohr in der Steuersoftware des Teleskops entsprechende Routinen (normalerweise die "Drift Alignment Methode"), die es gestatten die Montierung korrekt aufzustellen. Aber auch hier können Restaufstellungsfehler bleiben, die behoben werden müssen.

Ein moderner Ansatz dazu ist auch das Plate Solving. Dabei wertet ein Computer die Bilder einer Kamera aus, erkennt die Sterne automatisch und gibt an, wie die Montierung ausgerichtet werden muss, damit sie möglichst perfekt eingenordet ist (Soll/Ist Vergleich eines Sternfeldes in der Nähe des wahren Himmelspol). Das funktioniert zum Beispiel über die Kamera, die auch für das Autoguiding eingesetzt wird, und spezieller Software auf einem Laptop (z.B. phd Guiding), oder ganz bequem mit Stand-Alone-Systemen wie dem oder dem PoleMaster von QHY.

Was aber tun, wenn man an seiner Montierung keine dieser Möglichkeiten hat? Nun dann muss man auf die Scheinersche Methode zurück greifen, die folgend für die Aufstellung einer parallaktischen Montierung auf der nördlichen Hemisphere beschrieben wird. Es ist leider eine zeitraubende Methode – aber die genaueste die es gibt. Je genauer man vorab die Rektaszensionsachse auf den Himmelspol ausrichten kann, desto schneller wird ein Ergebniss erreicht.

Also kurz zusammen gefasst: Bei der Scheinerschen Methode werden sowohl Azimut (Ost-West) als auch die Polhöhe der Rektaszensionsachse präzise für Ihren Aufstellungsort ermittelt und eingestellt. Nach erfolgter Justage steht die Rektaszensionsachse exakt parallel zur Erdrotationsachse und zeigt auf den wahren Himmelspol.

Die Bildorientierung im Teleskop
Für ein erfolgreiches  "Scheinern" ist die Kenntnis der Bildorientierung beim Blick durchs Teleskop essentiell wichtig (ein Verfahren ohne Kenntnis der Bildorientierung beschreiben wir am Ende des Artikels). Ein Refraktor im gestrecktem Strahlengang - ohne zusätzliches Prisma oder einen Zenitspiegel und jedes 2-Spiegel Teleskop (also der Newton, ein Schmidt Cassegrain oder ein Maksutov Teleskop) - drehen das Bild um 180 Grad gegenüber dem Blick zum Himmel mit dem bloßen Auge. Die Bildorientierung im Okular ist also: Süden oben, Norden unten, Westen links und Osten rechts. Alle folgendes Graphiken und Texte beziehen sich auf den Anblick in einem Refraktor mit gestrecktem Strahlengang, also ohne Zenitprisma, Zenitspiegel oder andere - die Bildorientierung verändernden - Zubehörteile. Das einzige Prisma welches eine Bildorientierung wie beim Anblick mit dem bloßem Auge erzeugt ist das Amiciprisma (Nord oben, Süd unten, Ost links und West rechts).

Verfahren Sie nun wie im folgenden beschrieben:

  • Stellen Sie Ihre Montierung auf und richten Sie vorab die Rektaszensionsachse so genau wie möglich auf den Himmelspol. Wenn Sie ein Polsucherfernrohr haben und der Himmelspol von Ihrem Beobachtungsstandort aus sichtbar ist, dann ist das kein Problem. Für alle anderen Fällen können Sie zur Azimutausrichtung (Nord-Süd) einen Peilkompass einsetzen (beachten Sie dabei die magnetische Missweisung, es muss geografisch Nord und nicht magnetisch Nord eingestellt werden).
  • Die meisten Montierungen verfügen am Polblock der Montierung eine grobe Winkelskala zur Einstellung des Polhöhenwinkels. In Baumärkten findet man aber auch Aufsatzwinkelmesser, die es gestatten auf der Rektaszensionsachse aufgesetzt und auf etwa ±1 Grad abgelesen werden zu können. Viele Smartphones haben Neigungsmesser und Kompass integriert, auch wenn die Anzeigen nicht immer hochpräzise sind.

Was Sie nun noch brauchen ist ein stärker (ca. 125fach) vergrößerndes – am besten beleuchtetes – Fadenkreuzokular. Steht Ihnen ein beleuchtetes Fadenkreuzokular nicht zur Verfügung, tut es auch ein einfaches. Stellen Sie Ihren Referenzstern einfach unscharf ein, dann sehen Sie das Fadenkreuz auch deutlich.

Begonnen wird das Scheinern einer Montierung immer mit der Azimuteinstellung der Rektaszensionsachse. Die im folgenden beschriebenen Himmelsrichtungen zum Scheinern sind bewusst gewählt, an diesen Positionen des Himmels sind Abweichungen am schnellsten sichtbar.

Zu Beginn suchen Sie sich (aus einem Himmelsatlas oder einem Planetariumsprogramm) einen hellen Stern, der zu Beginn des Scheinerns grob in Südrichtung (Meridian) steht und dabei nicht weit vom Himmelsäquator entfernt sein sollte (Deklination = 0 Grad).

Bringen Sie den Stern in das Gesichtsfeld des Okulars und orientieren Sie den waagerechten Faden so, dass der Stern sich während einer Bewegung der Rektaszensionsachse auf ihm (dem waagerechten Faden) hin- und her bewegt.

Ist Ihre Bildorientierung korrekt, so muss der Stern bei abgeschalteter Nachführung auf dem waagerechten Faden von rechts nach links (Ost - West) bewegen. Positionieren Sie den Stern nun in die Fadenkreuzmitte und beobachten Sie seine Bewegung auf dem senkrechten Faden.

Achtung: Sie dürfen ab jetzt – bis zum Ende des Scheinerns – die Stellung des Fadenkreuzokulars im Okularauszug nicht mehr verändern!

Die Position des Sternes auf dem waagerechten Faden des Fadenkreuzes dürfen Sie durch Bewegung der Rektaszensionsachse jederzeit verstellen.

Weicht der Stern nun im Laufe der Zeit auf der senkrechten Achse nach oben (Süden) ab, so müssen Sie das Nordende der Rektaszensionsachse nach Westen verdrehen.

Weicht der Stern im Laufe der Zeit auf der senkrechten Achse nach unten (Norden) ab, so müssen Sie das Nordende der Rektaszensionsachse im Azimut ein Stückchen nach Osten korrigieren.

Diesen Prozess wiederholen Sie so oft, bis sich der Stern ca. 20 Minuten auf dem senkrechten Faden nicht bewegt. Und noch einmal zur Erinnerung: die Rektaszensionsachse dürfen Sie jederzeit korrigieren, nicht aber in Deklination nachstellen (deren Abweichung soll ja bestimmt werden).

Zur Azimuteinstellung haben die meisten Montierungen am Nordende der Rektaszensionsachse eine Feineinstellung, bestehend aus zwei Schrauben, die gegenläufig auf einen Lagerbock drücken.

Nun folgt die Justierung der Polhöhe. Wählen Sie dazu einen Stern in östlicher Richtung, ca. 30 Grad über dem Horizont. Zentrieren Sie ihn auf die Fadenkreuzmitte und beobachten Sie seine Abweichung auf dem senkrechten Faden, der jetzt etwa im Winkel von 45 Grad steht.

Bei abgeschalteter Nachführung muss sich der Stern diagonal von rechts oben nach links unten bewegen.

Weicht der Stern nach links oben (Süden) ab, so muss die Rektaszensionsachse steiler (höher) gestellt werden.

Weicht der Stern auf dem Faden nach rechts unten (Nord) ab, so ist die Polhöhe zu verringern (flacher).

Auch hier ist der Prozess so lange zu wiederholen, bis der Stern ca. 20 Minuten ohne Abweichung in Nord-Süd Richtung auf der Fadenkreuzmitte stehen bleibt. Wenn Sie jetzt wieder zum Ausgangspunkt zurückgehen und einen Stern in Südrichtung beobachten, kann es sein, dass Sie das Azimut leicht korrigieren müssen. Und dann das ganze noch einmal für die Polhöhe.

Für ortsfeste Montierungen und langbrennweitige Teleskope kann das Einscheinern schon die ganze Nacht dauern. Für transportable Instrumente – mit weniger hohen Ansprüchen und einiger Erfahrung mit dem Scheinern – sollte man nach ca. 60 Minuten fertig sein.

Insbesondere für mobile Geräte sind die integrierten Software-Routinen der Montierungen – insbesondere in Kombination mit einem Fadenkreuzokular, um die Referenzsterne mit hoher Genauigkeit im Teleskop zu zentrieren – oder das Plate-Solving heute gute Alternativen, um in kürzerer ebenfalls eine meist ausreichende Präzision zu erreichen, sodass ein Autoguider die verbleibenden Fehler ausgleichen kann und auch die Bildfelddrehung nicht stört.

Für eine rein visuelle Beobachtung spielt die Aufstellung kaum eine Rolle – es sei denn man möchte die Teilkreise einer Montierung zur Einstellung von Beobachtungsobjekten nach Rektaszension und Deklination nutzen. Auch dann muss die Montierung exakt aufgestellt sein.

Bei der Fotografie muss die Montierung exakt aufgestellt sein. Ansonsten rotiert das Bildfeld um den Leitstern. Das bedeutet, der Leitstern (meist im Bildmittelpunkt) wird punktförmig, alle Sterne weiter außen in immer längeren Kreisbögen abgebildet.

Ein Autoguider kann eine schlecht eingenordete Montierung zwar perfekt nachführen – aber nur auf einen Stern. Auch bei bester Nachführung ist bei ausreichend schlechter Einnordung zwar der Stern im Zentrum perfekt scharf, aber alle anderen drehen sich um ihn.

Dabei spielt die Aufnahmebrennweite KEINE Rolle, sondern nur die Größe des Bildfeldes. Je größer es ist (in scheinbaren Graden), desto länger – je weiter vom Bildmittelpunkt entfernt – werden die Kreisbögen.

Die größten Fehler erhält man somit – logischerweise – bei Mittelformatkameras mit Weitwinkelobjektiven. Für Weitwinkelaufnahmen muss die Montierung also genauso gut aufgestellt sein, wie für Aufnahmen durch das Teleskop im Fokus. Setzen Sie Mittelformatkameras ein, muss die Aufstellung besser sein als für Aufnahmen mit Kleinbildkameras.

Moderne Messelektronik macht es möglich ...

Folgend kurz beschrieben eine Methode zur schnellen Poljustage in der die Kenntnis der Bildorientierung KEINE Rolle spielt.

Besorgen Sie sich dazu eine moderne digitale Wasserwaage. Diese Geräte zeigen Neigungswinkel auf etwa 0,1 Grad (6 Bogenminuten) genau an. Stellen Sie Ihre Montierung auf und nivellieren Sie den Achsblock parallel zur Erdoberfläche (Dosenlibelle). Nun richten Sie die Rektaszensionsachse (Polachse) mit einem Peilkompass möglichst genau nach Norden aus (auf der Südhalbkugel der Erde nach Süden, die Methode funktioniert dort genau so gut). Legen Sie nun die digitale Wasserwaage auf die Polachse auf und neigen Sie die Achse so, dass die Wasserwaage genau die geographische Breite ihres Beobachtungsortes anzeigt (die Polhöhe, bzw. geographische Breite für jeden beliebeigen Ort finden Sie im Internet).

Nun haben Sie die Polhöhe ihrer Montierung schon innerhalb weniger Minuten recht genau eingestellt. Bleibt die Azimutjustage der Polachse (exakt Norden oder Süden). Bestücken Sie nun ihr Teleskop mit einem Fadenkreuzokular und richten Sie das Teleskop möglichst exakt in Richtung Zenit (Ost oder Westlage spielt keine Rolle). In dieser Teleskoplage spielt die Bildorientierung im Okular KEINE Rolle.

Schalten Sie die Nachführung ein und suchen Sie sich einen helleren Stern und richten das Fadenkreuz in Rektaszension und Deklination aus (bevorzugt Rektasension waagerecht und Deklination senkrecht). Zentrieren Sie den Stern in die Fadenkreuzmitte und beobachten Sie die Abweichung des Sterns auf dem Deklinationsfaden (Abweichungen in Rektaszension können Sie mit der Feinbewegung jederzeit korrigieren).

Eine Abweichung des Sterns auf dem Deklinationsfaden können Sie jetzt direkt mit den Stellschrauben der Azimutfeineinstellung vornehmen. Verschieben Sie die Achse nach Ost oder West bis der Stern wieder in der Fadenkreuzmitte steht.  Verbleibt der Stern für 10 bis 15 Minuten in Fadenkreuzmitte stehen, haben Sie eine recht gute Poljustage erreicht.

Für die heutzutage üblichen kurzen Belichtungszeiten ist die Genauigkeit der Poljustage ausreichend und auch GoTo Positionierungen sollten bei schwächeren Vergrößerungen erfolgreich sein.

Bei einer größeren Anzahl von Einzelbelichtungen wird sich zwischen den einzelnen Rohbildern zwar eine geringe Bildfeldrotation ergeben, die aber die moderne Stackingsoftware ausgleicht.

Und zum Abschluss noch ein kurzer Exkurs zum Südhimmel.

Wie schon oben im Text erwähnt gibt es am Südhimmel keinen hellen "Polarstern". So lässt sich der wahre Himmelspol nur ungenau bestimmen. Es gibt jedoch eine kleine Hilfestellung:

Lokalisieren Sie das Sternbild Kreuz des Südens. Als Hilfe dienen die beiden hellsten Sterne im Sternbild Centaurus, Alpa- und Beta Centauri. Im allgemeinen Sprachgebrauch nennt man sie auch die Weisersterne, im englischen Sprachgebrauch sind es die „the pointer stars“. Sie zeigen immer in Richtung auf das Kreuz des Südens.

Das Kreuz des Südens hat ja die Form eines normalen Kinderdrachens. Verlängern Sie (wie oben eingezeichnet) den Abstand der beiden am weitesten voneinander stehenden Sternen um die 5-fache Strecke. Dort liegt der südliche Himmelspol. Von dort fällen Sie ein Lot senkrecht zum Horizont. Genau dort liegt geografisch SÜDEN. Osten ist dann links, Westen rechts und Norden direkt hinter Ihnen.


Wolfgang Paech

Über den Autor

Wolfgang Paech betreibt Astronomie seit nunmehr über 50 Jahren. Neben seinen zahlreichen Erfahrungen mit Sternwarten-Kuppeln aller Art sind seine Kerngebiete die Sonne und der Mond. Auf der Website www.chamaeleon-observatory-onjala.de finden Sie einen kompletten Mondatlas, aufgenommen mit seiner Standardtechnik. Aber auch in Sachen Deep-Sky und Planeten kann ihm, als langjährig erfahrenem Astrofotograf, niemand etwas vormachen.

Die 50+ Jahre Amateurastronomie mit vielen weiteren Bereichen, wie z.B. der Restaurierung historischer Amateurteleskope, Polarlichtreisen und vielem mehr sind auf seiner privaten Webseite unter www.astrotech-hannover.de aufbereitet.

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