Tobias Mayer, die Göttinger Sternwarten und das Längenproblem auf See

Ein Turm auf der Göttinger Stadtmauer und der Kartentisch eines britischen Schiffes haben auf den ersten Blick nichts miteinander zu tun. Im 18. Jahrhundert verband beide Orte eine Rechnung. Was Tobias Mayer in Göttingen über die Bahn des Mondes herausfand, landete nach seinem Tod in einem Almanach, mit dem Navigatoren mitten auf dem Atlantik ausrechneten, wo sie sich befanden. Diese Geschichte handelt von zwei Gebäuden, einem Instrument und einem Preisgeld. Wer zuerst wissen möchte, wer Mayer überhaupt war und was er neben dem Mond noch erforschte, findet das auf der Seite über Tobias Mayer und die Astronomie in Göttingen.

Ein Turm auf der Stadtmauer

Die junge Universität besaß zunächst kein Observatorium. Laut der Zeitleiste, die die Universität zur Historischen Sternwarte veröffentlicht hat, reicht die Astronomie als Lehrfach in Göttingen bis 1748 zurück; im selben Jahr besuchte König Georg II. die Stadt, und die Planung einer Sternwarte begann. Um 1750/51 wurde dann ein Turm der südlichen Stadtmauer, an der heutigen Turmstraße, zum astronomischen Observatorium umgebaut. Die Quellen der Universität nennen dafür einmal 1750, einmal 1751. Der Unterschied ist klein und erklärt sich vermutlich aus Planung und Inbetriebnahme.

Ein Turm auf dem Wall bot, was eine Stadt des 18. Jahrhunderts sonst kaum hergab: Höhe über den Dächern, freien Blick nach Süden und eine solide Mauer. Für die Astronomie dieser Zeit war der Blick nach Süden der entscheidende. Gemessen wurde vor allem im Meridian, also in dem Moment, in dem ein Gestirn die Nord-Süd-Linie überquert und seinen höchsten Stand erreicht.

Tobias Mayer kam 1751 aus Nürnberg und teilte sich die Leitung zunächst mit dem Mathematiker Johann Andreas von Segner. 1754 erhielt er die alleinige Aufsicht. 1755 bekam das kleine Observatorium nach Angaben der Neuen Deutschen Biographie den größten Mauerquadranten in Deutschland, gebaut von dem Londoner Instrumentenmacher John Bird. Ein solcher Quadrant ist ein Viertelkreis mit Fernrohr, fest an einer Mauer in der Meridianebene montiert. Er misst nur eine einzige Größe, die Höhe eines Gestirns beim Durchgang durch den Meridian, und den Zeitpunkt dieses Durchgangs. Aus genau diesen beiden Zahlen ließen sich Sternörter und die Bahn des Mondes bestimmen. Ein Mauerquadrant von Bird gehört bis heute zu den Objekten der Astrophysikalischen Sammlung der Universität.

Nach Mayer: Kästner, Seyffer und ein Student namens Gauß

Mayer starb im Februar 1762. Das Observatorium auf der Stadtmauer blieb bestehen und wurde von 1764 bis 1800 von dem Mathematiker Abraham Gotthelf Kästner geleitet, von 1800 bis 1801 von Karl Felix von Seyffer. Zwischen 1796 und 1798 lernte dort ein Student die praktische Astronomie kennen, der später die gesamte Göttinger Sternwarte prägen sollte: Carl Friedrich Gauß. Als er 1807 als Professor und Direktor zurückkam, war der Neubau noch nicht fertig. Gauß arbeitete deshalb noch Jahre im alten Turm und wohnte in der nahen Kurzen Straße 15.

Der Turm selbst hielt nicht mehr lange. Die Universitätsbroschüre begründet den Neubau mit der zunehmenden Instabilität des alten Gebäudes; im Lauf des 19. Jahrhunderts wurde es abgetragen.

Das Längenproblem

Um zu verstehen, warum ein Göttinger Professor sich mit der britischen Admiralität einließ, muss man einen Schritt zurückgehen. Die geographische Breite auf See zu bestimmen, war im 18. Jahrhundert Routine: Man maß die Mittagshöhe der Sonne oder die Höhe des Polarsterns. Die Länge dagegen ist eine Zeitfrage. Die Erde dreht sich in 24 Stunden einmal um 360 Grad, also um 15 Grad pro Stunde. Wer weiß, wie spät es gerade in Greenwich ist, und das mit der eigenen Ortszeit vergleicht, kennt seine Länge. Die Ortszeit war leicht zu haben. Die Greenwich-Zeit an Bord eines Schiffes zu kennen, war das eigentliche Problem.

Der Preis von 1714

1714 verabschiedete das britische Parlament den Longitude Act. Er versprach 20.000 Pfund für eine Methode, die die Länge auf einen halben Grad genau bestimmte, und 10.000 Pfund für eine Genauigkeit von einem Grad. Ein eigens eingerichtetes Gremium, das Board of Longitude, sollte Vorschläge prüfen und das Geld verwalten; ihm gehörten führende englische Astronomen und Mathematiker sowie der Präsident der Royal Society an. Es bestand bis 1828.

Zwei Wege galten als aussichtsreich. Der eine war eine Uhr, die auch auf einem schwankenden, feuchten Schiff über Monate genau ging; der Wikipedia-Artikel zum Längenproblem nennt als Anforderung für den halben Grad einen Uhrfehler von höchstens vier Minuten. Der andere war der Himmel selbst.

Der Mond als Uhr

Der Mond bewegt sich vor dem Hintergrund der Sterne merklich schnell, um ungefähr seinen eigenen Durchmesser pro Stunde, das entspricht etwa einem halben Grad. Er ist damit gewissermaßen der Zeiger einer Uhr, die man von jedem Punkt der Erde aus ablesen kann. Misst ein Navigator mit Sextant oder Oktant den Winkel zwischen dem Mondrand und einem hellen Stern nahe der Ekliptik, oder der Sonne, dann entspricht dieser Abstand einem bestimmten Zeitpunkt am Bezugsort. Vorher muss der gemessene Wert allerdings „gereinigt“ werden: Refraktion in der Erdatmosphäre und die Parallaxe des nahen Mondes verfälschen ihn, und auch der Halbmesser des Mondes ist zu berücksichtigen.

Die Idee war alt. Johannes Werner hatte die Theorie bereits 1524 veröffentlicht. Es fehlten nur Tafeln, die die Position des Mondes für Jahre im Voraus genau genug angaben. Und genau daran scheiterte man lange, denn der Mond folgt keiner einfachen Bahn; die Anziehung der Sonne stört sie ständig. Wie empfindlich die Methode ist, zeigt eine kurze Überschlagsrechnung. Weil der Mond in einer Stunde nur etwa 30 Bogenminuten weiterrückt, verschiebt ein Fehler von einer einzigen Bogenminute in den Tafeln die abgeleitete Zeit um rund zwei Minuten und die Länge um rund einen halben Grad.

Von Göttingen nach Greenwich

An diesem Punkt setzte Mayer an. Er verband die Newtonsche Gravitationstheorie mit seinen eigenen Beobachtungen, Messung für Messung am Mauerquadranten auf der Stadtmauer. 1752 legte er der Göttinger Sozietät der Wissenschaften seine ersten Mondtafeln vor.

1755 schickte Mayer verbesserte, handschriftliche Tafeln an die britische Regierung. James Bradley, der Astronomer Royal, verglich sie mit den Beobachtungen in Greenwich und stellte fest, dass sie die Position des Mondes auf 75 Bogensekunden genau angaben. Auf See bedeutete das eine Längenbestimmung auf etwa einen halben Grad. Das war die Schwelle, an die das Parlament 1714 den Hauptpreis geknüpft hatte.

Mayer erlebte die Entscheidung nicht mehr. Er starb am 20. Februar 1762 in Göttingen. Seine Witwe erhielt von der britischen Regierung 3.000 Pfund, einen Bruchteil der 20.000, aber eine beträchtliche Summe. Die Theorie hinter den Tafeln erschien 1767 in London unter dem Titel „Theoria lunae juxta systema Newtonianum“, eine verbesserte Fassung der Tafeln 1770.

Maskelyne und der Nautical Almanac

Dass aus Mayers Tafeln ein Werkzeug für die Praxis wurde, ist vor allem Nevil Maskelyne zu verdanken. Er übersetzte und bearbeitete sie und veröffentlichte 1763 eine ausführliche Darstellung der Methode. 1767 erschien die erste Ausgabe des Nautical Almanac. Sie enthielt vorausberechnete Monddistanzen zu ausgewählten Sternen in festen Zeitabständen. Ein Navigator musste damit nicht mehr selbst die Mondbahn berechnen; er maß, korrigierte und schlug nach. Die Rechnung blieb trotzdem mühsam. Rechnet man Messung und Korrektur zusammen, kam ein geübter Beobachter auf eine Genauigkeit von etwa einer halben Bogenminute im Abstand. Das entspricht ungefähr einer Minute Zeit und am Äquator bis zu 15 Seemeilen.

Wer sich auf einer Seekarte vorstellt, was 15 Seemeilen vor einer felsigen Küste bei Nacht bedeuten, versteht, warum man dennoch weiter nach etwas Besserem suchte.

Uhr gegen Mond

Das Bessere kam aus der Werkstatt eines Uhrmachers. John Harrisons Marinechronometer H4 lief auf einer monatelangen Fahrt nach Jamaika mit einem Gesamtfehler von weniger als zwei Minuten. Den letzten Teil seines Preisgeldes erhielt Harrison erst kurz vor seinem Tod.

So bestanden beide Verfahren nebeneinander. Die Monddistanzen wurden etwa ein Jahrhundert lang genutzt, bis um 1850 die Chronometer sie verdrängten. Auf kleineren Schiffen griff man noch bis ins frühe 20. Jahrhundert auf die Methode zurück. Mayers Mondtheorie hat damit länger auf den Meeren gearbeitet, als ihr Urheber überhaupt gelebt hat.

Die neue Sternwarte vor dem Tor

Zurück nach Göttingen. 1802 genehmigte König Georg III. den Bau einer neuen Sternwarte an der Geismar Chaussee, der heutigen Geismar Landstraße. Der Platz lag damals außerhalb der Stadt zwischen Wiesen und Gärten, mit freien Sichtachsen nach Norden und Süden und kaum künstlichem Licht. Gauß schrieb 1817 in einem Brief, er wohne „hier wie auf dem Lande“.

Den Entwurf erhielt der Universitätsbaumeister Georg Heinrich Borheck. Bevor gebaut wurde, ließ man den Meridian bestimmen: Karl Ludwig Harding, damals Observator an Johann Hieronymus Schroeters Sternwarte in Lilienthal bei Bremen, reiste im Frühjahr 1803 mehrfach zwischen Lilienthal, Göttingen und Gotha hin und her und untersuchte den Baugrund. 1805 reichte Borheck seine Pläne ein, einen streng symmetrischen klassizistischen Bau mit einem Mittelflügel für die Instrumente und zwei Seitenflügeln für die Wohnungen. Dann kamen die politischen Wirren der napoleonischen Zeit. Göttingen gehörte bis 1813 zum Königreich Westphalen unter Jérôme Bonaparte, die Bauherrschaft wechselte, die Arbeiten stockten mehrmals. Erst 1816, nach dreizehn Jahren Bauzeit, war das Gebäude unter Borhecks Nachfolger Justus Heinrich Müller fertig. Gauß zog mit seiner Familie in den Westflügel und blieb fast vierzig Jahre, bis zu seinem Tod am 23. Februar 1855.

Heinrich Heine, der spöttische Göttinger Alumnus, nahm die Sternwarte 1824 in die berühmte Aufzählung seiner „Harzreise“ auf. Zwischen Würsten, 999 Feuerstellen, einem Karzer und einem Ratskeller mit gutem Bier steht dort auch: „eine Sternwarte“.

Meridiansäle, Telegraf und Drehkuppel

Herzstück des Neubaus waren die beiden Meridiansäle beiderseits der Eingangsrotunde. 1818 ließ Gauß im Osten, 1819 im Westen Meridiankreise aus den Werkstätten von Johann Georg Repsold und Georg Friedrich von Reichenbach aufstellen. Aufgehängt waren sie zwischen Felssäulen aus dem Hainberg, damit keine Erschütterung die Messung störte. Funktional sind sie die Nachfolger von Mayers Mauerquadrant: Auch sie messen Gestirne im Meridian, nur mit vollem Kreis und weit höherer Genauigkeit.

1833 kam etwas hinzu, das mit Astronomie zunächst wenig zu tun hatte. Wilhelm Weber spannte im Frühjahr einen Doppeldraht von rund 1.100 Metern Länge vom Physikalischen Kabinett im Papendiek über die Dächer der Altstadt zur Sternwarte. Den Magistrat informierte er am 16. April 1833 nachträglich, er habe den Draht „auf den hiesigen Johannisthurm und von da weiter zur Sternwarte“ führen lassen. Über diese Leitung tauschten Gauß und Weber elektromagnetische Signale aus, nach einem von Gauß entwickelten Buchstabencode. Die Verbindung hielt, bis am 16. Dezember 1845 ein Blitz einschlug. Der Johannisturm gehört zur Johanniskirche unweit des Marktplatzes; ihre Geschichte steht in der Übersicht der Kirchen in Göttingen. Und wer am Papendiek steht, findet sich nahe am Ausgangspunkt dieser Leitung, nur wenige Schritte von der Lage der Paulinerkirche am Papendiek entfernt.

Die Kuppel über der Rotunde war ursprünglich eher Schmuck. Zwischen 1886 und 1888 wurde sie zu einer echten Drehkuppel umgebaut und mit einem Heliometer von 16,2 Zentimetern Öffnung ausgestattet. Im Zweiten Weltkrieg verzog sie sich durch eine Luftmine und wurde 1964 stillgelegt. Ein Verein aus Göttinger Firmen und Privatleuten brachte sie ab 2006 wieder in Gang; seit 2014 lässt sie sich wieder drehen und öffnen.

Von der Forschungsstätte zum Kolleg

Mit Karl Schwarzschild, Direktor von 1901 bis 1909, kam die Astrophysik nach Göttingen. Die Stadt wuchs inzwischen um die Sternwarte herum, und der Himmel wurde heller. Ab 1929 entstand deshalb ein Außenobservatorium auf dem Hainberg. Im Juni 2005 zogen die Astronomen in einen Neubau im Nordbereich der Universität. Damit endete, so die Universität, die 189-jährige Geschichte der Astronomie in der Universitäts-Sternwarte. Zwischen Januar 2007 und November 2008 wurde das Gebäude saniert, wobei man sich am Zustand vor dem Umbau von 1886 bis 1888 orientierte. Seit 2008 ist es Sitz des Lichtenberg-Kollegs und der Graduiertenschulen. Einen Besuch der Sternwarte, des Gauß-Weber-Denkmals auf dem Wall und weiterer Orte der Wissenschaftsgeschichte lässt sich gut mit einem Rundgang durch die Sehenswürdigkeiten in Göttingen verbinden.

Eine Episode aus der Zeit Schwarzschilds verrät, wie viel freier Platz um das Gebäude noch um 1900 lag. 1903 verpachtete der Direktor das Gelände der Sternwarte an eine „weitgehend akademische Tennisgesellschaft“, gegen eine nach den Akten „relativ sehr hohe Pachtsumme“ und mit einem Vertrag, der jede Störung des Beobachtungsbetriebs ausschloss. Wie lange dort tatsächlich Tennis gespielt wurde, geht aus der Darstellung der Universität nicht hervor.