Der Gegenschein: Mythos und Herausforderung

Um den Gegenschein ranken sich Mythen. Längst nicht jeder Amateurastronom hat ihn schon einmal bewusst wahrgenommen, denn er gehört definitiv zu den schwierigsten visuellen und fotografischen Objekten des Nachthimmels. Er ist nochmals um Klassen schwächer als das morgendliche oder abendliche Zodiakallicht, das selbst schon eine Herausforderung ist, besonders in lichtverschmutzten Gegenden. Auf La Palma habe ich den Gegenschein zwar schon oft gesehen, doch ein anständiges Foto fehlte mir bisher. Ende März, mitten im Corona-Lockdown, ist es mir endlich gelungen.

Gegenschein und Zodiakalband. Der gegenschein ist die rundliche Aufhellung rechts unterhalb der Bildmitte. Aufnahmedaten: Canon EOS 6D + 8mm, f/5,6, ISO 3200, 14 Minuten Belichtungszeit.
Gegenschein und Zodiakalband. Der Gegenschein ist die rundliche Aufhellung rechts unterhalb der Bildmitte. Canon EOS 6D + 8mm, f/5,6, ISO 3200, 14 Minuten Belichtungszeit.

Ein absolut dunkler Himmel ohne Mond und Lichtverschmutzung ist Muss, ein extremes Weitwinkelobjektiv hilfreich, und auch die Uhr- und die Jahreszeit muss stimmen. So sollte der Gegenschein, um gut sichtbar zu sein, hoch über dem Horizont stehen, aber auch weit genug weg vom Band der Milchstraße. Beides ist in den Frühjahrs- und Herbstmonaten zur astronomischen Mitternacht erfüllt.

Den Gegenschein auf dem Bild oben nicht erkannt? Vielleicht hilft diese, stark bearbeitete Version:

Das gleiche Bild wie oben, nun aber in Graustufen konvertiert, nach einer Tonwertangleichung und weiteren Filtern. Leicht helle Himmelsregionen erscheinen nun verstärkt, auch der Gegenschein.
Das gleiche Bild wie oben, nun aber in Graustufen konvertiert, nach einer Tonwertangleichung und weiteren Filtern. Leicht helle Himmelsregionen erscheinen nun verstärkt.

Hier habe ich zunächst das Originalbild in Graustufen umgerechnet, und dann eine Tonwertangleichung vorgenommen. Danach sind alle Helligkeitswerte des Bildes gleich stark vertreten. Die Sterne wurden anschließend mit dem PS-Filter “Staub und Kratzer” entfernt, das Bild nochmals weichgezeichnet, und den Kontrast mittels Gradationskurven verstärkt.

Sowohl der rundliche Gegenschein als auch das geschwungene Zodiakalband sind nun gut sichtbar. Er befindet sich in diesem Fall (Ende März) im Sternbild Jungfrau. Der helle Stern links unterhalb des Gegenscheins ist Spika, der besonders helle links der Bildmitte ist Arktur. Die linke Bildhälfte ist besonders hell, weil hier am Osthorizont gerade die Sommermilchstraße aufging.

Am Himmel waren in dieser Nacht problemlos Sterne von 7,1mag mit dem bloßem Auge zu sehen. Das Sky Quality Meter zeigte Richtung Kleiner Wagen Werte um 21,95 mag/arcsec^2. Richtete man es auf den Gegenschein, stiegen die Werte auf 21,84 mag/arcsec^2. Der Gegenschein ist also sehr wohl messbar, und muss bei der Bestimmung der Nachthimmelshelligkeit berücksichtigt werden!

Zodiakallicht und Gegenschein

Was sind nun die Gemeinsamkeiten von Gegenschein und Zodiakallicht, und worin unterscheiden sie sich? Beide entstehen zunächst einmal durch feinsten Staub. Dieser Staub verteilt sich im Sonnensystem und wird ständig durch Asteroidenkollisionen nachgeliefert.

Es handelt sich um recht junges Material, das innerhalb der letzten paar Millionen Jahre entstanden ist und immer noch entsteht, und keineswegs um ein Überbleibsel aus der Entstehungszeit des Sonnensystems.  Denn der Staub wird durch die Sonneneinstrahlung aus dem Sonnensystem “fortgeweht”. (Genau genommen gilt das nur für die leichtesten Staubkörnchen von etwa 0,001 Millimeter Größe. Teilchen von etwa 0,1 mm, am oberen Ende der Masseskala, spiralen durch den sogenannten Poynting-Robertson-Effekt in die Sonne hinein. Ein Thema für einen eigenen Blogartikel).

Die Staubteilchen sind extrem dünn verteilt – in einem Kubikkilometer finden sich im Mittel nur 10 Teilchen. Weil die Staub produzierenden Asteroiden sich meist in der gleichen Ebene wie die großen Planeten aufhalten, konzentriert sich auch der Staub in dieser Ebene – also entlang der Ekliptik.

Trifft nun Sonnenlicht auf diese Staubteilchen, dann wird ein Teil des Lichts in Richtung Erde gestreut. Dieses gestreute Licht erzeugt am Nachthimmel einen diffusen Schimmer, der sich genau entlang der Ekliptik zieht. Dort befinden sich auch die 13 Sternbilder des Tierkreises, des “Zodiaks”. Daher der Name Zodiakallicht. Man könnte ebenso gut Tierkreislicht oder Ekliptikallicht dazu sagen. Kurz gesagt: Das Zodiakallicht ist nichts anderes als Sonnenlicht, das vom Staub zwischen den Planeten gestreut wird.

Alles hängt am Streuwinkel

Doch das Zodiakallicht leuchtet entlang der Ekliptik nicht überall gleich hell. Das hängt vom Winkelabstand zur Sonne und damit vom Streuwinkel ab. Letzteres ist der Winkel, um den das Sonnenlicht bei der Streuung an einem Staubkörnchen aus seiner geradlinigen Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird. Grundsätzlich gilt: Das Streulicht ist umso intensiver, je kleiner der Streuwinkel ist – man spricht von “Vorwärtsstreuung”. Je größer der Streuwinkel, desto weniger Licht wird zum Beobachter gelenkt. Am besten schaut man sich dazu eine Abbildung wie diese hier an:

Zur Entstehung des Zodiakallichts und des Gegenscheins.
Zur Entstehung des Zodiakallichts und des Gegenscheins.

Weder die Größenverhältnisse noch die Abstände zwischen Sonne, Erde und Staubkörnern stimmen hier, das dürfte offensichtlich sein. Und auch den Staub muss man sich in der Zeichenenbene gleichmäßig verteilt vorstellen. Dann aber hilft die Skizze hoffentlich, die Entstehung des Zodiakallichts zu verstehen:

Staubkorn A repräsentiert den Staub, der für das helle Morgen- bzw. Abendzodiakallicht verantwortlich ist. Der Streuwinkel (θ) ist klein, der Beobachter auf der Nachtseite der Erde bekommt also besonders viel in Vorwärtsrichtung gestreutes Sonnenlicht ab. Dieses Streulicht ist intensiver als das bei größeren Winkeln (B und C). Das Morgen- und Abendzodiakallicht kann so hell wie die Milchstraße werden, man sieht es bei steil stehender Ekliptik nach Sonnenuntergang bzw. vor Sonnenaufgang. Es ist auch unter der Bezeichnung “falsche Dämmerung” bekannt. Hier ein Beispiel, aufgenommen im Februar bei Ende der astronomischen Dämmerung:

Venus am Abendhimmel 2020. Das Bild entstand Ende Januar von La Palma aus. Das diffuse Licht um Venus herum ist das abendliche Zodiakallicht.
Venus am Abendhimmel. Das Bild entstand Ende Januar von La Palma aus. Das diffuse Licht um Venus ist das abendliche Zodiakallicht. Die Ekliptik verlief fast senkrecht zum Horizont.

Staubkorn B in der Skizze streut nur wenig Licht in Richtung Beobachter, da der Streuwinkel hier deutlich größer als 90 Grad ist (repräsentiert durch den dünneren Pfeil zum Beobachter). Das meiste Licht geht immer noch in die Vorwärtsrichtung und verfehlt damit den Beobachter. Diese Konfiguration erzeugt die schwachen Ausläufer des Zodiakallichts entlang der Ekliptik, die wirklich nur unter extrem guten Beobachtungsbedingungen sichtbar sind. Im zweiten Bild von oben, dem stark bearbeiteten, sieht man diese Ausläufer als zarte “Lichtbrücken” links und rechts des Gegenscheins.

Der Oppositionseffekt

Staubkörner der Kategorie C erzeugen schließlich den Gegenschein. Der Streuwinkel ist hier zwar nochmals größer als bei A oder B (er liegt um die 180 Grad), aber es ergibt sich ein zusätzlicher Effekt, der für die gesteigerte Helligkeit des Zodiakallichts führt: Der Oppositionseffekt.

Der Oppositionseffekt ist eigentlich nicht schwer zu verstehen: Aus Sicht des irdischen Beobachters stehen die Staubkörner der Kategorie C der Sonne am Himmel genau gegenüber. Sie zeigen deshalb ihre gesamte beschienen Hälfte zum Beobachter, und nicht nur einen kleinen Teil, wie die der Kategorien A und B. (Das ist genau das gleiche wie bei Vollmond, wenn die gesamte beleuchtete Mondseite aus Sicht der Erde zu sehen ist.)

Dieser Effekt kompensiert einen Teil des durch die Vorwärtsstreuung “verlorenen” Lichts. Hinzu kommt, dass die Schatten der einzelnen Staubkörnchen in der Oppositionsstellung aus Erdsicht am kürzesten sind, also andere Körnchen kaum abschatten. (Das ist der gleiche Effekt, der dafür sorgt, dass man bei Vollmond keine Bergschatten auf der Mondoberfläche sieht).

Beides sorgt dafür, dass das Zodiakallicht um den der Sonne gegenüberliegenden Punkt am Himmel (dem sogenannten antisolaren Punkt) wieder ein wenig heller ist: das ist die Erklärung für den Gegenschein. Natürlich sind die beiden Effekte für ein einzelnes mikroskopisches Staubkörnchen winzig. Aber das Weltall ist riesig, und die schiere Menge an Staub im Sonnensystem macht den Effekt sichtbar (*).

Aber stimmt das überhaupt? Liegt der Gegenschein genau am antisolaren Punkt? Um das herauszufinden, habe ich das Bild ganz ober noch einmal bearbeitet. In Photoshop habe ich die Aufnahme zuerst invertiert und dann nach einer weiteren Kontrastverstärkung den Filter “Konturen nachzeichnen” in Photoshop angewendet. Bei richtiger Einstellung am Regler werden dann die Helligkeitsniveaus als Konturlinien dargestellt, und man erkennt ziemlich leicht die ovale Form des Gegenscheins (hier in einer Ausschnittsvergrößerung):

Die Position des Gegenscheins stimmt mit der des antisolaren Punkts (rotes Quadrat) überein.
Die Position des Gegenscheins stimmt mit der des antisolaren Punkts (rotes Quadrat) überein.

Die Position des antisolaren Punkts (rotes Quadrat) habe ich mit dem Planetariumsprogramm Stellarium ermittelt und von Hand in das Bild gezeichnet. Tatsächlich liegt der Helligkeitsschwerpunkt des Gegenscheins ziemlich genau über dem antisolaren Punkt.

Den Gegenschein sehen

Wer das nächste Mal die Gelegenheit hat, einen wirklich dunklen Nachthimmel zu genießen, kann ja mal nach dem Gegenschein Ausschau halten. Ideal sind wie oben gesagt die Frühlings- und Herbstnächte (natürlich ohne Mond), denn dann liegt der antisolare Punkte nicht in der Nähe der Milchstraße (die den Gegenschein komplett überstrahlen würde).

Der Himmel sollte so dunkel sein, dass man wenigstens Sterne bis 6,0mag mit bloßem Auge sehen kann. Das abendliche Zodiakallicht (im Mitteleuropa im Frühjahr am besten zu sehen) bzw. seine morgendliche Komponente (im Herbst) sollten problemlos zu sehen sein. Dann kann es gelingen!

Die beste Uhrzeit ist um die astronomische Mitternacht, denn dann steht der Gegenschein am höchsten. Man vergleiche am besten einen sehr dunklen Teil des Himmels (zum Beispiel die Region oberhalb des Polarsterns/Kleinen Wagens) mit der Region um den antisolaren Punkt. Indirektes Sehen hilft: nicht direkt auf den antispolaren Punkt starren, sondern den Blick über den ganzen Himmel schweifen lassen. Wirkt die Gegend um den antisolaren Punkt irgendwie heller als die um den Pol? Dann ist es sehr wahrscheinlich der Gegenschein!

Ein Sky Quality Meter hilft, den subjektiven Eindruck zu bestätigen. In meiner Erfahrung ist die Region um den Gegenschein stets rund 0,1 mag/arcsec^2 heller als der dunkelste Bereich des Himmels.

Wer den Gegenschein entdeckt hat, kann als nächsten Schritt versuchen, auch das schwache Glimmen des Zodiakallichts entlang der restlichen Ekliptik zu sehen. Das ist allerdings wirklich extrem schwach und nur mit Erfahrung und in wirklich exzellenten Nächten an dunklen Standorten zu sehen. Aber es existiert – und ist alles andere als ein Mythos!

Nachtrag

(*) Nicht nur von der Erde lässt sich der Gegenschein beobachten. Die Raumsonde Pioneer 10 sichtete Anfang der 1970er Jahre den Gegenschein in fast der doppelten Entfernung von der Sonne als die Erde. Das war der Beweis, dass, die obige Erklärung richtig ist. Bis dahin gab es auch andere Ideen für die Entstehung des Gegenscheins (z. B. eine Ansammlung von Staubpartikeln im Librationspunkt des Sonne-Erde-Systems, oder gestreutes Sonnenlicht an einem Gas- oder Staubschweif der Erde). Alle diese Erklärungen hätten bedeutet, dass der Gegenschein nur von der Erde aus sichtbar sein sollte – Pioneer 10 bewies das Gegenteil.

Der Gegenschein ist auch heute noch Gegenstand der astronomischen Forschung, hier ein (frei zugängliches) Paper von 2013. 

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