Analog Astronomical Device

Die Astronomie verdeutlicht die Stellung des Menschen im Universum. Spätestens seit Kopernikus (schon viel früher von Aristarchos von Samos ca. 300 BC) der 1543 seine Schrift “De revolutionibus orbium coelestium “ veröffentlichte, wissen wir das wir nicht im Zentrum des Universums leben. Das ist beim grössten teil der Menschheit nach wie vor nicht ins Bewusstsein gelangt. Das Universum ist ca. 14 Milliarden Jahre alt und wir spielen darin eine absolut untergeordnete Rolle. Zur Illustration dieser Tatsache verwende ich gerne den “Kosmischen Kalender” von Carl Sagan. In diesem Kalender werden die 14 Milliarden Jahre auf die 365 Tage eines Erdenjahres abgebildet. Somit entspricht ein Tag ca. 3.8 Millionen Jahren und eine Stunde 160`000 Jahren. Am 26. Dezember des Kosmischen Kalenderjahres beherrschen die Dinosaurier das geschehen auf der Erde. Am 31. Dezember um 10:15 Uhr morgens entwickeln sich die ersten Affen und um 23:54 Uhr wird der “Homo Neandertalensis” vom “Homo Sapiens” abgelöst…………….. 6 Minuten vor Mitternacht.

Die Astronomie im allgemeinen und die Beobachtung der Himmelsobiekte im speziellen faszinierten mich von je her. Im Jahre 2019 habe ich mir nun einen Kindheitstraum erfüllt und kaufte mir mein erstes Spiegelteleskop. Es ist ein 10” Zoll Schmidt-Cassegrain von Meade Instruments. Prinzipiell lässt sich die Astrofotografie in drei Gebiete einteilen

• Planeten & Mond Fotografie

• Sonnenbeobachtung

• Deep-Sky Fotografie

Astronomy illustrates the position of man in the universe. At the latest since Copernicus (much earlier by Aristarchus of Samos about 300 BC) who published his work "De revolutionibus orbium coelestium" in 1543, we know that we do not live in the center of the universe. Most of humanity has still not been aware of this. The universe is about 14 billion years old and we play an absolutely subordinate role in it. To illustrate this fact, I like to use the "Cosmic Calendar" by Carl Sagan. In this calendar, the 14 billion years are mapped to the 365 days of an earth year. Thus, one day corresponds to about 3.8 million years and one hour 160,000 years. On December 26 of the Cosmic Calendar Year, the dinosaurs dominate what is happening on Earth. On December 31 at 10:15 a.m. the first monkeys develop and at 11:54 p.m. "Homo Neandertalensis" is replaced by "Homo Sapiens"................... 6 minutes before midnight.

Astronomy in general and the observation of celestial insects in particular have always fascinated me. In 2019, I have now fulfilled a childhood dream and bought my first reflector telescope. It is a 10" inch Schmidt-Cassegrain from Meade Instruments. In principle, astrophotography can be divided into three areas

• Planetary & Moon Photography

• Sun observations

• Deep-Sky Fotography

Synodische Umlaufzeit / Synodic orbital period

Die Erde besitzt nur einen einzigen Mond. Er Umkreist die Erde in einer schwach elliptischen Umlaufbahn in einer Entfernung von 406`700 km im Apogäum und 356`400 km im Perigäum. Mit 3476 km Durchmesser ist er der fünftgrösste Trabant in unserem Sonnensystem. Er umrundet die Erde mit einer Synodischen Periode von 29.530588889956 Tagen, das sind 29 Tage 12 Stunden 44 Minuten und 2.88009220701952 Sekunden (JD2000.0 mit der Formel von Touzé nach Sean E. Urban and P. Kenneth Seidelmann)

The Earth has only one moon. It orbits the Earth in a faint elliptical orbit at a distance of 406,700 km in apogee and 356,400 km in perigee. With a diameter of 3476 km, it is the fifth largest Trabant in our solar system. It orbits the earth with a Synodic period of 29.530588889956 days, which is 29 days 12 hours 44 minutes and 2.88009220701952 seconds (JD2000.0 with the formula of Touzé according to Sean E. Urban and P. Kenneth Seidelmann)

Oberfläche und Topologie / Surface and topology

Die erste Umfassende Mondkarte wurde bereits im Jahre 1651 von “Giovanni Battista Riccioli (1558-1671)” und “Francesco Maria Grimaldi (1618-1663)” erstellt. Die Nomenklatur dieser Arbeit ist bis heute der Standard. Wir unterscheiden zwischen “Marias” (Meere), “Montes” (Gebirgszüge) und “Rimae” (Rillen).

The first Comprehensive Map of the Moon was created in 1651 by "Giovanni Battista Riccioli (1558-1671)" and "Francesco Maria Grimaldi (1618-1663)". The nomenclature of this work is still the standard today. We distinguish between "Marias" (seas), "Montes" (mountain ranges) and "Rimae" (grooves).

Auf der uns zugewandten Seite des Mondes finden wir ca. 300`000 Krater von einem Kilometer Ø oder mehr, die in den ersten 1.5 Milliarden Jahre während des “grossen Bombardements” entstanden sind. Krater mit einem Ø von 60 km und mehr nennt man Ringwälle, sie können sich bis zu 6 km erheben. Schon von blossem Auge sind die “Marias” auf der Mondoberfläche zu erkennen. Es sind Tiefebenen die einst mit Lava gefüllt waren.

On the side of the moon facing us, we find about 300,000 craters of one kilometer Ø or more, which were formed in the first 1.5 billion years during the "great bombardment". Craters with a Ø of 60 km and more are called ring walls, they can rise up to 6 km. Even with the naked eye, the "Marys" can be seen on the lunar surface. They are low-level that were once filled with lava.

Entstehung / Origin

Der Mond begleitet die Erde seit ca. 4.5 Milliarden Jahre bei Ihrem Lauf um die Sonne. Er weist eine sogenannte “gebundene Rotation” auf, das heisst während eines Umlaufes um die Erde sehen wir immer dieselbe Seite des Mondes. Dies war nicht immer so, man weiss das die Gezeitenreibung (Gravitation) zu dieser Synchronisation über Jahrmillionen geführt hat. Durch das LLR der NASA (Lunar Laser Ranging) weiss man heute auch, dass sich der Mond von der Erde wegbewegt.

Der Mond formte sich wahrscheinlich aus einer Trümmerwolke vor ca. 4.5 Milliarden Jahren und umrundete unseren Planeten in nur 25`000 km Distanz in etwa 18 std. 200 Millionen Jahre später betrug die Distanz zur Erde bereits 162`000 km. Damals bestand ein Umlauf/Rotations Verhältnis von 2/3. Das heisst der Mond drehte sich drei mal während zwei Erdumrundungen. Die Änderungen der Umlauf und Rotationszeiten sowie die Distanzen sind Himmelsmechanisch bedingt (Kepler Gesetze).

The moon has accompanied the Earth for about 4.5 billion years in its course around the sun. It has a so-called "bound rotation", i.e. during an orbit around the Earth we always see the same side of the Moon. This was not always the case, it is known that the tidal friction (gravity) has led to this synchronization over millions of years. Thanks to NASA's LLR (Lunar Laser Ranging), it is now also known that the moon is moving away from Earth.

The moon probably formed from a cloud of debris about 4.5 billion years ago and orbited our planet at a distance of only 25,000 km in about 18 hours. 200 million years later, the distance to Earth was already 162,000 km. At that time there was a circulation/rotation ratio of 2/3. This means that the moon rotated three times during two orbits around the Earth. The changes in orbit and rotation times as well as the distances are caused by celestial mechanics (Kepler laws).

Die Gravitation des Mondes ist zu 60% für die Gezeiten der Meere auf der Erde verantwortlich (40% Sonne). Er erzeugt dabei zwei Flutberge und durch die Drehung der Erde und das Ablenken der Wassermassen durch die Kontinente entstehen die Meeresströmungen. Auf dem offenen Meer beträgt die Höhe des Flutberges nur ca. 30 cm. Bei Vollmond und Neumond ziehen Sonne und Mond gemeinsam und so kommt es zu sogenannten Springfluten. Das Leben wie wir es heute kennen wäre ohne Mond nicht denkbar.

The gravity of the Moon is 60% responsible for the tides of the oceans on Earth (40% sun). It creates two flood mountains and the rotation of the earth and the deflecting of the water masses through the continents create the ocean currents. On the open sea, the height of the flood mountain is only about 30 cm. At full moon and new moon, the sun and moon move together and so it comes to so-called spring tides. Life as we know it today would be inconceivable without the moon.

Die Rochesche Grenze / The Roche Border

Himmelskörper die durch Ihre Gravitation zusammengehalten werden können sich nicht in beliebig nahen Bahnen umkreisen. Kommen sie sich zu nahe wird der kleinere von der Gravitationskraft des grösseren zerrissen. Man spricht hier von der sogenannten Roche-Grenze. Für unsere Erde beträgt die Roche-Distanz a = 18`485.709 km. Wäre also die Trümmerwolke die unseren Mond gebildet hat nicht ausserhalb der Roche-Distanz entstanden, hätten wir heute einen Ring wie Saturn und keinen Mond.

Celestial bodies held together by their gravity cannot orbit each other in arbitrarily close orbits. If they get too close, the smaller one is torn apart by the gravitational force of the larger one. This is referred to as the so-called Roche border. For our Earth, the Roche distance a = 18,485,709 km. So if the debris cloud that formed our moon had not formed outside the Distance of Roche, we would have a ring like Saturn and no moon today.

Die Sonne ist von der Erde aus gesehen der nächstgelegene Stern. Die Sonne bildet das Zentrum unseres Sonnensystems. Je nach Standort der Erde auf ihrer Ellipsenbahn um die Sonne messen wir unterschiedliche Distanzen. Im Perihel beträgt die Distanz 147.1 Millionen km. Im Aphel 152.1 Millionen km. Das Licht von der Sonne braucht also ca. 8.17 bis 8.45 Minuten bis es die Erde erreicht. Für die Amateur-Astronomen ist die Sonne der Ort wo die Party abgeht. Auf der Sonne ist immer etwas los. Auf der einen Seite kann man Sonnenflecken beobachten und mit geeigneter Spezialausrüstung sogar die Corona und Flares beobachten. Der Durchmesser der Sonne beträgt 1`392`520 km das sind 109 Erddurchmesser. Sie wiegt soviel wie 333`000 Erden zusammen und trotzdem ist sie eigentlich nur ein kleiner Stern.

The Sun is the closest star as seen from Earth. The sun is the center of our solar system. Depending on the location of the Earth on its ellipse orbit around the Sun, we measure different distances. In perihelion, the distance is 147.1 million km. In aphelion 152.1 million km. The light from the sun takes about 8.17 to 8.45 minutes to reach the earth. For the amateur astronomers, the sun is the place where the party goes off. There is always something going on in the sun. On the one hand, you can observe sunspots and even observe the corona and flares with suitable special equipment. The diameter of the Sun is 1'392'520 km which is 109 Earth diameters. It weighs as much as 333,000 Earths together and yet it is actually only a small star.

Das Licht das wir auf unserer Erde empfangen stammt von unserer Sonne. Der weitaus grösste Teil wird in der Photosphäre der Sonne emittiert. Die Photosphäre ist die unterste beobachtbare Schicht eines Sterns. Bei unserer Sonne ist Sie ca. 300 km bis 400 km dick und hat eine Temperatur von ca. 5200° C - 5700° C. Tiefer liegende Schichten eines Sterns können nicht direkt beobachtet werden, da die von dort stammenden Photonen von den Elektronen im Sternplasma gestreut werden.

The light we receive on our earth comes from our sun. The vast majority is emitted in the photosphere of the sun. The photosphere is the lowest observable layer of a star. With our Sun it is about 300 km to 400 km thick and has a temperature of about 5200 ° C - 5700 ° C. Deeper layers of a star can not be observed directly, because the photons originating from there are scattered by the electrons in the stellar plasma.

Jedes chemische Element hat sein eigenes Emissionsspektrum. Die einzelnen Spektrallinien des Spektrums entsprechen dabei jeweils der Energiedifferenz zwischen zwei verschiedenen Zuständen des Atoms. Die schwarzen Linien repräsentieren die verschiedenen Energiezustände des Elektrons im Atom. Diese Energiedifferenz ist diskret, kann also nicht beliebige Werte annehmen, so dass jedes Atom entsprechend seiner spezifischen Elektronenkonfiguration nur Photonen ganz bestimmter, diskreter Wellenlängen emittieren kann. Durch die Absorption eines Lichtquants mit einer Wellenlänge von 656,278 nm wechselt ein Elektron eines Wasserstoffatoms das Orbital. Dieses Ereignis bildet die Fraunhofer-Linie C. Diese Linie wird auch mit H-Alpha bezeichnet.

Oberhalb der direkt beobachtbaren Photosphäre befindet sich die sogenannte Chromosphäre der Sonne, diese erstreckt sich ca. 2000 km in den Raum und lässt sich nur noch im H-Alpha Bereich beobachten. Die Gasdichte der Chromosphäre nimmt mit zunehmender Höhe ab und ist um einiges geringer als in der Photosphäre. Die Temperatur der Chromosphäre im Grenzbereich zur Photosphäre ist ca. 1000° C geringer, nimmt aber mit zunehmender Höhe auf bis 10`000 ° C zu. In dieser Schicht werden Photonen die zuvor absorbiert wurden durch den erneuten Orbitalwechsel der Elektronen mit genau der gleichen Wellenlänge von 656.278 nm emittiert. So entsteht die Fraunhofer-Linie C.

Each chemical element has its own emission spectrum. The individual spectral lines of the spectrum correspond to the energy difference between two different states of the atom. The black lines represent the different energy states of the electron in the atom. This energy difference is discrete, so it cannot assume arbitrary values, so that each atom can only emit photons of very specific, discrete wavelengths according to its specific electron configuration. By absorbing a light quantum with a wavelength of 656.278 nm, an electron of a hydrogen atom changes orbital. This event forms the Fraunhofer line C. This line is also referred to as H-alpha.

Above the directly observable photosphere is the so-called chromosphere of the sun, which extends about 2000 km into space and can only be observed in the H-alpha range. The gas density of the chromosphere decreases with increasing altitude and is much lower than in the photosphere. The temperature of the chromosphere at the interface to the photosphere is about 1000 ° C lower, but increases with increasing altitude to up to 10'000 ° C. In this layer, photons that have previously been absorbed by the renewed orbital change of electrons are emitted with exactly the same wavelength of 656,278 nm. This is how the Fraunhofer Line C is created.

Die Korona ist die äusserste Gashülle unserer Sonne. Die Korona ist nur sichtbar wenn die Photosphäre der Sonne abgedeckt wird (Spezialokulare / Koronographen / Sonnenfinsternis). Sie erstreckt sich ca. 1 Million km in den Raum hinein und ist äusserst Heiss ( 1 bis 3 Millionen °C ) obwohl die Gasdichte nochmals drastisch abnimmt. Dieser Effekt kann bis heute nicht vollständig erklärt werden.

The corona is the outermost gas envelope of our Sun. The corona is only visible when the photosphere of the sun is covered (special eyepieces / coronagraphs / solar eclipse). It extends about 1 million km into the room and is extremely hot ( 1 to 3 million °C ) although the gas density decreases again drastically. To this day, this effect cannot be fully explained.

Sonnenrotation und Zyklen / Sun rotation and cycles

Unsere Sonne rotiert, genau wie die Erde, um Ihre eigene Achse und zwar im gleichen Sinn wie die Planeten sie umkreisen mit einer Neigung von 7.25° zur Ekliptik. Jedoch ist die Rotation nicht wie bei der Erde starr, sondern man spricht von einer Differenziellen Rotation die von Richard Christopher Carrington um 1853 entdeckt wurde. Dies hat seinen Ursprung darin, das die Sonne ein Gasball ist. Die höchste Rotationsgeschwindigkeit misst man am Äquator der Sonne. Je weiter man zu den Polen gelangt desto langsamer wird die Rotation. Carrington entwickelte eine mathematische Formel zur Berechnung der differenziellen Rotation in Abhängigkeit des Breitengrades (Carrington Formel). Am Äquator beträgt die Rotationszeit 27.2753 Tage (Synodisch) das sind 27 Tage 6 Stunden 36 Minuten 25.92 Sekunden. Die Rotationen der Sonne werden seit 1853 fortlaufend (Carrington Rotation) gezählt. Im Moment (25.07.2021) sind wir in der Carrington Rotation Nr. 2247.

Our sun, just like the Earth, rotates around its own axis in the same sense as the planets orbit it with an inclination of 7.25° to the ecliptic. However, the rotation is not rigid as with the Earth, but one speaks of a differential rotation discovered by Richard Christopher Carrington around 1853. This has its origin in the fact that the sun is a ball of gas. The highest rotational speed is measured at the equator of the Sun. The further you get to the poles, the slower the rotation becomes. Carrington developed a mathematical formula for calculating the differential rotation as a function of latitude (Carrington formula). At the equator, the rotation time is 27.2753 days (Synodic) which is 27 days 6 hours 36 minutes 25.92 seconds. The rotations of the Sun have been counted continuously since 1853 (Carrington Rotation). At the moment (25.07.2021) we are in the Carrington Rotation No. 2247.

Als Sonnenzyklus wird die elf Jährige Periode der Sonnenfleckenbildung verstanden. In einem Zyklus steigt die Anzahl von Sonnenflecken von einem Minimum zu einem Maximum. Zu beginn einer solchen Periode bilden sich nur wenige Sonnenflecken in einer Zone von 30° bis 35° Breite nördlich und südliche des Äquators. Die Pole selbst bleiben stets Fleckenfrei. Mit der Zunahme der Fleckenbildung wandern diese immer näher an den Äquator. Zeichnet man diesen Zyklus auf, so entsteht ein sogenanntes “Schmetterlingsdiagramm”. Es trägt diesen Namen, da die Breitenverteilung der Sonnenflecken, dargestellt über einen Sonnenfleckenzyklus, die Form eines Schmetterlings hat.

The solar cycle is the eleven-year period of sunspot formation. In one cycle, the number of sunspots increases from a minimum to a maximum. At the beginning of such a period, only a few sunspots form in a zone of 30° to 35° latitude north and south of the equator. The poles themselves always remain stain-free. With the increase in spotting, they move closer and closer to the equator. If this cycle is recorded, a so-called "butterfly diagram" is created. It bears this name because the latitude distribution of sunspots, represented by a sunspot cycle, has the shape of a butterfly.

Sonnenflecken werden von Magnetfeldern von einigen tausend Gauss hervorgerufen. (Gauss ist die Einheit der magnetischen Flussdichte) Sonnenflecken haben die Tendenz zur Gruppenbildung und entwickeln dabei eine bipolare Struktur. Haben Flecken auf der Nordhalbkugel eine positive (Nordpol) Polarität, so weisen in Rotationsrichtung nachfolgende Flecken, negative (Südpol) Polarität auf. Auf der Südhalbkugel ist es genau umgekehrt. Nach einem Sonnenfleckenzyklus von ca. 11 Jahren polt sich das Magnetfeld der Sonne um und beim neuen Zyklus ist die Polarität der Sonnenflecken genau umgekehrt. So reden wir hier eigentlich von einem 22 Jährigen Zyklus.

Sunspots are caused by magnetic fields of several thousand Gauss. (Gauss is the unit of magnetic flux density) Sunspots have a tendency to form groups and develop a bipolar structure in the process. If spots in the northern hemisphere have a positive (north pole) polarity, subsequent spots have negative (south pole) polarity in the direction of rotation. In the southern hemisphere, it is exactly the opposite. After a sunspot cycle of about 11 years, the sun's magnetic field reverses its polarity and in the new cycle, the polarity of the sunspots is exactly the opposite. So we're actually talking about a 22-year cycle.

Lokalisierung und Vermessung von Sonnenflecken. Auf den beiden untenstehenden Bildern wird die differentielle Rotation der Sonne sichtbar. Die Bilder entstanden innerhalb von 24 Stunden.

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