Fundamentalsystem (Astronomie)

Das Fundamentalsystem der Astronomie ist ein genauer Koordinatenrahmen für die Positionen von Sternen und außergalaktischen Himmelskörpern. Die jeweiligen Kataloge von Fundamentalsternen stellen die beste umgesetzte Näherung für einen Inertialraum dar – heute wird es noch genauer auch über Quasare realisiert.

Die zugrundeliegenden Messungen wurden früher ausschließlich visuell oder fotografisch durchgeführt (siehe klassische Astrometrie). Heute spielt auch die Radioastronomie in Form eines präzisen Netzes von 500 Quasaren und seiner Vermessung durch VLBI-Methoden eine entscheidende Rolle.

Sternkataloge als Datenbank für Fixpunkte

In diesem Koordinatenrahmen dreht sich der Kreisel Erde und kann dadurch in seinen Bewegungen modelliert werden. Der Rahmen wird in Form eines Sternverzeichnissess hunderter sogenannter Fundamentalsterne definiert. Seit Ende des 19. Jahrhunderts waren dies insbesondere:

Himmel, Erde und Erdrotation

Diese Koordinaten gehören aber nicht nur für die Astronomen zum „täglichen Brot“, sondern auch für viele jener Wissenschafter, die sich mit dem Planeten Erde oder manchen seiner Erscheinungen beschäftigen. Denn letztlich gehen zum Beispiel alle geografischen Koordinaten und sogar die genauen Zeitsysteme der Physik auf astronomische Richtungs- und Zeitmessungen zurück.

Dass Erd- und Himmelskoordinaten zusammenhängen, lässt sich mit einem Bild leicht verstehen: Man kann sich die Erde als kugelförmigen stabilen Kreisel im Weltraum vorstellen, dessen Drehachse zu einem Pol an einer gedachten Himmelskugel weist.

Wir sind gewohnt, uns Norden immer „oben“ vorzustellen, weil wir die „Weltachse“ natürlich in die Erdachse legen. Eigentlich ist das nichts anderes als das traditionelle geozentrische System der Antike, mit dem erst Kopernikus teilweise gebrochen hat.

Wenn sich nun die Erde als „Kreisel“ in diesem „Käfig“ aus lauter umgebenden Sternen dreht, bietet sich an, den Breitenkreisen ähnliche Kreise auf einer die Erde umhüllenden Himmelskugel gegenüberzustellen.

Während sich aber die Menschheit für die Längenkreise erst langwierig auf den Nullmeridian von Greenwich einigen musste, bietet sich für ihr astronomisches Pendant Rektaszension ein solcher förmlich an: Der Frühlingspunkt, in dem die Sonne jedes Jahr von der Südhalbkugel kommend den Himmelsäquator überquert.

Mathematisch ist der Frühlingspunkt die Schnittlinie des Äquators mit der sog. Ekliptik (Ebene der Erdbahn bzw. der jährlichen scheinbaren Sonnenbahn durch die Sternbilder).

Veränderliche Erdachse

Diese für Astronomen praktischen Ebenen sind aber langsam veränderlich. So wie jeder Spielzeugkreisel ein wenig taumelt, ist es auch bei der Erde – nur viel langsamer und regelmäßiger. Man nennt diesen Effekt Präzession und seine Dauer von 26.000 Jahren ein Platonisches Jahr. Die Erdachse beschreibt in dieser Zeit einen klar definierbaren Kegel mit 23°-Winkel, was man inzwischen auf 0,01" (0,000005 %) genau vorausrechnen kann. Dazu gehört auch ein zweiter Effekt namens Nutation – ein vom Mond verursachtes „Zittern“ im Rhythmus von 18,613 Jahren (der Nutationsperiode), das ebenso genau modelliert ist.

Gemessen werden diese Effekte durch spezielle Instrumente und Methoden der Astrometrie und der Geodäsie; die wichtigsten sind die Weltraumverfahren VLBI (Richtungsmessung nach Quasaren), Weltraumlaser und GPS, sowie erdgebunden der Meridiankreis und Astrolab bzw. PZT; die beiden letztgenannten haben im letzten Jahrzehnt an Bedeutung verloren. Ergänzend kam vor einigen Jahren noch eine Art Weltraumscanner dazu, der Satellit Hipparcos.

Das hier beschriebene astronomisch-geodätische Modell der Erde und ihrer Bahn ist unser Fundamentalsystem der Astronomie – und stellt die derzeit beste Realisierung eines Inertialsystems dar.

Terrestrisches Fundamentalsystem

Seine terrestrische Entsprechung – „heruntergeholt“ auf die sich darin drehende Erde – nennt man International Terrestrial Reference System (ITRS). Es ist durch Fundamentalstationen (wie zum Beispiel Wettzell in Bayern) und durch zahlreiche GPS-Messstationen dauerhaft vermarkt.

Die Beziehung zu den Vermessungspunkten der jeweiligen Landesvermessung wird durch Koordinatentransformationen hergestellt und in der 3. Dimension durch Höhenmessung und das Geoid.

Diese Modelle haben allerdings weitere Effekte und Feinheiten, deren Beschreibung ein eigenes Buch füllen würde. Daher sei für diese Details auf einige Websites verwiesen.

Weblinks

• Fundamentalsystem des FK6, Astron. Recheninstitut (ARI), 1999
• Fundamentalsystem des FK5, ARI, 1988
• Fundamentalsystem des FK4, ARI, 1963

Anmerkungen