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Geheimnisvolles Leuchten


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 10/2021 vom 10.09.2021

MONATSTHEMA

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 10/2021

Lockruf des Zodiakallichts

Im Sonnensystem fein verteilter Staub lässt sich unter günstigen Bedingungen als ein schwaches Leuchten über dem Horizont beobachten. Es erstreckt sich entlang des gesamten Tierkreises und wird deshalb »Zodiakallicht« genannt. Die Aufnahme erfolgte am Abend des 14. März 2015 vom Jungfraujoch in 3571 Meter Höhe. Belichtet wurden fünf Bilder à 50 Sekunden mit einer Canon EOS 6D bei ISO 6400 durch ein Weitwinkelobjektiv Walimex 14 Milli meter mit Blende 4. Unterhalb der hellen Venus überragt das 2970 Meter hohe Schilthorn die Wolken.

In unserem Sonnensystem befindet sich Staub, viel Staub sogar. Und diese zahllosen winzigen Partikel bilden eine flache Scheibe in der Ebene der Planetenbahnen um die Sonne. Sonnenlicht, das an den Partikeln gestreut wird, verursacht ein Phänomen, das als Zodiakal licht bekannt ist. Es ist benannt nach der scheinbaren jährlichen Bahn ...

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... der Sonne durch den Tierkreis, dem Zodiak. Wir können das Zodiakallicht in den Monaten Februar und März nach Sonnenuntergang über dem Westhorizont und im September und Oktober vor Sonnenaufgang über dem Osthorizont beobachten. Zu diesen Zeiten nimmt die Ekliptik (siehe SuW 4/2021, S. 8) in unseren Breiten einen besonders steilen Winkel zum Horizont ein. Erstmals wissenschaftlich beschrieben wurde das Phänomen im Jahr 1683 von dem Astronomen Giovanni Domenico Cassini (1625 – 1712), der damals Direktor an der Pariser Sternwarte war, sowie durch den Schweizer Mathematiker Nicolas Fatio de Duillier (1664 – 1753).

Um aber etwas zu erkennen, sollte eine gute Durchsicht der Atmosphäre herrschen. Wichtiger noch ist das weitgehende Fehlen der von Menschen gemachten Lichtverschmutzung, und auch Mondlicht darf nicht stören. Gänzlich perfekt müssen die Bedingungen jedoch nicht sein. So haben wir das Zodiakallicht schon im Frühjahr von der belgisch-deutschen Grenze und im Herbst vom Bergischen Land aus beobachten und fotografieren können – Orte die nun wahrlich nicht als sehr dunkel gelten. Dabei blickten wir jeweils in diejenige Richtung, in der die Ekliptik auf den Horizont trifft. Das visuell sichtbare pyramidenförmige Zodiakallicht kann an seiner Basis bis zu 30 Grad breit sein und lässt sich in sehr klaren Nächten bis zu einer Höhe von mindestens 60 Grad über dem Horizont wahrnehmen.

Leuchtender Tierkreis

Vor Sonnenaufgang oder nach Sonnenuntergang sehen wir die hellsten Bereiche des Zodiakallichts, das Morgenbeziehungsweise Abendhauptlicht, als breite, blass leuchtende Pyramiden über dem Horizont. In größerem Sonnenabstand zeigt sich das Leuchten als schmale Lichtbrücke; gegenüber der Sonne verrät es sich an einem sehr dunklen Nachthimmel als so genannter Gegenschein.

Bereits im Jahr 1730 soll der französische Jesuiten-Astronom Esprit Pezenas (1692 – 1776) hoch am Nachthimmel, gegenüber der Sonnenposition, eine sehr lichtschwache Aufhellung bemerkt haben. Alexander von Humboldt beobachtete dieses Phänomen im Jahr 1799 erneut während seiner Überfahrt von Teneriffa nach Südamerika. Er beschrieb das nächtliche Leuchten als Gegenschein – eine Bezeichnung, die sich wörtlich auch im englischen Sprachraum bis heute findet.

Rätselhafter Gegenschein

Eine heute allgemein akzeptierte Erklärung des Gegenscheins schlug der dänische Astronom Theodor Brorsen (1819 – 1895) im Jahr 1854 vor. Er wies darauf hin, dass die von der Sonne beleuchteten Staubpartikel das einfallende Licht nicht gleichmäßig in alle Richtungen, sondern richtungsabhängig streuen: Partikel, die sich außerhalb der Erdbahn befinden, streuen das Licht bevorzugt rückwärts, also in Richtung der Sonne. Im Fall des Gegenscheins befindet sich die Erde genau zwischen der Sonne und den beleuchteten Partikeln, so dass diese uns besonders hell erscheinen.

Zusätzlich verstärkt ein anderer Effekt die beobachtete Helligkeit, der so genannte Oppositionseffekt: Die Partikel des Gegenscheins stehen der Sonne am Himmel gegenüber, also in Opposition. Ebenso wie zur Zeit des Vollmonds befindet sich die Erde hierbei genau zwischen der Sonne und dem reflektierenden Objekt. Wir sehen die Partikel deshalb in ihrer vollen Beleuchtungsphase, mit maximaler Helligkeit, während Partikel abseits davon aus irdischer Sicht nur partiell beleuchtet werden und daher – ähnlich wie der Halbmond – lichtschwächer erscheinen.

Brorsens schwedischer Kollege, der Physiker Svante Arrhenius (1859 – 1927), favorisierte hingegen als Erklärung für den Gegenschein einen möglichen Gasoder Staubschweif der Erde, der wie bei den Kometen von der Sonne weggerichtet sei und entlang seines Verlaufs in der zur Sonne entgegengesetzten Richtung am deutlichsten sichtbar sein müsse. Und der US-amerikanische Fotograf und Astronom Edward Emerson Barnard (1857 – 1923) schlug im Jahr 1882 vor, dass der Gegenschein durch die Erdatmosphäre gelenktes Licht in Richtung des Gegenpunkts der Sonne am Nachthimmel sein könnte.

Nochmals schwächer als der Gegenschein ist ein von Brorsen beschriebenes schmales Lichtband zwischen den beiden Scheiteln der Zodiakallichtpyramide am Abend- und Morgenhimmel: die Lichtbrücke, in deren Mitte der Gegenschein sitzt. Gemeinsam bilden die Pyramide, die Lichtbrücke und der Gegenschein das »Zodiakallichtphänomen«.

Woher kommt der Staub?

Früher nahm man an, dass die Staubteilchen ein Überbleibsel der protostellaren Scheibe seien, aus der Sonne und Planeten entstanden; aber dieses Reservoir allein reicht nicht aus, um das heutige Vorkommen an Staub zu erklären. In den 1960er bis 1980er Jahren wurde das Zodiakallicht mit Spektroskopen und Ultraweitwinkelaufnahmen erforscht: Es galt, die Farbe, Ausdehnung, Helligkeit und Veränderungen des Zodiakallichts zu bestimmen. Lesenswert sind dazu noch heute die Fachartikel der Forscherteams um C. Winkler von der Ruhr-Universität Bochum und Christoph Leinert vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg (siehe den Weblink am Schluss des Beitrags).

Sichtbarkeit des Tierkreislichts

Zwischen Erde und Sonne befinden sich interplanetare Staubteilchen (Punkte), welche unter anderem von Kometen dort hinterlassen wurden. Sie wirken als Streuzentren für das Sonnenlicht, das so über Umwege die Erde trifft und eine kegelförmige, diffuse Lichterscheinung hervorruft: das Tierkreis- oder Zodiakallicht. Auf der Nordhalb kugel hält man am besten im Herbst vor der Morgendämmerung mit Blickrichtung Osten Ausschau (im Bild oben) oder ein halbes Jahr später im Frühling nach der Abenddämmerung mit Blickrichtung Westen (im Bild unten).

Später kamen erdgebundene Beobachtungen mit CCD-Kameras hinzu. Bestimmungen der Albedo des Staubs und Abschätzungen zu dessen Ursprung wurden möglich. So geht man inzwischen davon aus, dass der interplanetare Staub ständig nachgeliefert werden muss. Allerdings sind sich die Forschenden nicht sicher, ob der überwiegende Teil des Staubs aus Kometen stammt, die in das innere Sonnensystem vordringen und dort kohlenstoffhaltige Staubpartikel hinterlassen –, oder ob der Staub im Asteroidengürtel entsteht, wenn Kleinkörper dort kollidieren und hierbei silikatmineralhaltige Staubpartikel freisetzen.

Gleich welchen Ursprungs die Partikel sind: Objekte, die kleiner als 1 / 1000 Millimeter sind, werden durch den Strahlungsdruck der Sonne nach außen geweht. Größere werden hingegen abgebremst und nähern sich auf spiralförmigen Bahnen langsam der Sonne an, bis sie schließlich verdampfen. Dieser Mechanismus ist auch als Poynting-Robertson-Effekt bekannt (siehe SuW 11/2005, S. 6). Er wurde im Jahr 1903 von dem englischen Physiker John Henry Poynting (1852 – 1914) vorhergesagt und von dem US-amerikanischen Physiker Howard Percy Robertson (1903 – 1961) mathematisch beschrieben.

Einen großen Fortschritt bei der Beobachtung des Zodiakallichtphänomens erbrachten Satellitenbeobachtungen, zuerst durch die beiden Helios-Sonnensonden (siehe SuW 5/2019, S. 17), dann mit den interplanetaren Sonden Pioneer 10 und 11 auf ihrem Weg zum Jupiter. Später trugen die Infrarotsatelliten IRAS, ISO, Spitzer und Herschel und der zur Beobachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung gestartete Satellit COBE wesentlich zur weiteren Erforschung bei. Die Missionen ermöglichten im infraroten Spektralbereich eine kontrastreiche Darstellung der Lichtbrücke und offenbarten, dass sie sich in mindestens vier Staubbänder aufspaltet. Zwei davon konnte einer der Autoren dieses Artikels, der Astrofotograf Stefan Binnewies, bereits im Jahr 1989 foto grafisch nachweisen.

Panorama des Zodiakallicht-Phänomens

Diese Gesamtansicht zeigt das Tierkreislicht am Abendhimmel (rechts) bis zum Morgenhimmel (links) über eine ekliptikale Länge von rund 300 Grad hinweg. Das Panorama wurde aus neun Feldern zusammengesetzt. In jedem Feld erfolgten drei Belichtungen von je 120 Sekunden durch eine Canon EOS 6D bei ISO 6400 und ein Weitwinkelobjektiv Sigma 20 mm, abgeblendet auf Blende 3,2. Die Aufnahmen entstanden am 27. und 28. August 2019 auf der Farm Kiripotib in Namibia.

Stefan Binnewies, Rainer Sparenberg

Es handelt sich dabei sehr wahrscheinlich um einen Staubring, der die Sonne umgibt und aus mehreren torusförmigen Schläuchen besteht, die mit verschiedenen Asteroidenfamilien in Verbindung stehen. Solche Familien postu lierte der japanische Astronom Kiyot sugu Hirayama (1874 – 1943) im Jahr 1918, nachdem ihm mehrere Kleinkörper mit ähnlichen Umlaufbahnen aufgefallen waren, die ähnliche Neigungen und Exzentrizitäten aufwiesen. Das jeweils größte Objekt einer solchen Familie verleiht dieser dann ihren Namen. So sollen die Karin- und Veritas-Familien, deren Mitglieder sich in mittleren Entfernungen von 2,9 beziehungsweise 3,2 Astronomischen Einheiten (AE) um die Sonne bewegen, innerhalb der zurückliegenden zehn Millionen Jahre in besonderem Maß für die Staubnachlieferung des Zodiakallichts verantwortlich gewesen sein. Und ältere Staubanteile werden auf Kolli sionen innerhalb der Themis-Familie zurückgeführt, deren Kleinplaneten die Sonne in einer mittleren Distanz von 3,1 AE umrunden.

Mit Kamera und Weitwinkeloptik

Noch vor 20 Jahren war die Fotografie des Zodiakallichts – und erst recht des Gegenscheins – eine seltene Angelegenheit, die als außergewöhnlich schwierig galt. Mit der Zunahme der Lichtverschmutzung ist die Sache eigentlich nicht leichter geworden; dennoch ist es mit aktuell am Markt erhältlichen digitalen Kameras keine Kunst mehr, das Zodiakallicht in guter Qualität abzubilden. Für die Aufnahme des Gegenscheins und der Lichtbrücke sollte die Kamera allerdings nachgeführt werden, denn die Belichtungszeit beträgt hier schon einige Minuten. Auf jeden Fall wird ein Weitwinkelobjektiv mit einer Brennweite von maximal 28 Millimetern im Kleinbildformat benötigt – sonst hebt sich das schwache und kontrastarme Phänomen auf Grund des zu kleinen Gesichtsfelds nicht genügend vom umgebenden Himmelshintergrund ab.

Um Mitternacht steht der Gegenschein am höchsten über dem Horizont, insbesondere im Winter auf der Nordhalbkugel.

Im Dezember und Januar bleibt er jedoch unsichtbar, weil er dann vor dem sternreichen Hintergrund der Wintermilchstraße steht und sich gegen deren Licht nicht durchsetzen kann. Vergleichbares gilt für die Lage des Gegenscheins im Juni und Juli vor der Sommermilchstraße. Wir betrachteten es nun als eine besondere Herausforderung, während einer Nacht dem gesamten Zodiakallichtphänomen zu folgen, von der Abenddämmerung bis zum Morgengrauen.

Als Beobachtungsort wählten wir die Farm Kiripotib in Namibia (siehe SuW 4/2020, S. 79). Unsere Aufnahmen erfolgten in der Nacht vom 27. auf den 28. August 2019, kurz vor Neumond. Als Kamera nutzten wir eine unmodifizierte Canon EOS 6D mit einem Weitwinkelobjektiv vom Typ Sigma Art 20 mm F 1,4 DG HSM. Kamera und Objektiv saßen auf einer Reisemontierung Sky-Watcher Star Adventurer. Bei jeder der 120 Sekunden andauernden Belichtungen wurde die Optik der Himmelsdrehung nachgeführt. Unsere Aufnahmesequenz begann mit dem Ende der Dämmerung und dem ersten Aufnahmefeld unten am Horizont im Westen, das – wie auch alle weiteren Felder – dreimal belichtet wurde. Es folgten sogleich die Felder 2 und 3 bis hinauf zur Milchstraße in Zenitnähe. Dann kam eine Pause bis zur lokalen Mitternacht, während die Milchstraße schon deutlich zum Westhorizont hinabsank.

Nun stand der Gegenschein in Zenitnähe, und die Aufnahmen 4 bis 6 folgten in gleicher Weise wie die Belichtungen am Abendhimmel. Hier gab es einige Verrenkungen der Halswirbelsäule, um die fast senkrecht nach oben gerichtete Kamera weiterhin entsprechend der Ekliptik beziehungsweise der äußerst schwachen Lichtbrücke anhand von Sternpositionen ausrichten zu können. Anschließend folgte wieder eine mehrstündige Pause, und das Kameragehäuse wurde auf dem Kugelkopf um 180 Grad gedreht. Kurz vor Beginn der Morgendämmerung kamen die Felder 7 bis 9 an die Reihe, die mit einem Touchdown der Kameraausrichtung zum Mondaufgang am Osthorizont den Abschluss bildeten.

Alle Aufnahmen speicherten wir im RAW-Format ab; die Gesamtbelichtungszeit betrug 54 Minuten. Pro Feld standen drei Bilder zur Verfügung, die zunächst im Sigma-Combine-Verfahren übereinandergelegt wurden (siehe SuW 8/2021, S. 74). Anschließend fügten wir die Felder mit Photoshop CC zu einem Panorama zusammen (siehe SuW 4/2017, S. 62). Dieser letzte Schritt bedeutet allerdings das Zusammenführen der Bilder ohne die vollständige Korrektur der optischen Verzeichnung: Bedingt durch die Eigenschaften des Weitwinkelobjektivs ändert sich der Bildmaßstab von der Mitte zum Rand des Gesichtsfelds, was ein auf Bogenminuten genaues Ausmessen des Panoramas, vor allem in Richtung der ekliptikalen Länge, verbietet.

Das fertige Panorama beeindruckte uns dennoch mit seiner guten Auflösung, die der Abdruck leider nicht wiedergeben kann (siehe »Panorama des Zodiakallichtphänomens«). Deep-Sky-Objekte wie der Helixnebel NGC 7293 – ein Planetarischer Nebel im Sternbild Wassermann – sind als Ringstruktur aufgelöst, und große Galaxien wie NGC 253 oder NGC 55 geben sich als kleine Spindeln zu erkennen. Des Weiteren verraten sich die zahlreichen geostationären Satelliten, die einen Ring um die Erde bilden, als eine dünne Lichterkette am Nachthimmel, welche die Ekliptik in einem Winkel von 23,5 Grad schneidet.

Faszinierend scharf tritt insbesondere die obere, nördliche Kante der Lichtbrücke im Panorama hervor. Das ist keine Einbildung, was sich leicht überprüfen lässt, indem man das Bild um 180 Grad dreht. Schaut man mit etwas Abstand auf die Lichtbrücke, so offenbart sich diese als ein in der Mitte geringfügig abgeschwächter Doppelstrang.

Galaktische Nebel im Hintergrund

Dieser in ekliptikaler Breite etwas weiter gefasste Ausschnitt aus dem Panorama wurde invertiert und kontrastgesteigert. Auf diese Weise lassen sich galaktische Gas- und Molekülwolken, kurz MBM-Wolken erkennen, die mit dem Leuchten des Gegenscheins und der Lichtbrücke interferieren, so dass diese morphologisch verfälscht erscheinen können.

Stefan Binnewies, Rainer Sparenberg

Wie oben erwähnt, zeigen sich so – wenn auch gegenüber einer IR-Satellitenbeobachtung deutlich kontrastärmer – zwei der reifenförmigen von Asteroidenfamilien unterhaltenen Staubbänder. Die Breite der Lichtbrücke wurde von uns zu 7,8 ± 0,5 Grad bestimmt. Zum Bildrand nach rechts und links scheint sie etwas abzunehmen, was auch zu erwarten ist, sind die Staubbänder dort doch ein gutes Stück weiter von der Erde entfernt als in Richtung zum Gegenschein. Der Gegenschein selbst tritt deutlich zu Tage; sein Helligkeitszentrum überlagert die nördliche Hälfte des Staubbandes. Dieses Phänomen konnten wir schon mehrfach nachweisen – immer dann, wenn wir den Gegenschein in den Sternbildern Wassermann oder Fische fotografiert haben. Dieser Abschnitt des Tierkreises, der auf der Nordhalbkugel der Erde im Spätsommer und Frühherbst um Mitternacht seine Höchststellung im Süden erreicht, entspricht einer mittleren ekliptikalen Länge 330 bis 20 Grad.

Genau andersherum verhält es sich, wenn der Gegenschein im Löwen oder in der Jungfrau steht, bei einer mittleren ekliptikalen Länge von 140 bis 210 Grad. In diesem Fall liegt dessen Helligkeitsmaximum auf der südlichen Hälfte der Lichtbrücke. Ob dies, wie auch der scharfe nördliche Rand der Lichtbrücke, aktuell mit möglichen Störungen durch Jupiter zusammenhängt, welche die Staubpartikel räumlich eingrenzen, können wir nur vermuten. Vielleicht liegt es aber auch daran, dass wir leicht schräg durch die Staubbänder der Lichtbrücke schauen, denn diese liegen ja nicht genau in der Erdbahnebene.

Der invertierte, kontrastgesteigerte und in Schwarzweiß dargestellte Ausschnitt mit etwas mehr Gesichtsfeld nach Norden und Süden offenbart aber noch weitere Einzelheiten (siehe »Galaktische Nebel im Hintergrund«). Er lässt die parallel zum Himmelsäquator verlaufende Kette der geostationären Satelliten deutlicher erkennen. Zudem zieren mehrere dunkle, zum Teil wurmförmige Flecken den Himmel: galaktische Molekülwolken, wie sie sich unter anderem in entsprechenden Katalogen von Loris Magnani, Leo Blitz und Lee Mundy wiederfinden (MBM-Nebel). Auch unmittelbar nördlich des Gegenscheins befindet sich im Wassermann eine solche schwach leuchtende Molekülwolke. Sie setzt ihm einen nach Norden gerichteten »Stummelschweif« auf; eine Struktur, die leicht falsch interpretiert werden kann.

Zum Schluss lohnt eine nochmalige genauere Betrachtung des Schwarzweiß- Bildes aus etwas größerem Abstand. Dann zeigen sich nämlich ganz schwach – im Norden, etwas abgesetzt von der knapp acht Grad breiten Lichtbrücke, im Süden direkt neben ihr – zwei weitere sehr schwache Staubstreifen über eine Nord- Süd-Ausdehnung von 36 ± 2 Grad. Möglicherweise liegen sie näher an der Erde – oder leuchtet dort vielleicht der ältere Staub, den die Familie der Themis-Asteroiden hinterlassen hat?

Herausforderung für Astrofotografen

Inwieweit die von uns fotografierten Phänomene längere Zeit Bestand haben, ist noch ungeklärt. Amateurastronomen können jedoch helfen, diesbezüglich Antworten zu finden. Die Himmelsaufnahmen sollten nur immer wieder und über einen längeren Zeitraum, beispielsweise einen rund zwölf Jahre dauernden Jupiterumlauf, und mit möglichst der gleichen Ausrüstung angefertigt werden. Das Ganze muss dann auch noch an einem sehr dunklen Standort mit guter Transparenz der Erdatmosphäre erfolgen – was wirklich nicht einfach ist, wenn man unter einem solchen Himmel nicht seinen Wohnsitz hat.

STEFAN BINNEWIES ist Int ernist und Pneumologe. Er promovierte 1997 und ist in einer freien Arztpraxis t ätig. Seit mehr als 30 Jahren ist er begeisterter Amateurastronom mit den Interessenschwerpunkten Astrofotografie und Finsternisexkursionen. Zusätzlich wirkt er an astronomischen Buchprojekten mit.

RAINER SPARENBERG interessiert sich seit 1985 für die Astrofotografie und ist langjähriges Mitglied der Fachgruppe Astrofotografie d er deutschlandweiten Vereinigung der Sternfreunde e. V. (VdS). Seit zehn Jahren ist er auch an der EXPO-Sternwarte im niedersächsischen Melle beteiligt und unternimmt astronomische Exkursionen ins In-und Ausland.

Literaturhinweise

Bastian, U.: Poynting-Robertson-Effekt. Sterne und Weltraum 11/2005, S. 6

Binnewies, S.: Splitting the zodiacal light. The ESO Messenger 64, 1991

Binnewies, S., Sparenberg, R.: Astrofotografie auf der Farm Kiripotib. Sterne und Weltraum 4/2020, S. 79 – 85

Cassini, G. D.: Découverte de la lumière célèste qui paroist dans Zodiaque.

Mémoires de l’Académie Royale des Sciences. Tome VIII (1666 – 1699), Paris 1730

Ishiguro, M. et. al.: High-resolution imaging of the Gegenschein and the geometric albedo of interplanetary dust. The Astrophysical Journal 767, 2013

Krüger, H., Grün, E.: Dust in the solar system. In: Spohn, T. et al. (Hrsg.):

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Leinert, C.: Zodiacal light –a measure of the interplanetary environment.

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Leinert, C., Pitz, E.: Zodiacal light observed by Helios throughout solar cycle No. 21: Stable dust and varying plasma. Astronomy & Astrophysics 210, 1989

Lemke, D.: Staub, Ruß, Wasser und Eis:

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Magnani, L. et al.: Molecular gas at high galactic latitudes. The Astrophysical Journal 295, 1985

Schröder, K.-P.: Zodiakallicht: Günstig am Abendhimmel. Sterne und Weltraum 2/2018, S. 64 – 66

Sparenberg, R.: Himmelspanoramen selbst fotografieren. Sterne und Weltraum 4/2017, S. 62 – 69

Sykes, M. V.: The zodiacal dust cloud and its sources. Dust in the solar system.

In: Spohn, T. et al. (Hrsg.): Encyclopedia of the Solar System. Elsevier, 2014

Winkler, C. et al.: Die Symmetrieebene des Zodiakallichtes und die Struktur des Gegenscheins. Astronomy & Astrophysics 143, 1985

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