Astronomische Instrumente

Das älteste astronomische Instrument ist der Gnomon, eine vertikale Säule, die ihren Schatten auf eine horizontale Ebene wirft. Durch das Verhältnis der Länge des Schattens zur Höhe des Gnomons wird die Sonnenhöhe bestimmt. Hatte man die Mittagslinie (Richtung des kürzesten Schattens) ermittelt, so ließ sich an jedem sonnigen Tage die Zeit des wahren Mittags (höchsten Sonnenstandes) und die Kulminationshöhe der Sonne beobachten. Aus den Beobachtungen zur Zeit der beiden Solstitien fand man die Äquatorhöhe des Beobachtungsorts (das arithmetische Mittel aus beiden Kulminationshöhen) und die Schiefe der Ekliptik (die halbe Differenz beider Höhen). Solche Messungen hat schon der chinesische Kaiser Tschu-Kong um 1100 v.Chr. vorgenommen. Die Gnomone der neuern Zeit brachte man, um eine bedeutende Höhe zu gewinnen, vielfach in Kirchen an; man versah dann die nach S. liegende Wand oben mit einer kleinen, in einer Metallplatte befindlichen Öffnung, deren Bild auf dem Fußboden oder einer gegenüberliegenden Wand beobachtet wurde. Von solcher Art sind der von Toscanelli 1468 im Dom zu Florenz, der von Danti 1576 in der Kirche des heiligen Petronius zu Bologna, der von Cesaris und Reggio 1786 im Mailänder Dom errichtete Gnomon u.a. Das Anbringen einer kleinen Öffnung im obern Teil des schattenwerfenden Stabes, dessen Bild im Schatten dann statt der infolge des Halbschattens unsichern äußersten Schattengrenze in Betracht kommt, ist den Chinesen schon um 500 v.Chr. bekannt gewesen.

1. Triquetrum von Kopernikus.

Neben dem Gnomon wurden aber auch, besonders seit dem Aufblühen der Astronomie in der Schule von Alexandria, Winkelmeßinstrumente angewendet. Die Messung erfolgte entweder direkt, wie bei unsern jetzigen mit geteilten Kreisen ausgestatteten Instrumenten, oder indirekt, indem die zu bestimmenden Winkel in Dreiecken auftreten, deren Seiten bekannte Längen haben, aus denen sich die Winkel durch Rechnung finden lassen. Die letztern Instrumente sind die ältern, sie bestehen aus mehreren Linealen, die ein veränderliches Dreieck bilden, von dem die eine Seite mit einer Skala versehen ist. Hierher gehören das Triquetrum und der Jakobsstab.

Das Triquetrum (parallaktisches Lineal, ptolemäische Regel) war bereits von Ptolemäus im »Almagest« beschrieben, ist aber noch von Kopernikus benutzt worden. Fig. 1 zeigt das Instrument des Kopernikus, das später in den Besitz von Tycho Brahe kam und von ihm beschrieben und abgebildet wurde. Dasselbe besteht aus drei Linealen, die ein gleichschenkeliges Dreieck bilden. Der eine der gleichen Schenkel, AB, steht vertikal, der andre, AC, um den obern Endpunkt des ersten drehbar, ist mit Visieren versehen und wird nach dem zu beobachtenden Stern gerichtet; auf dem dritten, mit einer Teilung versehenen Lineal BD wird die Länge der ungleichen Seite BC gemessen und dadurch der Winkel bei A, d.h. die Zenitdistanz der Sterne, bestimmt.

Ein ähnliches Instrument ist das geometrische Quadrat, das bei den Arabern im Gebrauch war und nachher im Abendland, namentlich von Purbach, benutzt wurde. Es bestand aus einem meist auf einer Messingtafel dargestellten Quadrat, dessen Seiten horizontal, bez. vertikal gestellt wurden. Um die eine obere Ecke des Quadrats bewegte sich ein mit Dioptern versehenes Lineal über die beiden gegenüberliegenden mit Teilung versehenen Seiten des Quadrates. War das Lineal nach einem Stern gerichtet, so ergab die Ablesung der Teilung der horizontalen Seite (Latus rectus), bei kleinern Höhen diejenige der vertikalen Seite (Latus versus) die Höhe des Sterns.

2. Jakobsstab.

Von der Mitte des 15. Jahrh. an kam namentlich durch Regiomontan der Jakobsstab (Baculus astronomicus, Gradstock, franz. arbaléstrille, engl. cross-staff) zum Winkelmessen allgemein in Gebrauch. Er besteht aus einem längern Stab AB (Fig. 2), auf dem ein Querstab CD in seiner Mitte E verschiebbar angebracht war. In A, C, D waren Visiere angebracht. Wenn man nun A an das Auge hielt und CD so weit verschob, daß man z.B. den einen von zwei Sternen in der Richtung AC, den andern nach AD erblickte, so war der Winkelabstand beider CAD gegeben durch die Gleichung tang 1/2 CAD = EC/AE. Der Stab AB war mit einer Teilung versehen, auf welcher die Strecke AE abgelesen wurde, die in Verbindung mit der bekannten Länge des Querstabs den gesuchten Winkelabstand ergab. Um Winkel von verschiedener Größe messen zu können, konnten meistens verschieden lange Querstäbe aufgesetzt werden. Bis zur Mitte des 18. Jahrh. war der Jakobsstab das Hauptinstrument der Seefahrer zur Bestimmung von Zeit und Breite.

Außer diesen Instrumenten mit geradliniger Teilung kommen bei den Astronomen des Altertums auch schon Instrumente mit Kreisteilung vor. Solche Instrumente sind die Armillarsphären (s.d.), die als Vorläufer unsers heutigen Äquatorials (s.d.) zu betrachten sind und vielleicht schon von Timocharis und Aristyllos um 300 v.Chr. bei der Bestimmung der Lage der Fixsterne zum Äquator benutzt wurden. Mit größerer Gewißheit wissen wir von Eratosthenes, daß er um 220 v.Chr. zu Alexandria mit Armillen von bedeutender Größe beobachtete. Diese Instrumente sind bis zum 17. Jahrh. im Gebrauch gewesen und namentlich von Tycho Brahe wesentlich vervollkommt worden.

Fig. 3 zeigt eine von ihm auf seiner Sternwarte Uranienburg auf der Insel Hveen gebrauchte Äquatorial-Armillarsphäre.

3. Äquatorial-Armillarsphäre von Tycho Brahe.

Der auf festem Untergestell ruhende Kreis BCDE trägt den auf ihm senkrecht stehenden Kreis MESR und die auf letzterm wieder senkrechte Achse CAD, um welche sich der Kreis KLMN drehen läßt; alle Kreise sind mit feinen Teilungen versehen, mit Ausnahme des Kreises FGHI, der mit MESR fest verbunden ist und nur als Handhabe dient. OQPR sind Diopter, die sich auf den Kreisen KLMN und MESR verschieben lassen.

4. Astrolabium planisphaerium.

An der Achse CAD befindet sich im Mittelpunkt aller Kreise das Visier A. Man stellt das Instrument so auf, daß der Kreis BCDE in die Ebene des Meridians fällt und die Achse CD der Weltachse parallel ist, was mit Hilfe des Lotes BT geschieht; dann wird der Kreis MESR den Äquator und KLMN einen Deklinationskreis darstellen. Dreht man nun den Kreis KLMN und das Diopter so, daß ein Stern in der Visierlinie OA erscheint, so ist der Bogen OM gleich der Deklination und der Bogen ES gleich dem Stundenwinkel des Sterns, welche Größen durch Ablesung der Kreise gefunden werden.

Hipparch bediente sich, um Länge und Breite der Gestirne zu bestimmen, einer Ekliptikal- (Zodiakal-) Armillarsphäre, die Ptolemäos als Astrolabium beschrieben hat. Dasselbe entsteht aus der obigen Äquatorial-Armillarsphäre, wenn man den Kreis BCDE in die Kolur der Solstitien, MESR in die Ebene der Ekliptik stellt. Dreht man den Kreis KLMN, der dann einen Breitenkreis darstellt, und das Diopter O so, daß ein Stern in der Visierlinie OA erscheint, so ist der Bogen OM gleich der Breite des Sterns und der Bogen ES gleich der um 90° vermehrten Länge des Sterns.

Ein andres Instrument mit Kreisteilung, das namentlich auch bei den Seefahrern lange im Gebrauch war, ist das schon von Hipparch erfundene Astrolabium planisphaerium, mit dem einesteils Höhenmessungen ausgeführt werden konnten, das aber andernteils auch fast alle die Zeitbestimmung betreffenden Aufgaben infolge geschickter Anwendung der stereographischen Projektion leicht zu lösen gestattete. Fig. 4 zeigt ein solches am Ende des 15. Jahrh. von Vincenzo Dante dei Rinaldi verfertigtes Astrolabium, das einen Durchmesser von 27,6 cm hat. Man unterscheidet bei diesem Instrument 4 Teile: die Mater, das eigentliche Planisphärium, das Rete und das Dorsum. Die drei ersten Teile bilden die Vorderseite des Astrolabiums, das Dorsum die Rückseite. Die Mater ist die vertiefte Scheibe, in welche das Planisphärium fest eingelegt wird, darüber wird drehbar das Rete aufgesetzt und darauf ein drehbarer Radius. Das Planisphärium ist eine dünne Metallscheibe, auf welche für eine bestimmte Polhöhe eine Projektion der Hauptkreise am Himmel, Parallel kreise, Almukantharate, Vertikalkreise, aufgezeichnet ist. Gewöhnlich sind mehrere Planisphärien für verschiedene Polhöhen bei einem Astrolabium vorhanden. Das Rete ist eine meist ausgeschnittene und kunstvoll verzierte Metallscheibe, auf der die Ekliptik, der Pol, sowie eine Anzahl hellerer Sterne angegeben sind. Das Dorsum bildet die Rückseite der Mater und enthält eine Kreisteilung, über die sich ein Diopterlineal (Alhidadenregel) bewegt, mit dem man, wenn man das Instrument an dem oben angebrachten Ring mit der einen Hand frei hält, die Höhen der Sonne oder der Sterne bestimmen kann. In dem freien innern Raum des Dorsums ist gewöhnlich auch noch ein Purbachsches geometrisches Quadrat (s. oben) angebracht, außerdem sind in einem konzentrischen Ringe die Monate u. Jahrestage so abgeteilt, daß die Null die Kreisteilung der Frühlingsnachtgleiche entspricht, so daß man die jedem Tag entsprechende Sonnenlänge direkt ablesen kann. Der Gebrauch der Astrolabiums ist sehr mannigfaltig. Hat man z.B. eine Sonnenhöhe gemessen u. die zugehörige Sonnenlänge auf dem Dorsum abgelesen, so sucht man letztere auf der Ekliptik des Rete auf u. bringt durch Drehen des Rete den erhaltenen Punkt auf den der gemessenen Höheentsprechenden Almukantharat, stellt den drehbaren Radius auf den gefundenen Punkt ein, die Spitze des Radius gibt dann am Stundenkreise der Mater die Sonnenzelt der Beobachtung an. In ähnlicher Weise kann auch die Sternzeit bestimmt werden.

Zu den Instrumenten mit Kreisteilung gehört auch das von Regiomontan konstruierte Torquetum, das zur Bestimmung von Länge und Breite der Gestirne diente. Ein drehbarer Kreis war parallel dem Äquator aufgestellt, dagegen um die Schiefe der Ekliptik geneigt ein zweiter drehbarer Kreis, der die Ekliptik darstellte, darauf stand senkrecht ein dritter Kreis (Breitenkreis), über dem sich ein Diopterlineal bewegte. Der Gebrauch des Instruments war dem der Armillarsphäre sehr ähnlich. Wie bereits kurz erwähnt, versah man, um die Richtung, in der man einen Stern erblickt, genau zu fixieren, das bewegliche Lineal, an dem man hin visierte, an jedem Ende mit einem durchbohrten kleinen Aufsatz (Visierdiopter, Absehe) und sah durch beide Öffnungen hindurch, oder man brachte auch einen innerhalb des geteilten Kreises drehbaren Kreis an und setzte auf denselben an zwei diametral entgegengesetzten Punkten solche Visiere.

5. Großer Mauerquadrat von Tycho Brahe.

Statt dieser Visiere wurden auch manchmal, z.B. von Regiomontan, Nadeln angewandt, deren Spitzen die Visierrichtung markierten. Für Sonnenbeobachtungen brachte man auch im Zentrum einen kleinen Zylinder an (Fig. 3), der seinen Schatten auf den geteilten Kreis warf.

Die bisher beschriebenen Instrumente waren im wesentlichen sowohl bei den Alexandrinern als im Mittelalter bei den Arabern und im Abendland im Gebrauch. Die Araber verwendeten aber auf die Ausführung und Aufstellung ihrer Instrumente vorzügliche Sorgfalt und versahen sie mit Kreisen von bedeutendem Halbmesser, auf denen die Teilung auf Metall aufgetragen war. Wegen der Schwierigkeit, größere Vollkreise herzustellen, gebrauchte man schon frühzeitig Viertelkreise oder Quadranten, und aus der Beschreibung eines zur Messung von Kulminationshöhen bestimmten, an der Ostseite einer von S. nach N. gehenden vertikalen Mauer fest aufgestellten Quadranten von 5 arabischen Ellen Halbmesser auf der Sternwarte von Meragah (13. Jahrh.) ersieht man, daß die Araber schon den Wert fest im Meridian aufgestellter Instrumente kannten, und daß sie als die eigentlichen Erfinder des Mauerquadranten zu betrachten sind. Diese Mauerquadranten wurden namentlich durch Tycho Brahe auf die höchste Stufe der Vollendung erhoben, die vor Anwendung des Fernrohrs überhaupt erreicht werden konnte. Fig. 5 zeigt nach einer Abbildung in Tychos »Astronomiae instauratae mechanica« (Wandsbek 1598) seinen großen Mauerquadranten, den »Quadrans muralis sive Tichonicus«, das größte Instrument seiner auf der Insel Hveen errichteten Sternwarte Uranienburg. BC ist der aus Messing gefertigte, 5 Zoll breite Quadrant von ungefähr 3 m Radius, der von Grad zu Grad geteilt war, aber mit Hilfe von Transversalen bis auf Sechstelminuten ablesbar war.

6. Großer Quadrant von Hevel.

Dieser Quadrant ist an einer Mauer befestigt, so daß die Ebene seiner Teilung mit der Meridianebene genau zusammenfällt. Auf der Teilung sind zwei mit einem Index versehene Diopter D und E verschiebbar, und im Mittelpunkt des Quadranten befindet sich in einer zur Quadrantenmauer senkrechten Mauer das feste Diopter A. Zur Bedienung des Instruments gehörten drei Personen: der Gehilfe F, der eigentliche Beobachter, verschiebt das Okulardiopter E so weit, bis der zu beobachtende Stern in der Richtung EA erscheint und liest an der Teilung die Kulminationshöhe des Sterns ab, im Moment des Durchganges des Sterns gibt er ein Signal, dessen Zeit der zweite Gehilfe H an den Zifferblättern I und K der Uhr abliest, der dritte Gehilfe G endlich trägt die von beiden gemachten Angaben in das Beobachtungsbuch ein. Tycho selbst leitet die Beobachtungen. Der Unterschied der Durchgangszeiten zweier Sterne gab ihre Rektaszensionsdifferenz, während die am Quadranten abgelesene Höhe nach Abziehen der Äquatorhohe des Beobachtungsortes die Deklination ergab. Die Verwendung der Uhr zur Bestimmung der Rektaszensionsunterschiede ist schon gegen Ende des 15. Jahrh. von Walther in Nürnberg versucht worden, indessen wegen des unregelmäßigen Ganges der damaligen Uhren ohne Erfolg; in die astronomische Beobachtungskunst eingeführt worden ist sie vom Landgrafen Wilhelm IV. von Hessen, dem gute Uhren seines Gehilfen Bürgi zu Gebote standen. Die Mauerquadranten sind bis gegen Ende des 18. Jahrh. im Gebrauch geblieben, nur wurden sie statt der Diopter mit einem um den Mittelpunkt drehbaren Fernrohr versehen.

Ferner wurden noch Quadranten benutzt, die, um eine vertikale Säule drehbar, Beobachtungen in jedem Azimut erlaubten.

7. Großer Oktant von Hevel.

Fig. 6 zeigt einen derartigen großen Quadranten, den Hevel auf seiner Sternwarte in Danzig errichtete. Die Einrichtung ist im wesentlichen dem Tychonischen Quadranten ähnlich. Zur Messung des Winkelabstandes zweier Gestirne wurden große Oktanten und Sextanten benutzt. Der große Oktant von Hevel (Fig. 7) war auf einer vertikalen Säule aufgestellt und konnte mittels verschiedener Ketten mit Gegengewichten so geneigt werden, daß die beiden Gestirne in seine Ebene fielen. Im Mittelpunkte des Oktanten sowie am Nullpunkte der Teilung und auf einem über die Teilung beweglichen Lineal waren Diopter angebracht. Zur Ausführung einer Messung gehörten zwei Beobachter; der eine (Hevels Frau) stellte den einen Stern so ein, daß er in der Richtung Mittelpunkt-Null-Diopter erschien, während gleichzeitig der andre Beobachter (Hevel) das bewegliche Lineal so verschob, daß der andre Stern in der Richtung Mittelpunkt-Lineal-Diopter erschien. Die Ablesung der Stellung des Lineals auf der Teilung ergab dann direkt die Winkeldeutung der beiden Gestirne.