Friedrich Wilhelm Bessel

Familie

Bessel wurde 1784 als Sohn des Justizrates Carl Friedrich Bessel im westfälischen Minden geboren, der zu dieser Zeit als Regierungssekretär im preußischen Staatsdienst beschäftigt war. Die kinderreiche Familie (drei Söhne und sechs Töchter) lebte in bescheidenen Verhältnissen. Bessels Brüder schlugen eine juristische Laufbahn ein und wurden später Landgerichtspräsidenten in Kleve bzw. Saarbrücken.

Bessel heiratete im Oktober 1812 Johanna Hagen (1794-1885), die Tochter von Karl Gottfried Hagen. Das Paar hatte fünf Kinder:

• Wilhelm (1814–1840)
• Johanne Marie (1816–1902), verheiratet mit Georg Adolf Erman
• Friederike Elisabeth (1820–1913), verheiratet mit Heinrich Lorenz Behrend Lorck
• Johanna (1826–1856), verheiratet mit Adolf Hermann Hagen
• (Sohn) (*/† 1837)

Schulzeit und Lehrjahre

Nach eigener Aussage war es eine starke Abneigung gegen den Lateinunterricht, die zum Abbruch der Schullaufbahn führte, nachdem er das Mindener Gymnasium (heute: Ratsgymnasium Minden) bis zur Untertertia besucht hatte. Unterstützung fand er bei einem seiner Gymnasiallehrer, dem Conrector Johann Conrad Thilo.[1], der ihm die ersten Kenntnisse in den Naturwissenschaften vermittelt und seine besondere Begabung für die Mathematik erkannt hatte. Bessel verließ mit 14 Jahren die Schule und erhielt Privatunterricht in Mathematik und Französisch.

1799 wurde er Lehrling im angesehenen Handelshaus Kulenkamp & Söhne in Bremen, wo er sich zu sieben Jahren unentgeltlichen Lehrdienstes verpflichtete. Er erwarb rasch das Vertrauen seiner Vorgesetzten und erhielt ab dem zweiten Jahr ein Gehalt, das er u. a. in Bücher investierte. Er arbeitete auf dem Gebiet des Überseehandels und strebte zunächst die Stelle eines Cargadeurs (Frachtbegleiter) an, um an einer Expedition nach Übersee teilnehmen zu können. Deshalb versuchte er, sich jenes Wissen anzueignen, das ihm für diese Tätigkeit nützlich erschien – und das schloss Fremdsprachen wie Englisch und Spanisch ein, sowie Kenntnisse in der Nautik, insbesondere der Navigation. Die Beschäftigung mit dieser Steuermannskunst brachte ihn schließlich zur Astronomie.

Bessels Weg zur Astronomie

Um sich in der Navigation kundig zu machen, studierte Bessel die Anleitung zur geographischen Ortsbestimmung des Astronomen Johann von Bohnenberger. Für das Verständnis fehlten ihm zunächst die mathematischen Grundlagen, doch war er imstande, sie sich mit einem Lehrbuch in kurzer Zeit zu erarbeiten. In der Praxis ist ein Navigator auf Instrumente für die Messung von Höhenwinkeln von Sternen angewiesen, doch solche waren für Bessel finanziell unerschwinglich. Mit Hilfe eines Tischlers und eines Uhrmachers baute er sich einen Sextanten selbst und erdachte zur Zeitbestimmung die (später so genannte) Zirkummeridian-Methode mit zwei Sternen in etwa gleicher Höhe. Als er mit seinem kleinen Fernrohr eine Sternbedeckung am dunklen Mondrand beobachtete, reizte es den jungen Amateurforscher, daraus die geographische Länge von Bremen zu berechnen. Einige dafür notwendige Messungen aus anderen Ländern fand er in der von Baron Franz Xaver von Zach im Jahre 1800 gegründeten Fachzeitschrift Monatliche Correspondenz und dem Astronomischen Jahrbuch von Johann Elert Bode.

Förderung durch Heinrich Wilhelm Olbers

Bei seinen Studien stieß Bessel auf Thomas Harriots Beobachtungsdaten zum Kometen von 1607, der später als Halleyscher Komet bekannt wurde. Dies erweckte in ihm den Wunsch, die Bahn dieses Himmelskörpers zu berechnen. Die dazu nötigen Kenntnisse fand er in Jérôme Lalandes Buch Lehrbegriff der Astronomie und in der von Wilhelm Olbers 1797 veröffentlichte Abhandlung zur Bahnbestimmung von Kometen.

Olbers lebte ebenfalls in Bremen, wo er als Arzt praktizierte. So ergab sich für Bessel die Möglichkeit, mit Olbers direkt in Kontakt zu treten. Am 28. Juli 1804 sprach er ihn auf der Straße an und bat, ihm seine Berechnungen vorlegen zu dürfen. Bessel stieß beim aufgeschlossenen Olbers auf Interesse und gewann in ihm einen Mentor. Olbers erkannte Bessels Talent und förderte ihn, indem er ihm astronomische Schriften zukommen ließ.

Bessel als Astronom

Nach Beendigung seiner Lehrzeit gab der 21–jährige Bessel den Kaufmannsberuf auf und wurde 1806 Nachfolger Karl Ludwig Hardings als Inspektor an der privaten Sternwarte von Johann Hieronymus Schroeter im nahegelegenen Lilienthal. In dieser Zeit entstand eine enge Verbindung zu Carl Friedrich Gauß, der durch einen umfangreichen Briefwechsel dokumentiert wird.[2]

Am 6. Januar 1810 wurde er vom preußischen König Friedrich Wilhelm III. zum ersten Professor für Astronomie an der Albertus-Universität Königsberg und zum Direktor der noch zu errichtenden Sternwarte ernannt, ohne die oberen Klassen eines Gymnasiums besucht, eine Abiturprüfung abgelegt, studiert, promoviert oder habilitiert zu haben. Im Mai 1810 kam Bessel in Königsberg an und kümmerte sich dort um den Bau der Sternwarte, die im September 1813 fertiggestellt wurde.

In Königsberg widmete sich Bessel hauptsächlich der astronomischen Forschung. Die Sternwarte wurde mit modernen Instrumenten ausgestattet, so dass genaue Sternörter gemessen und daraus die Eigenbewegungen der Sterne berechnet werden konnten. In 61 Cygni erkannte Bessel einen Schnellläufer und vermutete, dass er zu den nächsten Sternen gehören müsse. Mit dem Fraunhofer’schen Heliometer begann Bessel 1837 eine lange Messreihe mit 3.000 Einzelbeobachtungen der Parallaxe. Damit gelang ihm 1838 die erste zuverlässige Entfernungsbestimmung eines Sterns.[3]

1840 starb sein Sohn Wilhelm im Alter von 26 Jahren, was für Bessel ein sehr schmerzhafter Verlust war. 1842 führte ihn eine Reise nach Großbritannien, wo er in Manchester an einer wissenschaftlichen Konferenz teilnahm, und nach Frankreich, aber schon im Oktober 1844 machte ihn eine schwere Krankheit unfähig zur wissenschaftlichen Arbeit. Er starb am 17. März 1846 und wurde auf dem Gelehrtenfriedhof in Königsberg beerdigt.

Astronomie

In Lilienthal begann Bessel mit der Erarbeitung eines Sternkatalogs, der 1818 fertiggestellt wurde. Sein Ausgangsmaterial war eine Liste von über 3000 Sternen, deren Positionen der englische Astronom James Bradley in den Jahren 1750 bis 1761 mit Hilfe eines Mauerquadranten gemessen hatte. Die gelisteten Sternörter können noch nicht als Sternkatalog gelten, da sie auf Grund zahlreicher Einflüsse mit Fehlern behaftet sind: 1. durch die Bewegung der Erde im Sonnensystem (Präzession, Nutation, Aberration), 2. durch die Erdatmosphäre (Refraktion) und 3. durch Fehler der benutzten Geräte (Mauerquadrant, Uhr). Außerdem verändern die Sterne ihre relative Position zueinander. Bessel ermittelte die Größen dieser Einflussfaktoren aus dem Datenmaterial der Bradley-Liste heraus, wodurch die bis dahin bekannten Werte deutlich verbessert wurden. Auf dieser Grundlage reduzierte er die Bradley-Daten, d.h. er berechnete die wahren Sternörter für das Jahr 1755 und gab sie unter dem Titel "Fundamenta Astronomiae"[4] 1818 heraus. Als grundlegendes wissenschaftliches Werk erschien es in lateinischer Sprache, für die Bearbeitung hatte Bessel in Königsberg sprachkundige Helfer.[5]

Nachdem Bessel für die Königsberger Sternwarte einen Meridiankreis von Reichenbach anschaffen konnte, begann er die Beobachtungsarbeit zu einem eigenen Sternkatalog, der die bisher vorhandenen an Fülle und Genauigkeit übertreffen sollte. Er teilte den Himmel in Zonen von jeweils 2 Grad Deklination ein, in denen er systematisch die gefundenen Sterne bis zur 9.Größenklasse "beobachtete", d.h. die Koordinaten für Rektaszension und Deklination maß. Bessel beschränkte den räumlichen Bereich der Beobachtungen zunächst auf das Himmelsgebiet von -15° bis +15° Deklination, also den engeren Bereich um den Himmelsäquator. Diese Region war schon dadurch interessant, dass in ihr am ehesten die Auffindung bisher unentdeckt gebliebener Planeten zu erwarten war. Später dehnte Bessel den Beobachtungsbereich bis auf +45° Deklination aus. Insgesamt wurden etwa 75000 Sterne registriert.

Dieses Unternehmen fand später seine Fortsetzung in der Bonner Durchmusterung von Argelander, der in der Anfangszeit der Zonenbeobachtungen Bessels Assistent war.

Zur Förderung der astronomischen Arbeit ist es hilfreich, die Sternpositionen nicht nur in Katalogen zu erfassen. Bessel regte 1825 bei der Preußischen Akademie der Wissenschaften an, das in den Sternkatalogen gelistete Material in Sternkarten nach einheitlichem Muster kartographisch darzustellen, wozu er auch gleich ein Musterblatt vorlegte. Damit das Projekt wegen des enormen Arbeitsumfangs in überschaubarer Zeit fertig gestellt werden konnte, sollte es unter der Leitung der Berliner Akademie auf verschiedene in- und ausländische Sternwarten verteilt werden. Bessel täuschte sich allerdings über den Zeitbedarf, die Akademischen Sternkarten lagen erst 1859 vollständig vor.[6]

Mit den genaueren Sternkatalogen und -karten standen nun auch die Mittel zur genaueren Bahnbestimmung schnell beweglicher Himmelskörper (Planeten, Kometen) zur Verfügung. Insbesondere der Uranus, den Herschel 1783 als Planeten erkannt hatte, erwies sich als schwieriges Objekt, da seine beobachtete Bahn nicht mit himmelsmechanischen Berechnungen in Einklang zu bringen war. Bessel befasste sich eingehend mit diesem Problem und entwarf eine Arbeitshypothese, die eine Modifizierung des Gravitationsgesetzes beinhaltete.[7] Da diese Überlegung in eine Sackgasse führte, verzichtete Bessel auf eine Publikation und schloss sich später der herrschenden Meinung der Astronomen an, dass die störenden Einflüsse auf die Uranusbahn von einem unbekannten Himmelskörper verursacht werden. Dazu ließ er seinen Studenten Wilhelm Flemming (1812-1840) die Uranusbahn neu berechnen. Dessen früher Tod und Bessels eigene Krankheit verhinderten eine Fortführung des Projekts. Nachdem Le Verrier und Adams den vermutlichen Ort des Himmelskörpers, des Neptun, berechnet hatten, konnte er von Galle am 23. September 1846 mit Hilfe eines noch unveröffentlichten Blattes der von Bessel angeregten Berliner Akademischen Sternkarten gefunden werden.

Als Pionierarbeit gilt jedoch die Entfernungsbestimmung des Fixsterns 61 Cygni durch die erstmals gelungene Messung einer jährlichen Parallaxe. Schon Kopernikus und Kepler hatten erkannt, dass im Rahmen des heliozentrischen Systems ein Parallaxeneffekt auftreten müsste: nahe gelegene Sterne müssten vor dem Hintergrund weit entfernter Sterne durch die Umdrehung der Erde um die Sonne im Jahresverlauf eine andere scheinbare Position einnehmen. Trotz intensiver Suche konnte dieser Effekt jedoch bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts nicht zuverlässig nachgewiesen werden.

Bessel stellte sich ebenfalls dieser Herausforderung, die aus drei Teilproblemen besteht. Erstens musste ein dem Sonnensystem möglichst nahe gelegener Stern gefunden werden, der zur Untersuchung lohnend war. Zweitens musste die Messung wegen der Kleinheit des Effekts mit größter Präzision durchgeführt und drittens mathematisch ausgewertet werden.

Als Beobachtungsobjekt wählte Bessel nicht, wie andere Parallaxensucher vor ihm, einen möglichst "hellen" Stern, von dem man annahm, dass er auch nah war, sondern mit dem wenig auffälligen 61 Cygni einen Schnellläufer, der im von Bessel bearbeiteten Bradley-Katalog eine große Eigenbewegung zeigte und deshalb nah sein musste. Messtechnisch günstig war auch, dass er als Zirkumpolarstern fast ganzjährig gut beobachtet werden konnte. Wegen der schnellen Positionsveränderung dieses Sterns am Sternenhimmel genügte es nicht, seine Positionen im halbjährlichen Abstand zweimal zu messen. Es war vielmehr erforderlich, die Sternpositionen relativ zu zwei Vergleichssternen über mindestens ein Jahr zu messen, wozu Bessel als ideal geeignetes Instrument das Heliometer von Fraunhofer verwendete. Die jährliche Parallaxe wurde damit nicht direkt gemessen, ihre Größe ist viel zu gering, sondern nur die Positionsveränderung von 61 Cygni. Die Parallaxe musste aus den Bewegungsdaten heraus gerechnet werden. Bessel erhielt den Parallaxenwert von 0″,3136 bei einem mittleren Fehler von 0″,0111. Daraus ließ sich die Entfernung von 61 Cygni zu 10,1 Lichtjahren berechnen. (Als zuverlässig gelten heute die Werte 0″,28588 und 11,4 Lichtjahre.)[8]

Zur gleichen Zeit ermittelten Struve in Dorpat für die Wega und Henderson in Kapstadt für Alpha Centauri mit anderen Methoden ebenfalls die Parallaxen. Alle drei Forscher kamen mit ihren Werten in eine ähnliche Größenordnung und konnten sich damit gegenseitig bestätigen.[9] Mit diesen Ergebnissen hatte man nicht nur die Vorstellung über die kosmischen Größenordnungen erweitern, sondern auch nach der jährlichen Aberration einen zweiten empirischen Beweis für die Richtigkeit des heliozentrischen Systems gewinnen können.

Bei seiner Meridiankreisbeobachtungen bemerkte Bessel 1821, dass sich seine Beobachtungszeiten systematisch von denen seines Assistenten Walbeck um einige Zehntelsekunden unterschieden[10]. Er gilt damit als Entdecker des später als Persönliche Gleichung bekannt gewordenen Phänomens.

Mathematik

Neben seinen astronomischen Arbeiten lieferte Bessel wichtige Beiträge zur Mathematik und zur Geodäsie. Als Hilfsmittel für astronomische Berechnungen entwickelte er eigene mathematische Methoden, bekannt ist hier insbesondere die Besselsche Differentialgleichung, die bei der Berechnung von Bahnstörungen eine Rolle spielt. Die Berechnung der lokalen Gegebenheiten einer Sonnenfinsternis erfolgt auch heute anhand des von ihm entwickelten Prinzips unter Verwendung der Besselschen Elemente.

Geodäsie

Bis zum 19. Jahrhundert war es üblich, dass Astronomen auch geodätische Aufgaben ausführten wegen der teilweise ähnlichen Messverfahren, der umfangreichen mathematischen Auswertungen und der Einarbeitung astronomischer Daten. Bessel ließ sich die Leitung der Vermessung Ostpreußens übertragen,[11] deren eigentliches Ziel darin bestand, das Triangulationsnetz, das Karl von Müffling in den westlichen Landesteilen Preußens erstellt hatte, mit dem Netz zu verbinden, das die westlichen Provinzen Russlands erfasste. Bei dem klassischen Vermessungsverfahren der Triangulation müssen die Lagebeziehungen weit entfernter Punkte zueinander durch Winkelmessung mittels Theodoliten bestimmt werden. Bei der praktischen Durchführung konnte Bessel auf die Unterstützung der preußischen Armee zurückgreifen, die für die Vermessung und Kartographie zuständig war. Als überaus erfolgreich gestaltete sich die Zusammenarbeit mit dem damaligen Hauptmann Johann Jacob Baeyer[12]. Die Messungen wurden in den Jahren 1832 bis 1835 vorgenommen.

Schwieriger als die Winkelmessung gestaltete sich vor der Erfindung optoelektronischer Geräte die Längenmessung. Die Länge mindestens einer Dreiecksseite musste bekannt sein, konnte aber nicht über mehrere Zehner von Kilometern genau gemessen werden. Als Lösung wurde ein Basisvergrößerungsnetz angelegt, bei der ausgehend von einer kurzen, sehr genau vermessenen Linie durch eine eigene Basis-Triangulation die Länge einer Hauptdreiecksseite bestimmt wurde. Zur Längenmessung ließ Bessel nach eigenen Vorstellungen einen Basisapparat anfertigen und bestimmte damit vom 11. bis 16. August 1834 nordwestlich von Königsberg zwischen den Orten Mednicken und Trenk mit äußerster Genauigkeit eine Grundlinie, deren Länge 1822,330 m betrug. Der Basisapparat Typ Bessel wurde in den nächsten Jahrzehnten zum Standardgerät der Längenmessung in der Geodäsie.[13]

Bessel begnügte sich allerdings nicht mit einer bloßen Verbindungstriangulation, die immerhin das letzte Glied einer durchgehenden Vermessungskette von Spanien bis zum nördlichen Eismeer darstellte. Bessel gestaltete die Arbeit von vornherein als eigenständige Gradmessung, bei der die geographischen Koordinaten einiger Messpunkte unabhängig voneinander mit der größtmöglichen Genauigkeit bestimmt werden, in diesem Falle waren es die Endpunkte der Kette in Trunz bei Elbing und Memel sowie die Königsberger Sternwarte. Als Ergebnis konnte Bessel die Abstandslänge eines Breitengrads in der Lage Ostpreußens berechnen. Der Arbeitsbericht erschien 1838 als "Gradmessung in Ostpreußen"[14].

Gewissermaßen als Nebenprodukt des Projekts gelang es Bessel durch die Vereinigung der Resultate seiner Gradmessung mit denen zehn weiterer, weltweit verteilten Gradmessungen die Dimensionen der Erdfigur als Rotationsellipsoids abzuleiten, das allen Messungen so gut wie möglich nahe kommt. Das Bessel-Ellipsoid wurde bis in die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts als Grundlage der topographischen Karten in Deutschland und zahlreichen anderen Staaten verwendet. Genauere Werte wurden erst durch die Satellitengeodäsie erhalten.