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John Bird
(1709-1776)



Christian Mayer
(1719-1783)



Peter Dollond
(1731-1820)



John Arnold
(1736-1799)




Der Mauerquadrant der Mannheimer Sternwarte von J. Bird, 1775

Stichworte : Mauerquadrant, achromatisches Fernrohr, Mikrometer, Vorgehensweise bei Beobachtungen
Key Words : The mural quadrant at the Mannheim Observatory made by John Bird 1775

von J.S.Schlimmer

Der Mannheimer Mauerquadrant

1. Die Messvorrichtungen

Im Jahre 1774 bestellte der Mannheimer Astronom Christian Mayer einen
8-Fuß großen Mauerquadranten bei dem englischen Instrumentenbauer John Bird. In der Zeit vom 19. bis zum 26. Januar 1776 wurde der Mauerquadrant in der Mannheimer Sternwarte montiert (siehe Notizen und Beobachtungsbücher). Eines der ersten Beobachtungsobjekte war Gamma Andromedae.

Der Mauerquadrant war von gleicher Bauart wie der Greenwicher Quadrant und war das Hauptinstrument der Mannheimer Sternwarte (Abbildung 1). Der Abstand zwischen Zentralplatte und Bogenmitte betrug 8 Fuß (8 Fuß = 96 englische Zoll = 243,8 cm). Das Gewicht des Quadranten lag bei 450 kg.
Auf dem Quadrantbogen waren zwei verschiedene Teilungen eingeritzt. Bei der inneren Teilung war der Viertelbogen in 90° aufgetragen, wobei die Skala in 5 Minuten Einheiten eingeteilt war. Die äußere Teilung des Randes bestand aus 96 Hauptteilen, die ihrerseits in 16 kleinere Teile unterteilt waren (Abbildung 2).

Mauerquadrant mural quadrant
Abbildung 1 : 8-Fuß Mauerquadrant der Mannheimer Sternwarte, John Bird 1775 London, Foto : J.S. Schlimmer 12/2007 [1]
8-feet mural quadrant at the Mannheim Observatory, John Bird 1775 London,


Abbildung 2 : Doppelte Teilung des Quadrantbogens [1], Foto : J.S.Schlimmer 12/2007


Abbildung 3 : Okularseitiges Ende des achromatischen Fernrohrs mit Nonius und Mikrometer [1], Foto : J.S. Schlimmer 12/2007


Abbildung 4 : Beobachtungsbuch vom 20. und 21. Januar 1776, Aufstellung und Inbetriebnahme des Mauerquadranten [4]

Der genaue Winkel wurde mit Hilfe eines Nonius und eines Mikrometers bestimmt. Der Nonius befand sich auf der Mitte des Bogens unterhalb des Fernrohrs (Abbildung 3). Der innere Nonius enthielt 10 Teilungen gegen 11 auf dem Bogen, der äußere Nonius hatte 16 Teilungen gegen 17 Skalenteile des äußeren Bogens.
Somit zeigte der Nonius auf der äußeren Skala einen Winkel von 13,2" an ! Mit Hilfe des Mikrometers (Abbildung 3, Schraube) konnten die Sekunden abgelesen werden. Mayer beschrieb das Mikrometer wie folgt : "Dies Mikrometer hat 3 Zoll im Durchschnitt, und dessen Umkreis ist in 51 Theil, oder Sekunden abgetheilt. Man kann mittelst dieses Mikrometers dem Fernrohr eine gar gelinde Bewegung geben, und hierdurch die Entfernung zweer nahen Sterne in Zeit von einer Min. zwei und dreimal messen, auch zugleich die Schärfe des Schraubengangs prüfen, indem man vor oder zurück drehen will (...)" [2].

2. Das achromatische Dollond Fernrohr

An dem Mauerquadranten befand sich ein 3 linsiges achromatisches Fernrohr von P. Dollond [5]. Der Tubus bestand aus gehämmerten Messing. Die gesamte Länge betrug 9 Fuß 1 Zoll (ca. 2,76 m), die freie Öffnung betrug 3 Zoll 2 Linien (80,7 mm), siehe Abbildung 6. Damit lag die theoretische Auflösung des Teleskops bei etwa 1,7". Um einer Durchbiegung des Fernrohrs vorzubeugen wurden mehrere "gegen die Mitte des Fernrohrs in Gestalt eines doppelten Kegels breit auslaufende messingene Spangen angebracht". Diese Spangen sind in Abbildung 1 sehr schön zu sehen.

Im Fernrohr selbst befand sich ein Netz "aus einem Quer und drei aufrechtstehenden feinen Silberfäden, sie sind alle viere unbeweglich, ausgenommen, daß sie durch verschiedene auswendig angebrachte Schrauben in ihre richtige Stellung können gesetzt werden". Die aufrechten Fäden waren im gleichen Abstand angeordnet (siehe Mayers Notizheft vom 24. Januar 1776). Da Mayer bei seinen Beobachtungen jeweils 3 Durchgangszeiten notierte, kann man anhand dieser Notizen heute noch auf den Abstand der Fäden schließen :
er betrug jeweils 8', insgesamt also 16' (genau 15,8'). Wir können davon ausgehen, dass diese Anordnung von P. Dollond nicht zufällig so gewählt wurde, denn die scheinbare tägliche Bewegung der Sterne am Himmelsäquator beträgt pro Zeitminute 15' ! Zu dem Fernrohr gehörten 2 Okulare mit einer Brennweite von 13,5 Linien (ca. 30,5 mm) und 7,5 Linien (16,9 mm). Letzteres wurde anscheinend nie verwendet, denn alle Beobachtungen wurden mit etwa 85-facher Vergrößerung durchgeführt.

Aus seinem "Verzeichnis aller bisher entdeckten Doppelsterne" kann auf die tatsächliche Auflösung des Dollond Fernrohrs geschlossen werden : sie liegt bei Sternen gleicher Helligkeit und Farbe bei 2,9" (5 Epsilon Lyrae). Für die Trennung engerer Doppelsterne war die verwendete Vergrößerung zu gering oder die Qualität des Fernrohrs zu schlecht.

Die Bestimmung der Sternhöhen

Die Messung der Sternhöhen mittels des Quadranten geschah nach Mayer folgendermaßen : "Nimmt man wegen mehr aufeinander folgenden nahen Sternen die äußere Theilung allein, so kann man sehr leicht in einer Minute die Höhe zweer Sterne nehmen. Dies ist besonders nöthig, so oft der größere Unterschied der Höhen beeder Sterne sich durch die alleinige Bewegung des Mikrometers nicht bestimmen läßt. Öfters nehmen wir um unsere vorige Beobachtungen zu prüfen, die Höhe des kleineren Sterns auf beeden Theilungen des Quadrantbogens; des Hauptsterns hingegen nur aus der unteren Theilung, besonders wenn der Hauptstern vorausgeht, und desselben Höhe aus kurz vorher gemachten Beobachtungen schon genug bekannt ist." [2].
Werden bei der Bestimmung der Sternhöhen beide Skalenwerte notiert, so erhält man den Teilungsfehler und zugleich den Fehler der Beobachtung. Beide zusammen beliefen sich nach Mayers Aussage selten über 3".

Bestimmung der Unterschiede in Rektaszension

Die Differenz in Rektaszension (Gerade Aufsteigung) zwischen zwei Sternen wurde mit Hilfe einer Pendeluhr in Zeitsekunden bestimmt. Der Sekundenschlag des Pendels wurde Mayers Angaben zufolge mit einer Genauigkeit von einer halben Sekunde geschätzt. Damit ließen sich am Himmelsäquator Genauigkeiten von maximal 7,5'' erreichen. Konnten die Unterschiede in Deklination recht genau bestimmt werden, so war hingegen die Bestimmung der Unterschiede in Rektaszension bei den Komponenten eines Doppelsterns nur sehr ungenau, wodurch das Ergebnis insgesamt verfälscht wurde.
Anhand Epsilon Lyrae zeigt sich aber auch die Kunstfertigkeit mit der manche Zeitintervalle geschätzt wurden : für die Komponenten AB nannte er ein Zeitintervall von 0,2 Sekunden, für die Komponenten CD lediglich 0,1 Sekunden. Beide Messungen von Epsilon Lyrae stimmen mit den Ergebnissen der Ephemeridenrechnung hervorragend überein !

Mayer ermittelte also die Position des Begleiters noch in kartesischen Koordinaten (Differenz in Rektaszension und Deklination), während Herschel durch direkte Bestimmung von Abstand und Positionswinkel bereits Polarkoordinaten verwendete. Die Verwendung dieser unterschiedlichen Koordinatensysteme ist der grundlegende Unterschied in der Arbeitsmethode zwischen diesen beiden Astronomen. Mayers Arbeitsweise entspricht der klassische Methode nach der bereits Brahe, Flamsteed, Maskelyne und Tobias Mayer arbeiteten. Herschel hingegen kann mit seiner direkten Messung schon zu den modernen Astronomen gezählt werden.

Die Zeitmessung


Die Durchgangszeiten wurden anhand einer Kompensationspendeluhr ermittelt. Nach eigener Aussage stand sie dem Mauerquadranten gegenüber, nur wenige Schritte von diesem entfernt. Sie wurde von Eardley Norton, einem englischen Uhrmacher hergestellt (siehe Abbildung 12). Über die Ganggenauigkeit sagte Mayer : "Sie geht einen Monat, ohne aufgezogen zu werden, und da man sie aufzieht ehe sie gar abgeloffen, so geht kein Sekundenschlag verloren. Ich hatte sie mit mir im Jahr 1769 nach Petersburg genommen (...). In Zeit 14 Monath meines dassigen (?) Aufenthalts hat sie von der größten Wärme an, bis zur größten rusischen Kälte, keine größere tägliche Abänderung, als nur von anderthalb Sek. gezeigt (...)" [2].

Eine weitere Pendeluhr wurde von John Arnold 1779 in London hergestellt (siehe Abbildung 14) und 6 Monate vor Auslieferung auf ihre Ganggenauigkeit geprüft [1]. Mayer schrieb darüber : "(..) will Hr. Maskelyne nicht eher schicken, bis er sie auf seiner königlichen Sternwarte zu Greenwich, wo sie wirklich ist, genug wird geprüft haben."[2]. Die jährliche Abweichung betrug nach Aussage Christian Mayers zufolge nur wenige Sekunden [1].
Solche Pendeluhren hatten ein so genanntes Sekundenpendel das rund 1 m lang war. Das Pendel bestand aus unterschiedlichen Metallen um eine temperaturabhängige Ausdehnung des Pendels zu minimieren. Mit zunehmender Temperatur würde sich das Pendel sonst ausdehnen, wodurch die Uhr langsamer ginge. Im umgekehrten Falle, also mit sinkender Temperatur würde das Pendel kürzer werden, wodurch sich auch die Schwingungsperiode verkürzen würde. Die Uhr liefe ohne Temperaturkompensation im Sommer zu langsam, im Winter zu schnell.

Die Schwingungsdauer des Pendels hängt neben der Pendellänge auch vom Aufstellungsort ab. Da die Erde keine ideale Kugel ist, ergibt sich für jeden Breitengrad eine andere Erdbeschleunigung. Die Erdbeschleunigung wirkt sich direkt auf die Dauer einer Pendelschwingung aus. Aus diesem Grund lässt sich über ein Sekundenpendel kein einheitlicher Längenmaßstab (Länge des Sekundenpendels) ableiten. Deswegen konnte sich letztlich das aus der französischen Meridianexpedition abgeleitete Urmeter als Standard durchsetzen [3].

Weitere Bilder des Mauerquadranten




Abbildung 5 bis 14 : zum Vergrößern bitte Bilder anklicken !
Original Beschreibungen des Mauerquadranten

In seinem Werk "Gründliche Vertheidigung..." [2] beschrieb Christian Mayer auf 14 Seiten den Mauerquadranten und dessen Handhabung sowie die beiden astronomischen Pendeluhren. Die gesamte Beschreibung finden Sie exklusiv auf den folgenden Seiten :

Original Aufzeichnungen über Aufstellung und Inbetriebnahme des Quadranten

Weitere Mauerquadranten von John Bird
  • Royal Greenwich Observatory 1750
  • Sternwarte Göttingen 1756 (2 m)
  • Berliner Sternwarte 1768
  • Radcliffe Observatory, Oxford 1772 (2,4 m)

Informationen über Christian Mayer



Landesmuseum für Arbeit und Technik


Abbildung 15 : Landesmuseum für Arbeit und Techhnik, seit 2010 Technomuseum, Foto J.S.Schlimmer 1/2010


Quellennachweis

[1] Landesmuseum für Technik und Arbeit in Mannheim (LTA), Dauerausstellung, http://www.landesmuseum-mannheim.de/index.html
[2] Christian Mayer, Gründliche Vertheidigung neuer Beobachtungen von Fixsterntrabanten, welche zu Mannheim auf der kurfürstlichen Sternwarte entdeckt worden sind, Mannheim 1778
[2] Christian Mayer, Verzeichniss aller bisher entdeckten Doppelsterne, Berliner Astronomisches Jahrbuch für 1784, Herausgegeben von Johann Elert Bode 1781,
[3] siehe Ken Alder, Das Maß der Welt - die Suche nach dem Urmeter, Goldmann Verlag 2005
[4]
Landesmuseum für Technik und Arbeit in Mannheim (LTA) / Archiv / Bildarchiv / Bestand Sternwarte, Fotografie : J.S.Schlimmer
[5] Johann Ludwig Klüber, Die Sternwarte zu Mannheim, Beschrieben von ihrem Curator, Heidelberg in Commission bei Gottlieb Braun, 1811

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