{"id":28183,"date":"2025-05-09T07:00:27","date_gmt":"2025-05-09T05:00:27","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2025\/05\/09\/sternengeschichten-folge-650-albert-einstein-das-ccd-und-die-moderne-astrofotografie\/"},"modified":"2025-05-14T17:41:26","modified_gmt":"2025-05-14T15:41:26","slug":"sternengeschichten-folge-650-albert-einstein-das-ccd-und-die-moderne-astrofotografie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2025\/05\/09\/sternengeschichten-folge-650-albert-einstein-das-ccd-und-die-moderne-astrofotografie\/","title":{"rendered":"Sternengeschichten Folge 650: Albert Einstein, das CCD und die moderne Astrofotografie"},"content":{"rendered":"<p><a href=\"https:\/\/astrodicticum-simplex.at\/wp-content\/uploads\/2022\/11\/SG_Logo.png\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"alignleft size-thumbnail wp-image-12938\" src=\"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/wp-content\/uploads\/2025\/05\/SG_Logo-150x150-1.png\" alt=\"SG_Logo\" width=\"150\" height=\"150\" \/><\/a><i>Das ist die Transkription einer Folge meines <a href=\"https:\/\/sternengeschichten.podigee.io\/\">Sternengeschichten-Podcasts<\/a>. Die Folge gibt es auch als <a href=\"https:\/\/audio.podigee-cdn.net\/1915969-m-3c6ff2f9c52d6b400dcdcace59e481bf.mp3?source=feed\">MP3-Download<\/a> und <a href=\"https:\/\/youtu.be\/byIZzLC22lI\">YouTube-Video<\/a>.<\/i> Und den ganzen Podcast findet ihr auch bei <b><a href=\"https:\/\/open.spotify.com\/show\/0ikLkbZTH9yjuwetyBheXX\">Spotify<\/a><\/b>.<\/p>\n<p><b>Mehr Informationen: [<a href=\"https:\/\/sternengeschichten.podigee.io\/feed\/mp3\">Podcast-Feed<\/a>][<a href=\"https:\/\/itunes.apple.com\/de\/podcast\/sternengeschichten\/id583344780\">Apple<\/a>]<a href=\"https:\/\/open.spotify.com\/show\/0ikLkbZTH9yjuwetyBheXX\">Spotify<\/a>][<a href=\"https:\/\/www.facebook.com\/sternengeschichten\">Facebook<\/a>]<\/b><\/p>\n<p>Wer den Podcast finanziell unterst\u00fctzen m\u00f6chte, kann das hier tun: Mit <a href=\"https:\/\/www.paypal.me\/florianfreistetter\">PayPal<\/a>, <a href=\"https:\/\/www.patreon.com\/sternengeschichten\">Patreon<\/a> oder <a href=\"https:\/\/steadyhq.com\/sternengeschichten\">Steady<\/a>.<\/p>\n<p><script class=\"podigee-podcast-player\" src=\"https:\/\/player.podigee-cdn.net\/podcast-player\/javascripts\/podigee-podcast-player.js\" data-configuration=\"https:\/\/sternengeschichten.podigee.io\/650-sternengeschichten-folge-650-albert-einstein-das-ccd-und-die-moderne-astrofotografie\/embed?context=external&#038;token=hetqZ9i3RLICPxTrH_UhJw\"><\/script><\/p>\n<hr \/>\n<p><strong>Sternengeschichten Folge 650: Albert Einstein, das CCD und die moderne Astrofotografie<\/strong><\/p>\n<p>Im Jahr 1905 hat Albert Einstein \u00fcber die Natur des Lichts nachgedacht. Im Jahr 1969 wollten ein kanadischer und ein amerikanischer Physiker einen besseren Computerspeicher entwickeln. Zusammen haben diese drei nicht nur drei Nobelpreise bekommen, sondern auch die Astronomie und bis heute unseren Alltag revolutioniert.<\/p>\n<p>Die Geschichte beginnt aber in der Vergangenheit und zwar im Jahr 1839. Damals hat der franz\u00f6sische Physiker Alexandre Edmond Becquerel festgestellt, dass zwischen zwei Elektroden eine elektrische Spannung entsteht, wenn eine davon mit Licht bestrahlt wird. Was da genau abgeht, konnte er allerdings nicht erkl\u00e4ren. 1887 hat der deutsche Physiker Heinrich Hertz ein \u00e4hnliches Ph\u00e4nomen bei Experimenten mit ultravioletten Licht gefunden. Erstmals systematisch untersucht hat die Angelegenheit ab 1899 der deutsche Physiker Philipp Lenard. In seinen Experimenten hat er festgestellt, dass Licht tats\u00e4chlich Elektronen aus Metallen herausl\u00f6sen kann. <\/p>\n<p>Und das ist ja tats\u00e4chlich sehr erstaunlich: Man beleuchtet ein St\u00fcck Metall und aus dem Metall kommen Elektronen raus. Es entsteht ein elektrischer Strom, denn Strom ist ja nichts anderes als Elektronen, die sich bewegen. Es ist nicht verwunderlich, dass die Elektronen aus dem Metall kommen; diese Elementarteilchen bilden ja die H\u00fclle eines jeden Atoms. Da sind also genug vorhanden. Aber warum werden sie aus dem Metall gel\u00f6st, wenn Licht darauf f\u00e4llt?<\/p>\n<p>Eine erste Idee liegt nahe: Im Licht steckt ja Energie und wenn sich diese Energie vom Licht auf die Elektronen \u00fcbertr\u00e4gt, dann k\u00f6nnen die sich mit Hilfe dieser Energie von der Bindung an den Atomkern l\u00f6sen und sich frei bewegen. Das klingt logisch, aber die Experimente von Lenard haben noch mehr gezeigt. N\u00e4mlich dass die kinetische Energie der Elektronen unabh\u00e4ngig von der Intensit\u00e4t des Lichts ist. Was hei\u00dft das? Die kinetische Energie ist die Energie, die in der Bewegung des Elektrons steckt. Und eigentlich sollte man ja erwarten, dass die umso gr\u00f6\u00dfer ist, je mehr Licht auf das Metall f\u00e4llt. Mehr Licht \u00fcbertr\u00e4gt mehr Energie auf die Elektronen und dann sollte auch mehr Energie in ihrer Bewegung stecken. Tut es aber nicht. Mehr Licht sorgt nur f\u00fcr mehr Elektronen, aber ihre Bewegungsenergie \u00e4ndert sich nicht. Die h\u00e4ngt stattdessen von der Frequenz des Lichts ab, also von seiner Farbe.<\/p>\n<p>Dieses Verhalten war damals ein gro\u00dfes R\u00e4tsel. Denn damals ging man davon aus, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Und die Energie einer Welle h\u00e4ngt von ihrer Amplitude ab, also wie weit sie &#8211; vereinfacht gesagt &#8211; nach oben und nach unten schwingt. Und die Energie einer Welle h\u00e4ngt ganz explizit nicht von ihrer Frequenz ab, die ja angibt, wie oft die Welle in einem bestimmten Zeitraum auf und ab schwingt. Die Amplitude ist ein Ma\u00df f\u00fcr die Intensit\u00e4t des Lichts, die Frequenz f\u00fcr die Farbe. Eigentlich sollte man also erwarten, dass eine Lichtwelle mit hoher Intensit\u00e4t, also einer gro\u00dfen Amplitude und mehr Energie auch mehr Energie auf die Elektronen \u00fcbertr\u00e4gt und es egal ist, welche Frequenz beziehungsweise Farbe sie hat. Die Experimente von Philipp Lenard haben aber genau das Gegenteil gezeigt. <\/p>\n<p>Gel\u00f6st hat dieses R\u00e4tsel dann Albert Einstein. Er hat im Jahr 1905 einen Artikel ver\u00f6ffentlicht, mit dem Titel &#8222;\u00dcber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt&#8220;. Klingt etwas nichtssagend, aber dort schreibt Einstein folgenden revolution\u00e4ren Satz: &#8222;Es scheint mir nun in der Tat, da\u00df die Beobachtung \u00fcber die [&#8230;] Photolumineszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht und andere die Erzeugung beziehungsweise Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verst\u00e4ndlich scheinen unter der Annahme, da\u00df die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahls die Energie nicht kontinuierlich auf gr\u00f6\u00dfer und gr\u00f6\u00dfer werdende R\u00e4ume verteilt, sondern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden k\u00f6nnen.&#8220;<\/p>\n<p>Einstein sagt also, dass die Energie im Licht in kleinen Paketen steckt, die nicht weiter geteilt werden k\u00f6nnen. Er sagt im Wesentlichen: Licht besteht aus einzelnen Lichtquanten, also aus &#8222;St\u00fccken&#8220; von Energie, die selbst nicht mehr kleiner werden k\u00f6nnen. Ok, wer sich in Wissenschaftsgeschichte auskennt, wird wissen, dass ein paar Jahre vorher, n\u00e4mlich im Jahr 1900, der deutsche Physiker Max Planck die &#8222;Quantenhypothese&#8220; aufgestellt hat. Planck hatte festgestellt, dass man ein bestimmtes Verhalten von Licht nur dann korrekt beschreiben kann, wenn man davon ausgeht, dass die Energie im Licht nur in bestimmten, kleinstm\u00f6glichen Energiepaketen vorliegen kann, die er Quanten genannt hat. Planck hat das aber im Wesentlichen f\u00fcr einen Rechentrick gehalten und ist lange Zeit nicht davon ausgegangen, dass sich Licht wirklich so verh\u00e4lt.<\/p>\n<p>Albert Einstein aber, und genau deswegen ist seine Arbeit so revolution\u00e4r, hat genau das behauptet. Er hat gesagt, dass Licht tats\u00e4chlich aus diesen Quanten besteht. Oder anders gesagt: Einstein hat die jahrhundertelang vorherrschende Meinung in Frage gestellt, dass Licht eine kontinuierliche Welle ist. Laut Einstein besteht Licht aus Lichtquanten, die wir heute Photonen nennen. Und die Energie eines Photons h\u00e4ngt von der Frequenz des Lichts ab, beziehungsweise der Farbe. Damit wird auch verst\u00e4ndlich, was Lenard in seinen Experimenten gemessen hat. Damit man ein Elektron aus dem Metall herausl\u00f6sen kann, braucht es eine gewisse Mindestenergie. Man muss also Licht mit der richtigen Frequenz nutzen, damit das geht, denn nur dann haben die Quanten auch die korrekte Energie. Denn das Elektron kann nicht beliebig viel Energie mit dem Licht austauschen. Entweder die Energie im Lichtquant ist gro\u00df genug &#8211; dann wird das Elektron frei. Oder sie ist nicht gro\u00df genug und dann passiert gar nichts. Und dann hilft es auch nichts, wenn man die Lichtintensit\u00e4t erh\u00f6ht und immer mehr und mehr Quanten auf das Elektron einprasseln. Es kann die Quanten nicht &#8222;sammeln&#8220; bis es genug davon hat. <\/p>\n<p>Einsteins theoretische Erkl\u00e4rung des Ph\u00e4nomens, das wir heute den &#8222;photoelektrischen Effekt&#8220; nennen, hat sehr gut funktioniert. Trotzdem haben viele gez\u00f6gert, sie anzuerkennen. Denn man wollte sich nicht von der Vorstellung von Licht als Welle l\u00f6sen; Licht, das aus &#8222;Teilchen&#8220; besteht, war den meisten zu revolution\u00e4r. Heute wissen wir, dass Licht weder eine Welle, noch ein Teilchen ist sondern eine Auswirkung von Quantenfeldern, wie ich in Folge 247 ausf\u00fchrlich erkl\u00e4rt habe. Aber damals gab es ja quasi noch keine Quantentheorie im modernen Sinn. Die hat erst mit der Arbeit von Max Planck und so richtig erst mit dieser Arbeit von Albert Einstein begonnen. Und deswegen haben die beiden auch zu Recht den Physik-Nobelpreis daf\u00fcr bekommen. Sie mussten zwar ein bisschen warten, bis sich die Quantenmechanik in der Wissenschaft durchgesetzt hat. Planck hat ihn 1918 bekommen und Albert Einstein erst im Jahr 1921. Aber besser sp\u00e4t, als gar nicht (und es lohnt sich vielleicht auch noch mal extra darauf hinzuweisen, das Einstein seinen Nobelpreis eben tats\u00e4chlich f\u00fcr seine Arbeit zur Quantenmechanik bekommen hat, nicht f\u00fcr die Entwicklung der Relativit\u00e4tstheorie, f\u00fcr die er in der \u00d6ffentlichkeit viel bekannter ist).<\/p>\n<p>Albert Einstein war ein theoretischer Physiker der die Natur verstehen wollte. Willard Boyle und George Smith waren ebenfalls Physiker, aber eher an Anwendungen orientiert. Im Jahr 1969 haben beide in den Bell Labs gearbeitet, der Forschungsabteilung der amerikanischen Telefongesellschaft AT&#038;T. Willard Boyle war damals Chef der Abteilung f\u00fcr Halbleiterforschung und Smith sein Mitarbeiter. Damals hat man sich intensiv mit Magnetblasenspeicher besch\u00e4ftigt, einer fr\u00fchen Form um auf Computern Daten zu speichern. Die Bell Labs wollten Forschungsgelder von der Abteilung f\u00fcr Halbleiter abziehen, es sei denn, sie w\u00e4ren in der Lage, selbst eine ausreichend gute Speichertechnologie auf anderer Basis zu entwickeln. Also setzten sich Boyle und Smith hin und erfanden, im Wesentlichen im Laufe eines Nachmittags, das, was wir heute CCD nennen. Die Details so eines charge-coupled device sind dennoch komplex. Aber im Prinzip funktioniert dieses Ding ganz einfach. <\/p>\n<p>Man kann es sich als zweidimensionales Gitter vorstellen. An jedem Gitterpunkt sitzt ein elektronisches Bauteil, das Elektronen speichern kann. Je nachdem, wie viele es sind, sitzt also in jedem Gitterpunkt eine unterschiedlich gro\u00dfe elektrische Ladung. Mit diesen Ladungen kann man Informationen speichern und genau das wollten Boyle und Smith ja haben. Man k\u00f6nnte jetzt mit irgendeinem passenden Messinstrument Gitterpunkt f\u00fcr Gitterpunkt durchgehen und so St\u00fcck f\u00fcr St\u00fcck die Ladung und damit den Speicher auslesen. Aber das w\u00e4re m\u00fchsam, und es geht auch einfacher. Man kann &#8211; und ich gehe auch hier jetzt nicht auf die technischen Details ein &#8211; die Ladungen einfach von Gitterpunkt zu Gitterpunkt verschieben. Dann f\u00e4llt &#8211; sehr vereinfacht gesagt &#8211; am Ende des Gitters zuerst die Ladung aus dem ersten Gitterpunkt der entsprechenden Reihe raus und kann gemessen werden. Dann schiebt man weiter und es kommt die Ladung aus dem n\u00e4chsten Gitterpunkt, und so weiter. Das geht viel schneller und am Ende kann man aus so einem Ding eine elektrische Spannung auslesen, die sich ver\u00e4ndert, je nachdem wie viele Elektronen in den Gitterpunkten waren. <\/p>\n<p>Boyle und Smith ist aber sehr schnell klar geworden, dass man so ein Konzept nicht nur als simplen Speicher verwenden kann. Man kann an jeden Gitterpunkt auch ein Bauteil setzen, das Licht in elektrischen Strom umwandeln kann. Und wie macht dieses Bauteil das? Durch den photoelektrischen Effekt, den Albert Einstein mehr als 60 Jahre vorher als erster erkl\u00e4ren konnte. Diese Bauteile nennt man Fotodioden und die waren damals schon erfunden. Aber man konnte sie eben nur erfinden, weil Jahrzehnte vorher Albert Einstein den photoelektrischen Effekt erkl\u00e4rt hat!<\/p>\n<p>Zusammengefasst hatten Boyle und Smith nun also ein Ger\u00e4t, bei dem Licht auf einen zweidimensionalen Sensor f\u00e4llt. Je nach Intensit\u00e4t des Lichts sammeln sich in den Gitterpunkten unterschiedlich starke Ladungen an und die k\u00f6nnen elektronisch so ausgelesen werden, um das danach entsprechend rekonstruieren zu k\u00f6nnen. Das, was vorher analog war &#8211; also die Information dar\u00fcber, wie viel Licht an bestimmten Stellen des Sensors auftritt, war jetzt digital verf\u00fcgbar. Und das war auf eine andere Art wie bei Einstein aber ebenso eine Revolution!<\/p>\n<p>Bis dahin hat man Bilder chemisch gespeichert. Man hat Platten oder Filmstreifen mit passenden Chemikalien bestrichen, die unterschiedlich stark auf Licht reagieren, je nach der Intensit\u00e4t des Lichts. Diese Fotografie ist nat\u00fcrlich selbst eine revolution\u00e4re Erfindung, aber mit dem charge-coupled-device ist die Fotografie digital geworden. Es hat ein bisschen gedauert, bis die Technik so weit ausgereift war, um der klassischen analogen Fotografie ernsthaft Konkurrenz zu machen. Man braucht daf\u00fcr ja zum Beispiel entsprechend gro\u00dfe Sensoren um ein ausreichend gro\u00dfes Bildfeld zu haben. Und dann sind da noch jede Menge andere kleinere und gr\u00f6\u00dfere praktische Probleme. Aber das Milit\u00e4r war zum Beispiel sehr schnell begeistert davon. Mit CCD-Technik kann man wunderbar Satelliten best\u00fccken und digitale Bilder der Erde aus dem All machen. Bilder, die nicht erst entwickelt werden m\u00fcssen sondern direkt elektronisch zur Erde \u00fcbertragen werden k\u00f6nnen. Das ist ideal f\u00fcr Spionagesatelliten und deswegen hat das Milit\u00e4r die Entwicklung der CCDs auch massiv gef\u00f6rdert. Ab den 1980er Jahren ist die Technik aber auch langsam in die zivilen Bereiche gekommen. In der Astronomie hat man immer \u00f6fter mit CCD-Kameras gearbeitet und auch die Digitalkameras f\u00fcr den privaten Gebrauch habe sich entwickelt.<\/p>\n<p>Heute ist die CCD-Kamera aus der Astronomie nicht mehr wegzudenken. Es gibt, au\u00dfer im Hobby-Bereich, keine analoge Astrofotografie mehr. Alles funktioniert digital. Bei den Digitalkameras haben sich mittlerweile Techniken entwickelt, die ein bisschen anders funktionieren als die klassischen CCDs, aber die Arbeit von Boyle und Smith hat die Welt und die Wissenschaft dennoch bis heute ma\u00dfgeblich beeinflusst und die beiden sind daf\u00fcr zu Recht im Jahr 2009 mit den Physik-Nobelpreis ausgezeichnet worden. <\/p>\n<p>Was mit Albert Einstein angefangen hat, ist heute aber l\u00e4ngst noch nicht zu Ende. Es gibt noch jede Menge die wir nicht verstehen, wenn es um die Lichtquanten geht. Es lohnt sich, auch heute noch \u00fcber das Licht nachzudenken. Was dabei herauskommt, l\u00e4sst sich schwer vorhersagen. Aber sicher ist: Am Ende wird es uns alle beeinflussen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video. Und den ganzen Podcast findet ihr auch bei Spotify. 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