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

Abb.1: Schema von wikipedia.

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.

Abb.2: Aus dem Fachartikel über Vision Research von Lopez-Gil et al. 2006 (PDF).

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. 

Abb. 3: Zernike-Polynome, hochgeladen in die engl. Wikipedia von Zom-B.

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.  
Auge – Schema der Nerven und Muskeln, siehe wikimedia.

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. 

Verschiedene Ausprägungen solcher Strahlen an der Venus (die Plejadensterne daneben leuchten zu schwach) bei klarem Himmel Anfang April, aufgenommen mit einer Canon 600D mit Teleobjektiv. In den beiden Bildern links unten sieht man eine Verunreinigung (Wölkchen/ Rauch) vor der Venus, Mitte-unten-rechts zeigt zusätzlich eine leichte Defokussierung, Mitte-oben-rechts zeigt einen Lichtreflex (von einer Laterne) oberhalb des Venus-“Sterns” auf 9 bis 12 Uhr.

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.

Susanne M. Hoffmann

Veröffentlicht von

"physics was my first love and it will be my last physics of the future and physics of the past" Die Autorin ist seit 1998 als Astronomin tätig (Universitäten, Planetarien, öffentliche Sternwarten, u.a.). Ihr fachlicher Hintergrund besteht in Physik, Wissenschaftsgeschichte und Fachdidaktik (neue Medien). Sie ist aufgewachsen im wiedervereinigten Berlin, zuhause auf dem Planeten Erde.

6 Kommentare

    • Ein Phänomen in der Augenlinse erklärt nicht, warum man es fotografieren kann, aber danke für die Ergänzung.

      • XMM-Newton kann nur in einem Winkel von 70 bis 110 Grad von der Sonne beobachten.
        Alles, was weiter nördlich oder südlich steht, ist für den Satelliten nicht zugänglich.
        Erst 2018 tauchte das Schwarze Loch wieder in den beobachtbaren Bereich ein.
        XMM-Newton ist auf einer exzentrischen Umlaufbahn um die Erde mit Höhen von 7.000 km bis 114.000 km.

        • Hm, das ist noch immer nicht wirklich einleuchtend. Aber ich habe als Aussenstehender keine geübte 3D-Orientierung für diese Szenerie.

          Vielleicht ist das hier noch relevant:

          und verläuft im größten Teil der Bahnperiode außerhalb der störenden Strahlungsgürtel der Erde.

          Was vielleicht bedeutet, das der Satelit möglicherweise nur einen Teil der Umlaufbahn tatsächlich betrieben werden kann.

          Und davon wieder nur einen Teil in eine bestimmte Richtung?
          Offenbar ist das Objektiv /der Spiegel praktisch Starr mit dem Sateliten verbunden, sodass Schwenken nicht möglich ist / nur mit den Manövriertriebwerken möglich wäre.

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