Die Aufgabe eines Teleskops ist es, Licht zu sammeln und dieses Licht zum Okular oder zur Kamera zu bringen. Je größer die Öffnung des Teleskops ist, desto mehr Licht kann das Teleskop einfangen, wodurch das Bild heller und schärfer wird und mehr Details erkennen lässt. Je größer der Objektiv- oder Spiegeldurchmesser oder die Öffnung, desto mehr Licht sammelt das Teleskop und desto höher ist auch seine Auflösung (die Fähigkeit, feine Details zu erkennen).

Bildhelligkeit am Okular

Also gilt, je größer das Teleskop, desto besser, oder? Fast... in der Praxis kommen da einige Faktoren zusammen. Fangen wir einmal mit der visuellen Beobachtung an.

Wenn wir ein Teleskop visuell einsetzen, wird die Bildhelligkeit durch die Austrittspupille bestimmt – also den Durchmesser des Lichtbündels, das aus dem Okular kommt und in unser Auge gelangt. Es errechnet sich aus der Öffnung des Teleskops in Millimeter geteilt durch die Vergrößerung.

Austrittspupille = Öffnung [mm] / Vergrößerung

Ein Zoom-Okular am selben Teleskop, links bei niedriger Vergrößerung (lange Okularbrennweite, große Austrittspupille), rechts hoher Vergrößerung (kurze Okularbrennweite, kleine Austrittspupille)

Da sich die Pupillen unserer Augen maximal auf etwa 7 mm weiten können (im Alter sogar weniger), sind Austrittspupillen größer als 7 mm sinnlos – dann beleuchten wir lediglich unsere Iris und verschenken Licht; im Okular sind dann tatsächlich weniger Sterne zu sehen als mit höherer Vergrößerung. Dazu kommt, dass wir in Mitteleuropa selten wirklich dunkle Beobachtungsplätze haben, an denen sich unsere Pupillen auch wirklich ganz öffnen können. In der Praxis sollte das Übersichtsokular also eher 5-6 mm Austrittspupille liefern statt 7 mm, außer Sie sind noch jung und an einem hervorragenden Standort.

Speziell am Fernglas hat eine Austrittspupille von 7 mm übrigens trotzdem einen Vorteil: Man verliert das Bild nicht so leicht aus den Augen, wenn das Fernglas sich bewegt, weil man es freihändig hält. Deshalb sind die 7x50 wie das SkyMaster Pro ED 7x50 SkyMaster Pro ED 7x50 (#821570 , € 279,- ) die klassischen Marine-Gläser, die auch auf schwankenden Schiffen genutzt werden können. Bei Tag stört der Helligkeitsverlust auch nicht. In der Astronomie greift man aber lieber zu einem Stativ, um ein ruhiges Bild zu haben, statt zu einer übergroßen Austrittspupille.

Und jetzt wird es verrückt: Bei identischer Austrittspupille ist das Bild in jedem Teleskop gleich hell, egal, wie groß seine Öffnung ist! Das bedeutet: Ein 70mm-Teleskop wie das StarSense Explorer LT 70AZ (#822100 , € 199,- ) – das kleinste Modell der StarSense Explorer Serie – zeigt mit einem 36mm-Okular und 20x Vergrößerung die selbe Helligkeit wie das Top-Modell von Celestron, das CGX-L 1400 EdgeHD (#823257X , € 14899,- ) mit einem 40mm-Okular bei knapp 100x – beide haben dann eine Austrittspupille von 3,6 mm. Der Unterschied zwischen einem kleinen und einem großen Teleskop ist also weniger die reine Lichtsammelleistung, sondern viel mehr die nutzbare Vergrößerung und die damit verbundene Auflösung. Bei einer Austrittspupile von 3,6mm ist zum Beispiel M57, der Ringnebel in der Leier, prinzipiell gut zu sehen – nur ist er mangels Vergrößerung im 70AZ bei 20x von den Sternen nicht zu unterscheiden, während er im C14 bei 100x beeindruckend ist. Wir haben nun die nötige Auflösung, um ihn als Rauchring zu erkennen! Auch Doppelsterne werden erst bei ausreichender Vergrößerung voneinander getrennt.

Die große Öffnung liefert also die nötige Auflösung (und ermöglicht so die nötige Vergrößerung), um bei identischer Bildhelligkeit überhaupt Details zu sehen. Natürlich kann man auch mit 70mm Öffnung 100x vergrößern – hat dann aber nur noch 0,7 mm Austrittspupille und ein entsprechend dunkles Bild; und Austrittspupillen kleiner als 0,5 mm (bzw. Vergrößerungen größer als die doppelte Öffnung in Millimeter) offenbaren keine weiteren Details, sondern liefern nur noch eine leere Vergrößerung. Spätestens bei 140x ist hier Schluss.

Die maximale Vergrößerung ist dabei kein scharfer Grenzwert – es ist nicht so, dass bei unserem 70mm-Teleskop das Bild bei 140x noch scharf ist und bei 141x schlagartig unscharf wird. Das sind letztlich rechnerische Werte für ideale Optiken, die nur erreicht werden, wenn das gesamte System – Objektiv, Zenitspiegel, Okular und auch das Auge des Beobachters – perfekt sind. Mit billigen Optiken oder an obstruierten System (also Newtons oder katadioptrischen Systemen, bei denen ein Sekundärspiegel im Strahlengang sitzt) bricht der Kontrast schon etwas früher ein, während mit perfekten Apochromaten auch einmal höher vergrößert werden kann – insbesondere dann, wenn man selbst keine perfekten Augen mehr hat und die höhere Vergrößerung benötigt, um die Details überhaupt zu erkennen.

Nun könnte man also schlussfolgern, dass immer eine große Austrittspupille wünschenswert ist, und das bei kleiner Vergrößerung, um auch ausgedehnte Objekte zu sehen, die im C14 nicht mehr in das Bildfeld passen. Im Prinzip ja – deshalb werden gerne Ferngläser wie das 7x50 (mit maximaler Bildhelligkeit, das auch noch gut freiändig haltbar ist) oder 10x50 (bei dem die Austrittspupille besser zur mitteleuropäischen Himmelshelligkeit passt) empfohlen. Aber ganz so einfach ist es nicht. Bei Sternen (ebenso wie Sternhaufen und Kugelsternhaufen) lohnt es sich, etwas höher zu vergrößern, wenn man die Grenzgröße des Teleskops ausreizen will. Durch die höhere Vergrößerung bzw. kleinere Austrittspupille wird das Bild dunkler, weil das Licht auf eine größere Fläche verteilt wird – dadurch werden aber nur flächige Objekte dunkler. Die Sterne bleiben bei jeder Vergrößerung Punktlichtquellen und verlieren keine Helligkeit – dafür wird der flächige Himmelshintergrund dunkler, und schwache Sterne oder kleine Objekte sind besser zu erkennen.

Nebel, Filter und die Austrittspupille

Bei ausgedehnten Objekten wie Nebeln bringt dieser Trick mit der höheren Vergrößerung allerdings nichts – sie sind ebenso flächige Objekte wie der Himmelshintergrund und verlieren mit zunehmender Vergrößerung ebenfalls an Helligkeit. Um sie besser zu erkennen, hilft nur der Einsatz eines Filters, der den Himmelshintergrund abdunkelt und nur das Licht des Nebels ungehindert durchlässt (oder der Wechsel zu einem möglichst dunklen Beobachtungsplatz).

In älterer Literatur finden Sie oft noch den Hinweis, dass sich engbandige Filter wie ein OIII-Filter erst an größeren Teleskopen ab 20cm Öffnung lohnen. Dieser Tipp stammt noch aus der Zeit, als praktisch alle Linsenteleskope echte Fraunhofer-Teleskope mit kleiner Öffnung und langer Brennweite waren, an denen sich mit den damals üblichen 0,96"-Okularen keine großen Austrittspupillen erreichen ließen. Lichtstärkere Teleskope waren vor einigen Jahrzehnten praktisch immer etwas größere Spiegelteleskope.

Aber die Wirkung so eines Filters hängt rein von der Austrittspupille ab. Es klingt seltsam, aber wenn Sie einmal einen engbandigen OIII-Filter parallel an einem großen Teleskop wie einem C14 und einem kleinen Teleskop wie dem 70AZ ausprobieren, werden sie bemerken, dass in beiden Teleskopen die meisten Sterne bei der selben Austrittspupille verschwinden, und das Bild bei 1-2mm Austrittspupille zu dunkel wird, um noch Spaß an der Beobachtung zu haben. Das bedeutet beim 70AZ, dass der Filter bis zu Vergrößerungen zwischen etwa 35 und 70x Spaß macht, während er am C14 für Vergrößerungen bis hoch zu etwa 180 bis 350x genutzt werden kann. Der Beobachtungsspaß ist natürlich abhängig von der Ausdehnung des Nebels – wenn ein kompakter planetarischer Nebel bei 70x noch kaum von einem Stern zu unterscheiden ist, macht das wenig Spaß, ebenso wenig wie ein ausgedehnter Nebel, der bei 100x das Okular vollständig füllt und nicht mehr vom Himmelshintergrund zu unterscheiden ist.

Umgekehrt bedeutet das aber auch, dass so ein Filter mit einem kleinen, aber lichtstarken Teleskop wie dem StarSense Explorer DX 102AZ StarSense Explorer DX 102AZ (#822110 , € 529,- ) ebenfalls sein Potential an großflächigen Nebeln ausspielen kann: Der Refraktor liefert mit einem Hyperion 36mm 2"-Okular eine Austrittspupille von 5,4 mm bei 18x Vergrößerung – und ein Feld von fast 4° oder achtfachem Vollmonddurchmesser, in das auch ausgedehnte Gasnebel passen. Ein 40mm-Okular liefert sogar ein noch helleres Bild, allerdings kein größeres Bildfeld – das Feld wird dann durch die Steckhülse des Okulars begrenzt, in die das Bild hineinpassen muss.

Mit einem kleinen, aber einigermaßen lichtstarken Teleskop können Sie also auch engbandige Nebelfilter problemlos nutzen – Sie dürfen nur nicht so hoch vergrößern, dass das Bild zu dunkel wird.

Die Lichtstärke des Teleskops

Wie wir gesehen haben, ist die Lichtstärke des Teleskops – also sein Öffnungsverhältnis – für visuelle Beobachter relativ irrelevant, da die Bildhelligkeit rein von der Austrittspupille abhängt. Schon mit einem moderaten Öffnungsverhältnis von f/6,6 und einem langbrennweitigen Übersichtsokular lässt sich unter üblichen Bedingungen die größte nutzbare Austrittspupille/Bildhelligkeit erreichen.

Schnelle Newtons mit f/5 oder gar f/4 bringen für die visuelle Beobachtung kaum Vorteile – aufgrund der Austrittspupille lässt sich nicht beliebig niedrig vergrößern, da man sonst Licht verschenkt, und je schneller das System, desto wichtiger werden eine ordentliche Justage und ein Komakorrektor wie der MPCC, der die Bildfehler (die Koma) des Newtons ausgleicht. Gleichzeitig sinkt der Kontrast, da der Sekundärspiegel immer größer wird. Diese schnellen Systeme werden vor allem deshalb visuell eingesetzt, weil sie eine überschaubare Baulänge haben. Kleine f/5-Newtons wie der Celestron StarSense Explorer 130mm Tabletop Dobson (#822126 , € 599,- ) (130/660mm f/5) sind sehr kompakt, und große Dobson-Teleskope mit 20" (50cm) Öffnung oder mehr können bei f/4 nochh ohne allzu hohe Leitern genutzt werden – ansonsten schwebt das Okular in unerreichbarer Höhe.

Daher sind auch die Schmidt-Cassegrains seit Jahrzehnten sehr beliebte Geräte: Ein C8 ist ein sehr kompaktes Gerät, das mit einem 40mm-Okular immer noch 4 mm Austrittspupille erreicht – mehr ist in Stadtnähe kaum nutzbar. Mit dem Omni Okular 2" 56mm, 47° Gesichtsfeld (#810248 , € 189,- ) sind sogar 5,4 mm Austrittspupille nutzbar, was für die meisten Beobachtungsplätze nahe am Maximum dessen ist, was nutzbar ist. Und ein kompaktes 8"-Schmidt-Cassegrain lässt sich auf einer günstigeren und leichteren Montierung sinnvoller nutzen als ein langer Newton oder gar Refraktor mit der selben Öffnung, der eine viel größere Hebelwirkung hat. Vom einfacheren Transport gar nicht erst zu reden...

Drei Teleskope mit 6" Öffnung und völlig unterschiedlichen Maßen – das kompakte Schmidt-Cassegrain auf azimutaler Goto-Montierung, ein langer, parallaktisch montierter Refraktor und ein handlicher Dobson.

Und um noch einmal auf die Auflösung zurückzukommen: Ab 8" Öffnung werden viele Kugelsternhaufen in Einzelsterne aufgelöst, und Galaxien fangen an, Details zu zeigen – deshalb heißt es oft, dass Deep Sky erst ab 8" Öffnung richtig Spaß macht.

Bildhelligkeit in der Fotografie

Wenn man ein Teleskop fotografisch nutzt, ändern sich ein paar Aspekte, wenn man die Effekte unterschiedlicher Öffnung betrachten will – letztlich arbeitet man mit einer festen Brennweite/Vergrößerung und verändert nur die Lichtstärke. Da eine Kamera eingesetzt wird statt eines Okulars, kann man bereits mit kleiner Öffnung sehenswerte Ergebnisse erzielen – und mit großer Öffnung umwerfende Bilder.

Nehmen wir zur Veranschaulichung ein kleines Teleskop mit 400 mm Brennweite wie das TravelScope 70 Reisefernrohr TravelScope 70 Reisefernrohr (#822035 , € 125,- ) . Wenn wir es auf den Vollmond richten und ein Blatt Papier dahinter halten, sehen wir ein etwa 4 mm großes Abbild des Mondes – seine Größe auf dem Papier hängt rein von der Brennweite des Teleskops ab, als Richtwert erscheint er pro Meter Brennweite etwa einen Zentimeter groß. Auf einem Kamerasensor misst er somit rund 4 mm; ein Okular würde dieses Bild nachvergrößern. Probieren Sie es ruhig einmal aus und ersetzen Sie das Okular durch ein Stück Transparenz- oder Butterbrotpapier: Dann sehen Sie den Mond auf dem Papier; das Okular wirkt wie ein Lupe, das dieses Bild vergrößert.

An dem kleinen 70/400-Refraktor mit f/5,7 ist der Mond angenehm hell, und die kleinsten Details, die es auflöst, liegen bei 1,98 Bogensekunden nach Rayleigh bzw. 1,66 Bogensekunden nach Dawes. Die beiden Werte beziehen sich darauf, wie gut ein Doppelstern getrennt werden kann – nach Rayleigh müssen sie deutlich getrennt sein, nach Dawes besteht gerade noch eine Verbindung zwischen ihnen. Wenn wir also das Bild nehmen und vergrößern (oder das projizierte Bild im Okular betrachten), können wir zahlreiche Details erkennen, aber viele Krater können noch nicht aufgelöst werden.

Interessant wird es, wenn wir uns in der Nachvergrößerung einen Stern anschauen: Auch wenn er perfekt fokussiert ist, sehen wir keinen einzelnen Lichtpunkt, sondern seine Beugungsringe. Da Licht eine Welle ist, kommt es an der Fassung des Objektivs zu Lichtbeugung, und wir sehen bei hoher Vergrößerung (auch im Okular) neben dem eigentlichen Stern in der Mitte ein paar Beugungsringe, die ihn umgeben. Das eigentliche Sternabbild ist dabei etwa 0,008 mm groß.

Wenn wir nun die Öffnung vergrößern und das mit einem RASA 8" - Rowe-Ackermann Schmidt Astrograph RASA 8" - Rowe-Ackermann Schmidt Astrograph (#822252 , € 2449,- ) mit ebenfalls 400 mm Brennweite, aber gleich 203 mm Öffnung (f/2) wiederholen, wird es interessant: Der Mond ist genauso groß, aber deutlich heller. Gleichzeitig zeigt das Bild mehr Details: Durch die größere Fläche der Öffnung fällt die Beugung am Rand weniger ins Gewicht, und die Beugungsscheibchen werden kleiner – sie sind nur noch etwa 0,003 mm groß.

Eine große Öffnung liefert also auch fotografisch ein helleres Bild (und macht so kürzere Belichtungszeiten möglich) und eine bessere Auflösung. Um das auszunutzen, sollte man die Kamera an das Öffnungsverhältnis anpassen. Die Größe des Beugungsscheibchens hängt nämlich ausschließlich vom Öffnungsverhältnis ab: Bei f/2 ist es immer etwa 0,003 mm groß, bei f/6 etwa 0,008 mm und bei f/10 etwa 0,013 mm. Die Brennweite ändert dann nur noch das Bildfeld, solange die Abmessungen des Kamerasensor unverändert bleiben.

Um die Sache etwas zu verkomplizieren, nehmen unsere Kameras runde Sterne mit quadratischen Pixeln auf. Wenn ein Stern nun genau auf einem Pixel abgebildet würde, wäre er im fertigen Bild quadratisch; wenn er auf zu viele Pixel verteilt wird, wird er ein verwaschener Fleck. Idealerweise wird ein Stern auf eine Fläche von 3x3 Pixeln abgebildet, dann haben wir ein helles Zentrum und einen Helligkeitsverlauf rundherum, der einen runden Eindruck liefert.

Wenn ein Pixel deutlich größer ist als die kleinsten Details, sind wir im Undersampling und verlieren Details, weil wir sie nicht auflösen können. Sterne erscheinen blockig.

Wenn ein Pixel deutlich kleiner ist als die kleinsten Details, sind wir im Oversampling, und wir verschwenden Pixel für Strukturen, die unser Teleskop ohnehin nicht auflösen kann – ihr Licht wird nur auf mehrere Pixel verteilt, und das Bild wird unnötig dunkel und aufgeblasen. Bei Weitfeldaufnahmen ist das kein großes Problem, hier ist das Bildfeld wichtiger. Teilweise werden sogar Weichzeichner-Filter eingesetzt, damit helle Sterne größer erscheinen

Optimal ist das kritische Sampling, bei dem eine Struktur auf drei Pixel (Kantenlänge) verteilt wird und wir so auch einen Helligkeitsverlauf eines Sterns abbilden können, ohne dass er auf zu viele Pixel verteilt wird.

Bei unserem Teleskop heißt das, dass wir an einem lichtstärkeren Teleskop mit kleineren Beugungsscheibchen also höher vergrößern können, oder alternativ eine Kamera mit kleineren Pixeln verwenden können.

In der Praxis ist ein gewisses Oversampling für die Planetenfotografie in Ordnung bis erstrebenswert, um mehr Spielraum in der Bearbeitung zu haben; für die Deep-Sky-Fotografie ist Oversampling unerwünscht, da Licht verschenkt wird, und ein gewisses Undersampling kein Problem – hier kommt es auf große Strukturen an und nicht auf feinste Details. Hier ist das bessere Rauschverhalten größerer Pixel wichtiger.

Daher wird vor allem in der Planetenfotografie die Pixelgröße auf das Öffnungsverhältnis abgestimmt, entweder durch die Wahl der Kamera oder einer geeigneten Barlowlinse. Moderne Kameras funktionieren irgendwo zwischen f/10 und f/30 am besten. Als Richtwert gilt für Farbkameras

Das ist natürlich nur ein Richtwert, der durch die Luftunruhe beeinflusst wird. Sie beschränkt die nutzbare Auflösung in Mitteleuropa oft auf etwa 1-2 Bogensekunden. Nur in wenigen Nächten und Momenten ist die Luft wirklich ruhig, dann kann eine große Optik ihre Auflösung ausspielen. Das heißt aber nicht, dass ein Teleskop mit 1-2 Bogensekunden Auflösung wie unser TravelScope 70 schon das Maximum an Auflösung liefert: Es bedeutet nur, dass es bei langen Belichtungszeiten und mäßiger Luftunruhe schon fast alles zeigt. Aber die Luftunruhe ändert sich ständig, und in den guten Momenten spielt die größere Optik ihre Auflösung aus – vom helleren Bild einmal ganz abgesehen. Außerdem ist Brennweite immer noch nötig, auch wenn die Kameraauflösung perfekt zur Auflösung des Teleskops passt: Wenn mit 70mm Öffnung Sterne oder Strukturen nicht aufgelöst werden können, gelingt das bei gleichem Öffnungsverhältnis mit größerer Öffnung und Brennweite. Eine Kamera mit nur etwa 3 µm großen Pixeln zeigt an f/10 bis f/15 bereits alles, was das Teleskop zeigen kann – und ein großes Teleskop zeigt mehr, da es mehr Auflösung hat und das Bild größer ist.

Oft lohnt es sich auch, den Faktor etwas zu steigern, auf bis zu 7x Pixelgröße. Mit einer guten Barlowlinse können Sie mit dem Vergrößerungsfaktor in gewissen Grenzen spielen. Einige Barlows wie die Baader VIP 2-fach modulare Barlowlinse, visuell und fotografisch #2406101 sind für diese Brennweitenänderungen ausgelegt. Bedenken Sie beim Einsatz einer Barlow immer, dass sich die Vergrößerung mit dem Abstand ändert – mehr dazu finden Sie in diesem Beitrag auf Baader Planetarium: Barlowlinsen, ihre Vergrößerungsfaktoren und Abstände

Bei der Deep Sky Fotografie geht es dagegen nicht um die perfekte Detailauflösung, da bei den hier üblichen langen Belichtungszeiten ohnehin alles durch die Luftunruhe verschmiert wird. Viel interessanter ist hier, wie viel Licht ankommt. Für Sterne hängt das rein von der Öffnung ab, da sie immer punktförmig sein sollten. Für flächige Objekte kommt dazu, dass ihr Licht auf eine größere Fläche verteilt wird. Nehmen wir zum Beispiel eine Galaxie und verkürzen die Brennweite unseres Teleskops (was die Lichtstärke erhöht): Dann verteilt sich das Licht auf eine kleinere Fläche, und die Galaxie erscheint heller, solange wir den Kamerasensor nicht tauschen. Das Licht fällt also auf weniger Pixel, und sie registrieren das Signal schneller. Dadurch steigt das Signal/Rausch-Verhältnis, das Motiv schält sich schneller aus dem Hintergrundrauschen heraus. Nachteil: Sterne sind schneller gesättigt, sodass alle helleren Sterne gleich hell abgebildet werden, oder die Pixel "überlaufen" und auch die Nachbarpixel ansprechen. Obwohl die Beugungsscheibchen kleiner sind und die Sterne eigentlich im Undersampling sind (ein Stern pro Pixel statt pro 3x3 Pixel), können helle Sterne daher etwas aufgeblasen erscheinen.

Das ist natürlich immer noch vereinfacht dargestellt, aber es macht deutlich, warum sich auch bei der Deep-Sky-Fotografie eine große Öffnung lohnt, und man andererseits Planeten nicht beliebig vergrößern kann.

Natürlich kommt es auch immer auf das Objekt an, das man fotografieren will. Man könnte natürlich sagen, dass Objekte mit einer Handykamera mit f/2 genauso hell sind und genauso schnell ausbelichtet sind wie mit einem RASA – aber einerseits arbeitet eine Handykamera wieder mit anderen Pixelgrößen, und andererseits bringt es nichts, wenn eine schöne Galaxie dann nur auf ein oder zwei Pixeln abgebildet wird und im Rauschen untergeht oder nicht von Sternen zu unterscheiden ist. Wer ein großes Bildfeld und ausreichend Auflösung will, um etwas zu erkennen, muss das Gesamtsystem betrachten.

Letztlich müssen Fotografen folgende Faktoren in Einklang bringen:

• Kamera-Auflösung (basierend auf Pixelgröße und Öffnungsverhältnis),
• Teleskop-Auflösung (Öffnung),
• Belichtungszeit (basierend auf dem Öffnungsverhältnis, zumindest für flächige Objekte)
• Bildfeld (basierend auf Sensorgröße und Teleskopbrennweite sowie der Größe des gewünschten Objekts)

Aber es bringt auch nichts, sich sklavisch auf die Formeln und das Seeing zu konzentrieren. Auch mit großen Brennweiten lohnt es sich, Deep Sky zu fotografieren, wie Christoph Kaltseis unter anderem hier beeindruckend zeigt. Umgekehrt ist ein lichtstarker RASA ideal für großflächige Objekte, aber auch für die Suche nach lichtschwachen, aber schnellen Objekten wie Kleinplaneten und Kometen.

Wenn Sie tiefer einsteigen wollen, sollten Sie sich auch noch mit dem Begriff Étendue beschäftigen – ihn erklären wir im RASA-Whitepaper näher.

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