Astronomische Koordinatensysteme

Wie kann man sich am Sternenhimmel orientieren?

Wenn du einen Ort auf einer Landkarte suchst, kannst du ihn mithilfe seiner GPS-Koordinaten finden. Diese setzen sich für jeden Ort auf der Erdoberfläche aus dem Längengrad und dem Breitengrad zusammen. Aber wie sieht es aus, wenn du den Ort eines Himmelskörpers angeben willst? Stell dir zum Beispiel vor, du entdeckst ein merkwürdiges Objekt am Himmel und willst einer Freundin erklären, wohin sie schauen muss. Damit das präzise funktioniert, brauchst du astronomische Koordinatensysteme. Die zwei am stärksten verbreiteten astronomischen Koordinatensysteme, das Horizontsystem und das Äquatorsystem, schauen wir uns im Folgenden an.

Was ist das Horizontsystem?

Das Horizontsystem ist ein Koordinatensystem, dessen Bezugsebene die Horizontebene ist. Ihr Name verrät schon, wodurch diese Ebene definiert ist: durch den theoretischen Horizont. Wir sagen theoretisch, weil damit die Horizontlinie gemeint ist, die wir in einer komplett ebenen Landschaft, zum Beispiel am Meer, sehen würden. In der Realität ist unsere Sicht meist durch Gebäude, Wälder, Berge oder Ähnliches begrenzt. Die erste Koordinate in diesem System ist die Höhe $h$. Sie wird in Grad von der Horizontebene aus gemessen, ist also vom Standort des Beobachters abhängig. Der Horizont selbst liegt also bei $h=0^{\circ}$. Der Punkt, der direkt über uns liegt, hat somit eine Höhe von $h=90^{\circ}$. Dieser Punkt wird Zenit $Z$ genannt. Der Punkt, der dem Zenit genau gegenüberliegt, heißt Nadir $\overline{Z}$.

Auf der Horizontebene wird außerdem der Nordpunkt $N$ definiert. Er liegt in Richtung des Nordpols der Erde. Ihm gegenüber liegt der Südpunkt $S$.
Neben der Höhe $h$ ist noch eine weitere Koordinate nötig, um die Position eines Objektes am Himmel zu bestimmen. Die zweite Koordinate heißt Azimut $A$ und wird vom Nordpunkt aus in Grad gemessen. Der Nordpunkt hat ein Azimut von $A = 0^{\circ}$. Das Azimut wird dann von Norden aus über Osten gemessen. Das heißt, der Osten hat ein Azimut von $A = 90^{\circ}$, der Süden ein Azimut von $A = 180^{\circ}$ und der Westen ein Azimut von $A = 270^{\circ}$. (Anmerkung: Das ist die gängige Definition. In seltenen Fällen wird auch der Süden als Nullpunkt definiert. Dann ändern sich die entsprechenden Azimutangaben natürlich.)

Das Horizontsystem benötigt also prinzipiell nur zwei Größen und ist damit sehr einfach. Es hat allerdings zwei Nachteile:

1. Dadurch, dass sich die Erde um ihre eigene Achse dreht, ändern sich die Koordinaten eines Himmelskörpers im Horizontsystem kontinuierlich. Daher muss zusätzlich zu den Koordinaten die Zeit angegeben werden.
2. Dadurch, dass die Horizontebene die Bezugsebene ist, sind die Koordinaten vom Standort des Beobachters auf der Erde abhängig. Längen- und Breitengrad des Beobachtungspunktes auf der Erde müssen also mit angegeben werden, damit die Koordinaten eindeutig sind.

Genau genommen benötigt das Horizontsystem also zusätzliche Angaben: die Koordinaten des Beobachtungspunktes und die Zeit.

Als Beispiel für Koordinaten im Horizontsystem geben wir die Koordinaten des Jupiters an. Als Beobachtungsstandort wählen wir Berlin, also die ungefähren Koordinaten $51^{\circ}$ nördlicher Breite und $13^{\circ}$ östlicher Länge. Zum Beobachtungszeitpunkt am 20.09.2021 um etwa $22$ Uhr befindet (oder befand) sich der Jupiter auf einer Höhe von $h=21^{\circ}$ und einem Azimut von $A=166^{\circ}$.

Astronomische Koordinatensysteme – Zusammenfassung zum Horizontsystem

• Die Bezugsebene des Horizontsystems ist die Horizontebene.
• Die zweite Bezugsgröße ist der Nordpunkt.
• Die Koordinaten des Horizontsystems sind die Höhe $h$ und das Azimut $A$.
• Die Koordinaten des Horizontsystems sind orts- und zeitabhängig.

Was ist das rotierende Äquatorsystem?

Das Äquatorsystem oder auch äquatoriale System ist ein Koordinatensystem, dessen Bezugsebene die Ebene durch den Erdäquator ist. Die Erdachse steht senkrecht auf dieser Ebene. Wenn man sich den Himmel als Himmelskugel mit der Erde im Mittelpunkt vorstellt, schneidet die Erdachse diese Kugel im Himmelsnordpol $P$ und im Himmelssüdpol $\overline{P}$.

Die erste Koordinate im Äquatorsystem ist die Deklination $\delta$. Sie wird in Grad vom Äquator aus gemessen, und zwar positiv in Richtung Norden und negativ in Richtung Süden. Der Himmelsnordpol hat damit eine Deklination von $\delta = 90^{\circ}$ und der Himmelsnordpol von $\delta = -90^{\circ}$.

Für die zweite Koordinate müssen wir verstehen, wie der Frühlingspunkt $\gamma$ definiert ist. Wenn wir uns die Bahn, auf der sich die Sonne scheinbar über den Himmel bewegt, als Kreisbahn vorstellen, bildet sie eine Ebene. Diese Ebene heißt Ekliptik. Die Äquatorebene und die Ekliptik haben eine gemeinsame Schnittgerade, die durch den Mittelpunkt der Erde verläuft. Diese Schnittgerade schneidet die gedachte Himmelskugel in genau zwei Punkten.

Diese beiden Punkte markieren die Position der Sonne zur Tagundnachtgleiche, die zweimal im Jahr auftritt. Das sind genau die Tage, an denen Tag (damit ist die Zeit zwischen Sonnenaufgang und Untergang gemeint) und Nacht gleich lang sind. Diese Tage finden einmal im Frühling und einmal im Herbst statt. Daher heißen die beiden Punkte auch Frühlingspunkt und Herbstpunkt. Der Frühlingspunkt ist die zweite Bezugsgröße im äquatorialen Koordinatensystem. Von ihm aus wird die sogenannte Rektaszension $\alpha$ entlang des Äquators in Richtung der Erdrotation gemessen. Ihre Einheiten sind Stunden $(^\pu{h})$, Minuten $(^\pu{min})$ und Sekunden $(^\pu{s})$, wobei der Frühlingspunkt bei $\alpha = 0^\pu{h}$ liegt, der Herbstpunkt bei $\alpha = 12^\pu{h}$ und ein voller Umlauf $24^\pu{h}$ entspricht.

Das äquatoriale Koordinatensystem ist komplizierter als das Horizontsystem. Es hat dafür einen entscheidenden Vorteil: Die Koordinaten eines Sterns im äquatorialen Koordinatensystem sind (näherungsweise) zeitlich konstant und außerdem vom Beobachtungsstandpunkt auf der Erde unabhängig. Das liegt daran, dass der Frühlingspunkt der scheinbaren Bewegung der Sterne am Himmel folgt. Gibt man die Koordinaten für einen Stern in einem Nachschlagewerk an, kann sie jeder Beobachter nutzen.

Als Beispiel für das Äquatorsystem geben wir die Koordinaten der Beteigeuze an. Die Beteigeuze ist ein relativ heller Riesenstern der Milchstraße, den man meist sehr gut am Nachthimmel sehen kann. Beteigeuze hat eine Rektaszension von $\alpha = 5^\pu{h}~55^\pu{min}$ und eine Deklination von $\delta = 7^\circ~24^\prime$.

Astronomische Koordinatensysteme – Zusammenfassung zum rotierenden Äquatorsystem

• Die Bezugsebene des rotierenden Äquatorsystems ist die Äquatorebene. Der weitere Bezugspunkt ist der Frühlingspunkt.
• Die Koordinaten des rotierenden Äquatorsystems sind die Rektaszension $\alpha$ und die Deklination $\delta$.
• Die Koordinaten des rotierenden Äquatorsystems sind zeitlich konstant und für jeden Beobachtungspunkt auf der Erde gleich.

Das Video zu astronomischen Koordinatensystemen in der Physik

In diesem Video werden dir das Horizontsystem und das Äquatorsystem einfach erklärt. Du lernst die Koordinaten, ihre Definitionen und ihre Einheiten kennen. Du erfährst außerdem, was die Unterschiede zwischen Horizontsystem und rotierendem Äquatorsystem sind.