Faszination Astronomie

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1 Faszination Astronomie

2 Arnold Hanslmeier Faszination Astronomie Ein topaktueller Einstieg für alle naturwissenschaftlich Interessierten 2. Auflage

3 Arnold Hanslmeier Graz, Österreich ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013, 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Planung: Margit Maly Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort Astronomie ist eine Wissenschaft, die an die Grenzen geht. Man hat es mit unvorstellbar riesigen Raum- und Zeitdimensionen zu tun, unvorstellbaren heißen und auch kalten Objekten, und selbst in unserem mittlerweile auch durch Satellitenmissionen gut erforschten Sonnensystem gibt es laufend neue Entdeckungen. Dazu kommt noch, dass Astronomen nicht direkt mit ihren Forschungsobjekten arbeiten können. Die einzige Information, die wir über Sterne und Galaxien erhalten, ist deren Strahlung und Position am Himmel. Trotzdem erlauben es die physikalischen Gesetze, über diese Objekte Informationen zu bekommen: Von vielen Sternen und Galaxien wissen wir, woraus sie bestehen, wie alt sie sind, wie weit sie von uns entfernt sind usw. Erkenntnisse der Astronomie haben unser Denken wesentlich beeinflusst. Die Erde ist keineswegs der Mittelpunkt, sondern nur ein winziger Planet im Universum, das unendlich, aber doch endlich ist und das selbst keinen Mittelpunkt besitzt. Wir werden in diesem Buch, das aus einer an der Universität Graz gehaltenen Vorlesung für Studierende aller Fakultäten entstanden ist, astronomische Kenntnisse vermitteln, ohne zu viel auf Physik und Mathematik einzugehen. Etwas tiefergehende Formeln und Textstellen sind vom Rest des Textes getrennt und können, ohne den Zusammenhang zu verlieren, übersprungen werden. Trotzdem soll der Eindruck entstehen, dass astronomische Zahlen belegbar sind und Ergebnis sorgfältiger Messungen. Im ersten Kapitel beschreiben wir die Faszination des Ursprungs des Universums. Moderne Erkenntnisse der theoretischen Physik helfen hierbei und Astrophysik und Physik bringen zusammen neue Erkenntnisse und werfen gleichzeitig auch neue Fragen auf. Wir behandeln Dunkle Materie, das Sonnensystem, die Sonne sowie die Entwicklung der Sterne. Riesige supermassive Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der Galaxien, erstmals ist es möglich, diese durch Beobachtungen nachzuweisen. Seit mehr als 25 Jahren kennen wir auch Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Damit versuchen wir dann am Ende des Buches eine Antwort auf die wohl spannendste Frage der Naturwissenschaften zu geben: Sind wir alleine im Universum? Das Buch wendet sich nicht nur an Studierende, sondern auch an interessierte Laien sowie an alle, die sich mit modernen Erkenntnissen der Naturwissenschaft beschäftigen. Physik, insbesondere Astrophysik, kann extrem spannend sein, ich hoffe, meine Leserinnen und Leser gewinnen durch die Lektüre dieses Buches diesen Eindruck! V

5 VI Vorwort Die vorliegende zweite Auflage dieses Buches berücksichtigt neueste Erkenntnisse von Satellitenmissionen wie z.b. die erste erfolgreiche weiche Landung auf einem Kometen oder spektakuläre Bilder des Zwergplaneten Pluto. Neueste Erkenntnisse der Exoplanetenforschung wurden ebenfalls eingearbeitet. Fehler wurden korrigiert und zahlreiche neue Abbildungen eingeführt um das Verständnis zu erleichtern. Danksagung: Ich bedanke mich bei Frau Bettina Saglio und Frau Meike Barth vom Spektrum Verlag für die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Meiner Lebensgefährtin Anita danke ich für zahlreiche Diskussionen und ihre Geduld. Februar 2016 Arnold Hanslmeier

6 Inhaltsverzeichnis 1 Kräfte, die das Universum bestimmen Die Gravitation Newton und der Apfel Wo hört die Schwerkraft auf? Wie das Sonnensystem zusammenhält Vom Planetensystem zum Universum Die elektromagnetische Kraft Ladungen Das Coulombgesetz Atome Miniaturplanetensysteme Elektrizität + Magnetismus = Elektromagnetismus Plasma der häufigste Materiezustand im Universum Die starke und die schwache Kraft Was hält Atomkerne zusammen? Die schwache Kraft Elementarteilchen Wechselwirkungen Elementarteilchen Beschreibung Quarks und Hadronen Wir bauen ein Universum Der Urknall Wie alles begann Die Galaxienflucht Vermessung des Universums Hubble Der Blick in die Vergangenheit Galaxienflucht Die Expansion des Universums Sind wir der Mittelpunkt? Das Universum dehnt sich aus Das Alter des Universums VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis 2.3 Der heiße Urknall Das Universum und der Kühlschrank Die Hintergrundstrahlung Hintergrundstrahlung und Rotverschiebung Temperaturschwankungen im frühen Universum Dunkle Materie Die Entstehung der Elemente Kernfusion am Anfang Elemente schwerer als Helium Das frühe Universum Die Superkraft Das inflationäre Universum Zeitskala Die Zukunft des Universums Masse und Energie Das nichtleere Vakuum Materie und Raum Energie und Masse Urknall und Planck-Ära Das Universum und Teilchen Bosonen-Ära Quark-Ära Hadronen-Ära Leptonen-Ära Das Universum wird durchsichtig Die Welt der Planeten Allgemeine Eigenschaften der Planeten Masse und Radius Entfernungen Temperaturen, Atmosphären Wie sehen wir Planeten am Himmel? Die erdähnlichen Planeten Erde Merkur Venus Mars Zusammenfassung: Warum so unterschiedlich? Die Riesenplaneten Jupiter Saturn Uranus und Neptun... 82

8 Inhaltsverzeichnis IX Zusammensetzung: Riesenplaneten Die Monde der Planeten Unser Mond Die Monde des Mars Die Jupitermonde Weitere Monde des Jupiters Saturnmonde Die Monde des Uranus und Neptun Zusammenfassung Zwergplaneten und Kleinkörper Asteroidengürtel im Sonnensystem Asteroidengürtel, Hauptgürtel Kuipergürtel Die Oort sche Wolke Kleinplaneten, Asteroiden Beobachtung Trojaner Erdbahnkreuzer, sind wir in Gefahr? Kometen Hilfe, der Komet kommt Periodische Kometen Was sind Kometen? Kometenimpakte Woher kommen die Kometen? Zwergplaneten Pluto Weitere Zwergplaneten Meteoroiden Sternschnuppen Meteorströme Die Mechanik des Himmels Die Mondbahn Sonnen- und Mondfinsternisse Erdachse und Kreisel Die Präzession Nutation Der Jahreslauf der Sonne Planetenbahnen Die Keplergesetze Stabilität der Planetenbahnen

9 X Inhaltsverzeichnis 6 Die Sonne der Stern, von dem wir leben Die Sonne Grunddaten Die Sonne von der Erde aus Masse und Größe der Sonne Wie heiß ist es auf der Sonne? Beobachtungen der Sonne Die Sonne das Innere Woher nimmt die Sonne ihre Energie? Sonnenbeben Neutrinos Geisterteilchen von der Sonne Energietransport Energietransport durch Strahlung Konvektion Die Oberfläche der Sonne Randverdunklung Sonnenflecken Granulation Fackeln Die obere Atmosphäre der Sonne Das große Rätsel der Sonnenphysik Chromosphäre Die Korona Die veränderliche Sonne Der Aktivitätszyklus der Sonne Beeinflusst die Sonne unser Wetter? Sonnenwind und Heliosphäre Sonne und Weltraumwetter Sterne Entstehung, Aufbau und Entwicklung Was ist ein Stern? Sterne Braune Zwerge Planeten Physikalische Eigenschaften von Sternen Die Helligkeit der Sterne Scheinbare Helligkeit Absolute Helligkeit Spektralklassen Klassifikation der Sterne Riesen und Zwerge Sternentwicklung Die Entwicklung unserer Sonne Wie lange leben Sterne? Rote Riesen und Überriesen

10 Inhaltsverzeichnis XI Wolf-Rayet-Sterne Planetarische Nebel Weiße Zwerge Die Entstehung von Sternen Das Sonnensystem Molekülwolken Kollaps eines Protosterns T-Tauri-Sterne und Sternenwinde Bildung von Planetensystemen in Scheiben Entwicklung massereicher Sterne Kernfusion in massereichen Sternen Eine Supernova bricht aus Der Crabnebel: ein Supernovaüberrest Pulsare Magnetar Supernovae Typ I Schwarze Löcher Die Welt der Galaxien Unsere kosmische Heimat: die Milchstraße Was ist die Milchstraße? Wie viele Sterne gibt es in der Milchstraße? Die Rotation der Milchstraße und Dunkle Materie Der Aufbau der Milchstraße Das Monster im Zentrum Die Galaxis eine Spiralgalaxie Galaxien Bausteine des Universums Die wahre Natur der Nebel Typen von Galaxien Warum gibt es unterschiedliche Arten von Galaxien? Zusammenstoßende Galaxien Aktive Galaxien Seyfertgalaxien Quasare Gravitationslinsen Galaxienhaufen Die Lokale Gruppe Der Virgo-Haufen Coma-Haufen

11 XII Inhaltsverzeichnis 9 Leben im Universum? Was ist Leben? Definition des Lebens Entstehung des Lebens auf der Erde Die Schutzschirme der Erde Habitable Zonen Was ist eine habitable Zone? Zirkumstellare habitable Zonen Zirkumplanetare habitable Zonen Galaktische habitable Zone Wie findet man Exoplaneten? Transitmethode Radialgeschwindigkeitsmethode Sterne ändern ihre Position Satellitenmissionen Wieviele Exoplaneten wurden gefunden Sind wir alleine im Universum? Drake-Gleichung SETI und andere Projekte Die Geschichte des Universums in einem Tag Sachverzeichnis

12 Tabellenverzeichnis Tab. 2.1 Auf ein Jahr skalierte Entwicklungsgeschichte des Universums Tab. 3.1 Oppositionen der Planeten Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.. 56 Tab. 3.2 Die großen Planeten. D Äquatordurchmesser, v e Entweichgeschwindigkeit Tab. 3.3 Die vier Galileischen Jupitermonde und Daten für unseren Mond zum Vergleich Tab. 4.1 Bekannte Meteorströme Tab. 7.1 Vergleich Sonne Erde Jupiter Tab. 7.2 Hauptreihensterne XIII