Astronomie und Astrophysik

Transkript

1 Alfred Weigert, Heinrich J. Wendker, Lutz Wisotzki Astronomie und Astrophysik Ein Grundkurs 4., völlig überarbeitete und erweiterte Auflage WILEY- VCH WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort XIII 1 Bewegung von Himmelskörpern Gravitationsphysik Das Gravitationsfeld Das Zweikörperproblem - Keplersche Gesetze Bahnbestimmung und Bahngeschwindigkeit Roche-Grenze Bemerkung zu Vielteilchensystemen Starke Gravitationsfelder Koordinatensysteme Das Horizontsystem Äquatorialsysteme Das Ekliptikalsystem Das Galaktische System Bewegung der Erdachse und Koordinatensysteme Lunisolar-Präzession Die astronomische Nutation Die Planetenpräzession Koordinaten-Änderung durch Präzession Astronomie und Zeit Die Sternzeit Die wahre Sonnenzeit Die mittlere Sonnenzeit Ortszeit - Zonenzeit - Weltzeit Das Jahr Präzisionszeitmessungen Sternörter Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen Die Messung von Sternörtern Die Aberration des Lichts Die Parallaxe.. ' 24 2 Strahlung Das elektromagnetische Spektrum Astrophysikalische Messgrößen Intensität und Strahlungsstrom Die astronomische Magnitudenskala 30

3 VI Inhaltsverzeichnis Helligkeitssysteme Farben Weitere Messgrößen Elementare Strahlungsprozesse Emission und Absorption Hohlraumstrahlung Spektrallinien Synchrotronstrahlung Kosmische Teilchen und Gravitationswellen Kosmische Strahlung und Teilchenströme Neutrinos Gravitationswellen Ausbreitung von Strahlung Absorption in Materie Strahlungstransport Dopplereffekt Auswirkungen der Erdatmosphäre Atmosphärische Transmission Refraktion Streuung Szintillation und Seeing" 49 3 Astronomische Instrumente Teleskope Grundlagen Beugung Abbildungsfehler Auflösungsvermögen Astronomische Teleskope Spezielle Teleskoptypen Detektoren Beobachtungstechniken Photometrie Spektroskopie Adaptive Optik Interferometrie Elektronische Bildverarbeitung Observatorien 70 4 Das Sonnensystem Mitglieder und Dimensionen des Systems Bahnbewegungen Planetenbahnen Die Erdbahn Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge 77

4 Inhaltsverzeichnis VII 4.3 Das System Erde-Mond Bewegung um die Erde Bewegung um die Sonne Rotation des Mondes Finsternisse Physik der Planeten Energiebilanz und Oberflächentemperaturen Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären Gesamtaufbau Oberflächenformen terrestrischer Planeten Monde Kleine Körper im Sonnensystem Asteroiden Kometen Trans-Neptun-Objekte Zur Entstehung des Sonnensystems Forderungen an die Kosmogonie Von der protoplanetaren Scheibe zu Planetesimalen Entstehung der Planeten Katastrophenszenarien Extrasolare Planeten Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen Strahlungsleistung Die Leuchtkraft Absolute Helligkeiten Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur Radius, Masse und hieraus abgeleitete Größen Sternradien Masse der Sterne Mittlere Dichte, Schwerebeschleunigung Spektralklassifikation Definition der Spektralklassen Leuchtkraftklassen Praxis der Spektralklassifikation Rotation der Sterne Korrelationen zwischen verschiedenen Messgrößen Hertzsprung-Russell-Diagramm und Farbdiagramme Beziehungen zwischen R, L und M für Hauptreihensterne ' Übersicht über charakteristische Größen von Sternen Veränderliche Sterne Doppelsterne und Mehrfachsysteme Häufigkeiten Hierarchie Bedeckungsveränderliche 134

5 VIII Inhaltsverzeichnis 6 Die Außenschichten von Sonne und Sternen Die Außenschichten der Sonne Die Photosphäre Die Chromosphäre Die Korona Der Sonnenwind Die Aktivität der Sonne Sonnenflecken Andere Aktivitätserscheinungen Radio- und Röntgenstrahlung Aktivität bei anderen Sternen Stellare Magnetfelder Ionisiertes Plasma und Magnetfelder Stellare Dipolfelder Magnetfeld als Energiereservoir Physik der Sternatmosphären Schichtung einer Sternatmosphäre Modellatmosphären Analyse von Sternspektren Prinzipielles zur Spektralanalyse Absorptionsquerschnitt Anregung und Ionisation Absorptionskoeffizient und Sternspektren Die chemische Zusammensetzung der Sternatmosphären Innerer Aufbau der Sterne Grundgleichungen des Sternaufbaues Grundlagen Massenverteilung Mechanisches Gleichgewicht Energiesatz Energietransport Gesamtproblem Materialfunktionen Die Zustandsgieichung Der Absorptionskoeffizient Nukleare Energieerzeugung Wasserstoffbrennen Heliumbrennen Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumbrennen Einfache Stemmodelle Sternmodell für eine Sonnenmasse Hauptreihensterne Weiße Zwerge Sterne mit Konvektion und die Hayashi-Linie 179

6 Inhaltsverzeichnis IX Solare und stellare Neutrinos Helio- und Asteroseismologie Sternentstehung und Sternentwicklung Energiereservoire und Zeitskalen Stern-und Planetenentstehung Gravitativer Kollaps Von Protosternen zu Protoplaneten Vorhauptreihensterne Grenzmassen Braune Zwerge Vom Wasserstoffbrennen zum Heliumbrennen Heliumbrennen Pulsationsveränderliche Endstadien der Sternentwicklung Späte Phasen der Sternentwicklung Weiße Zwerge Supernovae Neutronensterne Pulsare Schwarze Löcher Entwicklung in engen Doppelsternsystemen Bedeckungsveränderliche Äquipotentialflächen Massenaustausch Novae und Zwergnovae Röntgendoppelsterne Das Milchstraßensystem Entfernungsbestimmung Trigonometrische Parallaxen Photometrische Parallaxen Sternhaufenparallaxen Weitere Verfahren Stellarstatistik Leuchtkraftfunktion Massenfunktion der Sterne Anzahl-Helligkeits-Relation Sternzählungen und Extinktion Sterne der Sonnenumgebung Sternhaufen Offene Sternhaufen Assoziationen Kugelsternhaufen Rotation der Milchstraße 229

7 X Inhaltsverzeichnis 9.6 Komponenten des Milchstraßensystems Die galaktische Scheibe und die Spiralarme Der galaktische Halo Das Zentralellipsoid Das galaktische Zentrum Die Sternpopulationen Zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße Interstellare Materie Globale Eigenschaften und Phasen des ISM Diffuse Wolken Die 21 cm-linie des neutralen Wasserstoffs Beobachtungsergebnisse Molekülwolken Übersicht über die Ergebnisse Maser-und Antimaseraktivität Emissionsnebel Strahlung klassischer H n-regionen Ausdehnung und Temperatur von H Il-Regionen Zeitliche Entwicklung von H Il-Gebieten Besondere Emissionsnebel Röntgen-und Synchrotronstrahlung des ISM Interstellare Stoßfronten Diffuse Röntgenstrahlung Synchrotronstrahlung Interstellarer Staub Interstellare Extinktion Thermische Strahlung Herkunft und Zusammensetzung des Staubes Kühlfunktion und Materiekreislauf des ISM Galaxien Extragalaktische Entfernungsbestimmung Standardkerzen Die extragalaktische Entfernungsleiter Die Hubble-Beziehung Klassifikation von Galaxien Globale Eigenschaften Lineardimensionen und Leuchtkräfte Farben und Spektren Massen Dynamischer Aufbau von Galaxien Zur Dynamik von Sternsystemen Rotationskurven von Spiralgalaxien Spiralstruktur Balkenspiralen 292

8 Inhaltsverzeichnis XI Elliptische Galaxien Schwarze Löcher in Galaxienzentren Zeitliche Entwicklung von Galaxien Verlauf der Sternentstehung Materiekreislauf und chemische Entwicklung Leuchtkraftentwicklung Wechselwirkung zwischen Galaxien Galaxien im jungen Universum Aktive Galaxienkerne und Quasare Seyfert-Galaxien Radiogalaxien Quasare Der extragalaktische Röntgenhintergrund Struktur von aktiven Galaxienkernen Energieerzeugung durch Akkretion Die kosmische Entwicklung der Quasare Die Verteilung der Materie im Universum Die Umgebung der Milchstraße Die Lokale Gruppe Die räumliche Verteilung von Galaxien Galaxienkataloge Gruppen, Haufen, Superhaufen Großräumige Struktur der Galaxienverteilung Galaxienstatistik Anzahldichte und radiale Verteilung von Galaxien Leuchtkraftfunktion Entwicklung der Galaxienpopulation Galaxienhaufen Charakterisierung von Haufen Masse und Stabilität Zur Entwicklung von Galaxien in Haufen Dunkle Materie Das intergalaktische Medium Gravitationslinsen Nicht-baryonische Dunkle Materie Kosmologie Das empirische Fundament der Kosmologie Die Expansion des Universums Die kosmische Hintergrundstrahlung Olbers' Paradox Das kosmologische Prinzip Weltmodelle Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik 336

9 XII Inhaltsverzeichnis Zur allgemeinen Relativitätstheorie Grundgleichungen der Kosmologie Rotverschiebung und Distanzen Kosmologische Parameter Expansionsrate und kritische Dichte Materiedichte Strahlungsdichte Raumkrümmung Die kosmologische Konstante Das Alter des Universums Der Urknall und das frühe Universum Bausteine des Kosmos Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter Die Temperatur des Universums Der Hochenergiekosmos; Inflation Entstehung der leichten Elemente Die Entkopplung von Strahlung und Materie Die Entstehung von Galaxien Fluktuationen der Hintergrundstrahlung Wachstum von Dichtekontrasten Strukturbildung im Universum Kollaps und Galaxienentstehung Die ersten Sterne Die Zukunft des Weltalls Leben im Weltall? Suche nach Leben Entwicklung von Leben auf der Erde Suche nach Leben im Sonnensystem Beobachtungsnachweis extrasolarer Zivilisationen Zur Wahrscheinlichkeit extrasolaren Lebens: Die Drake-Formel Bemerkungen zur Raumfahrt Das anthropische Prinzip 375 Farbtafeln 377 Anhang 393 Physikalische Konstanten, Einheiten und Notationen 393 Astronomische Daten, 394 Übungsaufgaben 395 Lösungen der Übungsaufgaben 403 Literatur 406 Abbildungs- und Quellennachweis 409 Register 411