Warum haben Sterne denn Zacken?

Eine sehr bekannte Antwort auf diese Frage ist, dass es angeblich mit unserer modernen Foto-Optik zusammenhängt, dass Sterne auf Fotos Strahlen haben. Das ist zwar wahr, aber nur die halbe Wahrheit: Menschen sehen auch solche Strahlen mit ihren Augen, ohne Fernrohr/ Kamera/ Brille davor, d.h. es muss über die bekannte Erklärung hinaus noch weitere Ursachen geben. Schließlich wurden Sterne schon im Altertum in der Kunst mit “Zacken” dargestellt – und zwar in allen Kulturen der Welt, nicht nur in Äqypten (Abb.), Babylon (Abb.) und Griechenland, die alle voneinander geprägt waren. 

Auf die Teil-Antwort der Moderne will ich daher hier nicht sehr detailliert eingehen: Dass die vierstrahligen Sterne (“Spikes“) auf Astrofotos ihre Ursache in der Fangspiegel-Halterung des Teleskops haben, sollte inzwischen jeder Hobby-Astronom wissen. Im Detail könnte man es gern auch bei Welt der Physik nachlesen. Das ist einfach ein Beugungsmuster und es gab bereits in den 1990er Jahren eine Jugend Forscht-Arbeit dazu, wie man anhand dieser Beugungskreuze den Mittelpunkt des Sternscheibchens bestimmen und Astrometrie genauer machen kann. <3

Spannender ist die Frage, warum Menschen “Zacken” an Sternen sehen

Unser Auge hat kein Kreuz davor, das einen Spiegel hält; es arbeitet nur mit Brechung: Kurzsichtigkeit und Weitsichtigkeit, die durch zu langen oder zu kurzen Glaskörper entstehen, können auch leicht korrigiert werden: Mit einem Brillenglas setzt man einfach den Brennpunkt der Augenlinse an die richtige Stelle, so dass er auf der Netzhaut liegt. Das unkorrigierte Auge sieht zwar unscharf, aber keine Strahlen. 

Das Licht wird an der Hornhaut, der Linse und im Glaskörper gebrochen. Jedes der drei Medien hat einen verschiedenen Brechungsindex und verschiedene Abweichungen von der perfekten Form. Dadurch entstehen die bekannten Abbildungsfehler (Astigmatismus), die durch Brillen korrigiert werden können. 

-> Wikipedia Artikel zu Wellenfrontanalyse am menschlichen Auge

Abbildungsfehler (oder latein: Aberrationen) entstehen im Zusammenspiel von der verschiedenen Brechungen im Auge: Die so genannte “Koma”, die schweifartige Verwaschung eines Lichtpunktes, Beugungsscheibchen von der Beugung am Rand der Eintrittspupille (nach Airy) bzw. die Verwaschung eines Lichtpunktes bei Defokussierung einer Punktquelle bei sphärischer Aberration oder Farbsäume bei chromatischer Aberration.
 
Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts hatte der niederländische Physiker Frederik (Frits) Zernike gefunden, dass man alle diese Abbildungsfehler mit den nach ihm benannten Zernike Polynomen beschreiben kann (wikipedia). Herr Zernike hat 1953 den Physik-Nobelpreis bekommen – aber nicht hierfür, sondern für die Erfindung des Phasenkontrastmikroskops.

Die Simulation (Abb.2) zeigt, wie die Abbildung der Wellenfronten (beschrieben durch Zernike-Polynome) auf der Netzhaut aussieht. Die Effekte der Verteilung der Wellenfront beim Durchgang durch das Linsenmedium werden durch die Begrenzung der Eintrittspupille verursacht. Sie treten daher in ähnlicher Weise bei einem Fotoapparat und im Auge auf, d.h. man kann diese Abbildungsfehler sowohl fotografieren als auch (naked eye) sehen, denn in beiden Fällen ist die Linsengröße begrenzt. 

Betrachten wir die Zernike-Polynome, fällt auf, dass die Wellenfunktion des Lichts durch die Linse unterschiedlich verteilt wird. Die Aberrationen erster und zweiter Ordnung sind die bekannten Abbildungsfehler bis zum Astigmatismus (Z₂). Astigmatismus (Stäbchensichtigkeit) verzerrt bereits einen Punkt in eine Linie: ein Stern wird also als kleines Stäbchen (zweistrahlig) gesehen.

Die Zernike-Polynome höherer Ordnungen beschreiben eine wachsende Anzahl von Strahlen: Z₃ beschreibt den so genannten “Dreiblattfehler”(Trifold), der bewirkt, dass das gesunde Auge nachts jede ferne Laterne mit drei Strahlen im Abstand von 120°, sozusagen als “Mercedes-Stern” wahrnimmt: die vorletzte (oder 5te) Spalte in der s/w-Simulationsabbildung (Abb. 2) oben und die unterste Zeile bei den Polynomen (Abb. 3). 
(Spektrum-Lexikon der Optik, Fielmann-Akademie, u.a. Bücher zu den Grundlagen der Optometrie bzw. optometrischen Augenuntersuchung)

Die entsprechenden höheren Ordnungen der Zernike-Polynome beschreiben jeweils größere Anzahlen von Strahlen, die an hellen Lichtquellen (Laternen, Planeten) entstehen. So erklären wir auch vierzackige, fünfzackige und mehrzackige “Sterne”, die das Auge ganz ohne weitere optische Hilfsmittel wahrnimmt. 

Doch woher kommen diese Abbildungsfehler? 

Die Antwort ist eine Kombination aus mehreren Ursachen:

1. Es liegt zum einen an der Art und Weise, wie die Lichtwelle durch eine kreisförmig begrenzte Öffnung (Pupille) eintritt: Im Auge sowie in einer Kamera wird die Welle am Rand der Pupille, an der Iris, gebeugt.
2. Nun ist allerdings der Rand der Eintrittsöffnung nicht perfekt glatt. In der Kamera durch die lamellenförmige Mechanik. Im Auge, weil er von einem Muskel gehalten wird, der an manchen Stellen die Linse hält und für ihre Akkomodation sorgt.
   Hinzu kommen verschiedene Abbildungsfehler des natürlich gewachsenen Materials, z.B. ggf. Unebenheiten der Hornhaut und Linse, die sich auf der Netzhaut abbilden. 
3. Diese ungleichmäßige Begrenzung sorgt, im Auge wie auch bei einer Spiegelreflexkamera die Iris-Blende, für einen Rand der Pupille, der kein perfekter Kreis ist und mithin Abbildungsfehler.  

Eine populäre Vorstellung ist, dass die Strahlen der Sterne durch die Foto-Optik entstehen, d.h. durch das Polygon, das die Iris bildet. Das ist zwar nicht ganz falsch, aber da die Strahlen der Sterne durch die Begrenzung der Eintrittsöffnung entstehen und nicht durch die Eckigkeit des Verschlusses des Fotoapparates, gibt es sie eben auch bei Linsenteleskopen, Kameras und dem Auge: Sie sehen für jedes Auge vermutlich ein bisschen anders aus, aber Fakt ist, dass (1) jedes gesunde Auge bei klarem Wetter (also ohne atmosphärische Einflüsse) Strahlen an Sternen sieht und dass (2) das, was man als Strahlen fotografisch mit einer Spiegelreflexkamera festhalten kann, tatsächlich auch das gleiche ist, was das Auge sehen kann: Nicht unbedingt das exakt gleiche Strahlenmuster, aber es steckt die gleiche Physik dahinter. 

Bei allen diesen Aufnahmen war

1. Venus in der Mitte des Bildfeldes, also weit weg vom Rand. 
2. der Himmel klar, kein Wölkchen erkennbar (offenbar gab es eins in den Bildern links unten, aber gesehen hat man es nicht) 

Populäre Fehlvorstellung: Es liegt an der Atmosphäre. NEIN: Ist der Himmel nicht klar, d.h. wenn Zirruswolken oder Sandsturm die Atmosphäre trübt, dann werden die Strahlen an den Sternen mitunter sogar geringer: Es liegt dann keine Punktquelle mehr vor. Das Sternlicht kommt nicht mehr parallel aus dem Unendlichen, sondern wird durch die Atmosphäre verteilt (verschmiert). Auch von einer leuchtenden Fläche wird die Wellenfunktion an der Eintrittsöffnung gebeugt, aber da das Licht derselben Sternquelle aus verschiedenen Richtungen (von verschiedenen Atmosphärenpunkten) zu kommen scheint, liegen hier nicht mehr die Gültigkeitsbedingungen vor, die erlauben, einfach nur Zernike-Polynome anzuwenden.