Hauptspiegel

Hauptspiegel eines Teleskops am Paranal-Observatorium mit 8 m Durchmesser
Die Hauptspiegel (2 × 8,4 m) des Large Binocular Telescope am Mount Graham (3267 m) in Arizona
Weltweiter Vergleich der Hauptspiegel-Durchmesser

Der Hauptspiegel (auch Primärspiegel) ist bei einem Spiegelteleskop oder einem katadioptrischen Teleskop der erste optisch wirksame Spiegel, auf den das vom Objekt kommende Licht trifft. Meist ist er, wie beim Newton-Teleskop, als Paraboloid geschliffen, bei speziellen Optiken wie der Schmidtkamera auch als Kugelspiegel oder in hyperbolischer Form.

Bei Teleskopen für optische Wellenlängen (Licht, UV, nahes Infrarot) bestehen Hauptspiegel heute meist aus Glas oder Glaskeramik. Bis etwa 1900 verwendete man überwiegend Metallspiegel, weil bei größeren Glasgussformen das Problem der Schlieren noch ungelöst war. Parabolspiegel lassen sich ebenfalls als flüssiger Spiegel realisieren.[1]

In Spiegelreflexkameras wird als Hauptspiegel der ebene, teildurchlässige Spiegel bezeichnet, der das Licht in den Sucher lenkt, und beim Wegklappen auf den Film bzw. das CCD-Array. Hinter ihm befindet sich der Hilfsspiegel für den Autofokus.

Geschichte

In den Anfangsjahren der von Newton erfundenen Spiegelteleskope wurden die Spiegel aus Spiegelmetall hergestellt. Weil das Metall jedoch schnell oxidierte, mussten diese Spiegel häufig nachpoliert werden. Dabei verschlechterte man leicht die hergestellte glatte Oberfläche und veränderte die genaue Oberflächenform. Deshalb kam man auf Glas als Träger, das man mit Silber verspiegelte.[2] Heutige Teleskopspiegel werden im Hochvakuum mit einer dünnen Aluminiumschicht bedampft und zum Schutz gegen schnelles Erblinden mit einer Quarzschutzschicht versehen.[3]

Die riesigen Spiegel heutiger Großteleskope (bis zu 10 Meter Durchmesser) werden nicht mehr in einem Stück gegossen, sondern aus hunderten, computergesteuerten Segmenten zusammengesetzt. Die größten Einzelspiegel sind jene am Mount Palomar, USA (5 Meter, 1947) und am Selentschuk-Observatorium, Russland (6 Meter, 1975/78).

Strahlverlauf und Abbildungsfehler

Die Spiegel ganz kleiner Teleskope sind Hohlspiegel in der Form reiner Kugelflächen. Ein Kugelspiegel sammelt parallele Lichtstrahlen aber nicht genau in einem Punkt, sondern in einer räumlichen Ausdehnung entlang der Längsachse des Brennpunktes (sog. „Brennlinie“). Bei größeren Spiegeln wird deshalb ein Rotationsparaboloid hergestellt, das die Lichtstrahlen wirklich in einem Punkt sammelt. Sehr große Teleskope werden heutzutage meist als Ritchey-Chrétien-Teleskop gebaut, bei dem der Hauptspiegel hyperbolisch deformiert ist – der Fangspiegel übrigens auch, zusätzlich zu der Hyperbelform, die er für seine Aufgabe im Cassegrainsystem ohnehin benötigt.

Herstellung

In der Amateur-Astronomie wird als Spiegelmaterial meist Borosilicatglas verwendet, das einen sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Die Glasrohlinge wurden früher durch Pressen oder Gießen in Metallformen hergestellt. Heute wird Borosilicat-Floatglas (z. B. Borofloat) mit 25 mm Stärke hergestellt, aus dem die Glasrohlinge ausgeschnitten werden.[4]

Die großen Spiegel der astronomischen Forschung werden heute dagegen meist aus Glaskeramik hergestellt. In speziellen Drehöfen werden die Spiegelrohlinge direkt aus Glasbruch in Form geschmolzen. Dabei rotiert der Ofen mit jener definierten Drehzahl, welche die gewünschte Paraboloidform erzeugt. Bei der Abkühlung der Glasschmelze wird der Temperaturverlauf so geregelt, dass durch keramische Kristallisation eine Mischung aus 60 Prozent Keramik und 40 Prozent Glas entsteht. Der negative Ausdehnungskoeffizient der Keramik hebt sich mit dem positiven des Glases auf, sodass praktisch überhaupt keine Wärmeausdehnung mehr auftritt. Um Spannungsfreiheit zu erreichen und den Keramikanteil auszukristallisieren, dauert der Abkühlprozess entsprechend lange.[5][6][7]

Ist der Spiegel fertig ausgekühlt, kann die Endform geschliffen und poliert werden. Beim Polieren muss eine Oberflächengenauigkeit unter Lambda/2 (die Hälfte der Wellenlänge, in der später beobachtet werden soll), meist aber besser Lambda/8, erreicht werden.[8] Professionell eingesetzte Spiegel werden auf bis zu 20 Nanometer genau gefertigt.

Kleine Hauptspiegel, die mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke von 10 : 1 hergestellt werden können, sind von sich aus formstabil. Ab 50 cm Durchmesser werden solche Spiegel allerdings recht schwer. Stellt man sie jedoch dünner her, so verbiegen sie sich bei Lageänderungen durch ihr Eigengewicht. Der Effekt ist zwar geringer als bei der Linsendurchbiegung, aber doch merklich.

Größere Spiegel wurden früher zur Gewichtsreduzierung von der Rückseite her ausgebohrt. Heute werden die Spiegel gleich mit einer Wabenstruktur auf der Rückseite gegossen, wodurch sich das Gewicht um über 60 % verringern lässt. Im Richard F. Caris Mirror Lab in Arizona[9] wird eine große Zahl der heute in Großteleskopen verwendeten Spiegel mit 8,4 m Durchmesser und Wabenstruktur hergestellt. Die Spiegel bestehen aus Borosilikatglas und werden unter Rotation gegossen, um als Oberfläche einen Paraboloiden zu erhalten, wodurch die Schleifbearbeitung reduziert wird.

Segmentierte Hauptspiegel des Southern African Large Telescope

Segmentierte Spiegel

Massive Spiegel mit mehr als 6 m Durchmesser (wie zuletzt 1978 beim Selentschuk-Observatorium) werden wegen der Verformung durch ihr Eigengewicht nicht mehr hergestellt. Deshalb wurden in den 1980er-Jahren mehrere Spiegel mit 8 bis 10 Meter Öffnung zunächst aus dutzenden Segmenten hergestellt. Diese sechseckigen, bis 1,5 m großen Segmente wurden durch die Halterung (statisch) so positioniert, dass ein fehlerfreies Bild entsteht. Heute gibt es aktive Lagerungen, die den Spiegel dynamisch an vielen Auflagepunkten stützen und somit die Verbiegung durch sein Eigengewicht oder Montagefehler ausgleichen. Diese Korrektur ist auch abhängig vom jeweiligen Höhenwinkel des Teleskops. Zudem wurde die adaptive Optik entwickelt, um Störeinflüsse durch die Luftunruhe auszugleichen.

Literatur

  • Seb.Hoerner, Karl Schaifers: Optische Systeme. Kapitel 2.1 in Meyers Handbuch über das Weltall, Bibliogr.Institut, Mannheim 1960
  • W. Jahn: Die optischen Beobachtungsinstrumente. S. 9–79 im Handbuch für Sternfreunde, Springer-Verlag 1981
  • Rudolf Brandt: Das Fernrohr des Sternfreundes. Kosmos-Verlag, Stuttgart 1958
  • Detlev Block: Astronomie als Hobby. Abschnitt Fernrohre (S. 144–156). Bassermann-Verlag, München/Tešin 2005
  • Günter D. Roth: Kosmos Astronomiegeschichte – Astronomen, Instrumente, Entdeckungen. 190 S., Franckh-Kosmos, Stuttgart 1989, ISBN 978-3-440-05800-8.
  • Bernhard Mackowiak: Die neuen Superfernrohre – Untertitel: Um immer tiefer in das Weltall blicken zu können, müssen die Teleskope immer größer werden. Doch bei den Linsen gibt es technische Grenzen. Die Teleskope der Zukunft sind aus vielen kleineren zusammengesetzt. Welt Online, 30. September 2006, Axel Springer, Berlin 2006.

Einzelnachweise

  1. ↑ Flüssige Teleskopspiegel. In: Spektrum der Wissenschaft. April 1994, S. 70 (spektrum.de).
  2. ↑ Hohlspiegel, Grundlage moderner Teleskope (Memento desOriginals vom 15. Oktober 2012 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.sternwarte-beelitz.de
  3. ↑ Aluminium Bedampfung für Teleskopspiegel, Berliner Planetarium
  4. ↑ Unterscheidung der Spiegelmaterialien
  5. ↑ auf alluna-optics.de@1@2Vorlage:Toter Link/www.alluna-optics.de (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im April 2018. Suche in Webarchiven)  Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  6. ↑ Leute: Physik und ihre Anwendungen in Technik und Umwelt, S. 385.
  7. ↑ Jürgen Gobrecht, Erhard Rumpler: Werkstofftechnik – Metalle, S. 261.
  8. ↑ Qualitätsspiegelfertigung auf alluna-optics.de (Memento desOriginals vom 11. Januar 2011 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.alluna-optics.de
  9. ↑ Richard F. Caris Mirror Lab (Memento desOriginals vom 19. April 2019 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/mirrorlab.as.arizona.edu

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LargeBinoTelescope NASA½.jpg
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Das Large Binocular Telescope LBT in Arizona mit seinen zwei 8,4 m großen Hauptspiegeln
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Paranal observatory, Hauptspiegel UT2
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Comparison of nominal sizes of primary mirrors of notable optical reflecting telescopes, and a few other objects. Dotted lines show sizes of round mirrors that would have had equivalent light-gathering ability.

The telescopes shown on this comparison chart are listed below, ordered in each sub-section by (effective) mirror/lens area, low to high, and then by actual/planned first light date, old to new. The "present-day" status is given as of the beginning of 2024. See also List of largest optical reflecting telescopes.

Largest refractors (for comparison):

1) Yerkes Observatory's 40-inch (1.02 m) refractor, 1893 (largest refractor consistently used for scientific observations)
2) Great Paris Exhibition Telescope, 49 inches (1.24 m), 1900 (largest refractor ever built; had practically no scientific usage)

Ground-based reflectors:

3) Hooker Telescope, 100 inches (2.54 m), 1917; world's largest telescope from 1917 to 1949
4) Multiple Mirror Telescope, 186 inches (4.72 m) effective, 1979–1998; 6.5 m, from 1998
5) LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope), 4.9 m effective at best, 2009
6) Hale Telescope, 200 inches (5.1 m), 1949; world's largest telescope from 1949 to 1975
7) BTA-6, 6 m, 1975; world's largest telescope from 1975 to 1990 (when it was surpassed by the partially-completed Keck I telescope)
8) Large Zenith Telescope, 6 m, 2003; largest liquid-mirror telescope ever built; decommissioned in 2019
9) Magellan Telescopes, two 6.5‑m individual telescopes, 2000 and 2002;
10) Vera C. Rubin Observatory (formerly Large Synoptic Survey Telescope), 6.68 m effective (8.4‑m mirror, but with a big hole in the middle), planned 2025
11) Gemini Observatory, 8.1 m, 1999 and 2001
12) Subaru Telescope, 8.2 m, 1999; largest monolithic (i.e. non-segmented) mirror in an optical telescope from 1999 to 2005
13) Southern African Large Telescope, 9.2 m effective, 2005 (largest optical telescope in the southern hemisphere)
14) Hobby–Eberly Telescope, 10 m effective, 1996
15) Gran Telescopio Canarias, 10.4 m, 2007 (world's largest single-aperture optical telescope)
16) Large Binocular Telescope, 11.8 m effective (two 8.4‑m telescopes on a common mount), 2005 and 2006; each individual telescope has the largest monolithic (i.e. non-segmented) mirror in an optical telescope, while the combined effective light collecting area is the largest for any optical telescope in non-interferometric mode
17) Keck Telescopes, 14 m effective (two 10‑m individual telescopes), 1993 and 1996; similarly to VLT, the two telescopes were combined only for interferometric observations rather than to simply achieve larger light collecting area; furthermore, this mode has been discontinued
18) Very Large Telescope, 16.4 m effective (four 8.2 m individual telescopes), 1998, 1999, 2000, and 2000; total effective light collecting area would have been world's largest for any present-day optical telescope, but the instrumentation required to obtain a combined incoherent focus was not built
19) Giant Magellan Telescope, 22.0 m effective, planned for early 2030s
20) Thirty Meter Telescope, 30 m effective, planned (no specific dates yet)
21) Extremely Large Telescope, 39.3 m effective, planned 2028
22) Overwhelmingly Large Telescope, 100 m, cancelled

Space telescopes:

23) Gaia, 1.45 m × 0.5 m (area equivalent to a 0.96‑m round mirror), 2013
24) Kepler, 1.4 m, 2009
25) Hubble Space Telescope, 2.4 m, 1990
26) James Webb Space Telescope, 6.5 m effective, 2022 (largest space optical telescope to date)

Radio telescopes for comparison:

27) Arecibo Observatory's 305‑m dish; largest fully-filled single-aperture telescope from 1963 to 2016 (the largest-aperture telescope of any kind is the very-sparsely-filled RATAN-600 radio telescope)
28) Five-hundred-meter Aperture Spherical [radio] Telescope (FAST), 500‑m dish (effective aperture of ≈300 m), 2016; world's largest fully-filled single-aperture telescope (since 2016)

Other objects for comparison:

29) Human height, 1.77 m on average
30) Tennis court, 78 × 36 ft (23.77 × 10.97 m)
31) Basketball court, 94 × 50 ft (28.7 × 15.2 m)
Salt mirror.jpg
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Mirror of the Southern African Large Telescope (SALT)