Einführung in die Astronomie und Astrophysik I

Transkript

1 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Teil 3 Jochen Liske Fachbereich Physik Hamburger Sternwarte jochen.liske@uni-hamburg.de

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4 Astronomische Nachricht der Woche

5 Astronomische Nachricht der Woche Parker Solar Probe (NASA)

6 Astronomische Nachricht der Woche

7 Themen Einstieg: Was ist Astrophysik? Koordinatensysteme Astronomische Zeitrechnung Sonnensystem Gravitation Keplersche Gesetze Himmelsmechanik Gezeiten und Finsternisse Strahlung Helligkeiten Teleskope und Instrumente Extrasolare Planeten Charakterisierung von Sternen Sterne: Äußere Schichten Sterne: Innerer Aufbau

8 Das Sonnensystem

9 Das Sonnensystem 1 Stern 8 Planeten 5 11 bekannte Zwergplaneten, insgesamt mehrere 100? 146 Monde um Planeten (+27 Kandidaten) + Monde um Zwergplaneten, Asteroiden, etc. Asteroiden Kometen Meteroiden

10 ~in Ekliptik Struktur des Sonnensystems Innere Planeten Asteroidengürtel Äußere Planeten Kuipergürtel Heliosphäre Oortsche Wolke?

11 Struktur des Sonnensystems Entfernungen logarithmisch!

12 Die Sonne Hauptreihenstern der Spektralklasse G2V M ʘ = 1.99 x kg (= 99.8 % der Masse des Sonnensystems) R ʘ = 6.96 x 10 8 m ρ ʘ = 1.41 x 10 3 kg/m 3 (mittlere Dichte) L ʘ = 3.85 x W T eff = 5777 K Alter = ca. 4.6 x 10 9 a Differenzielle Rotation P = d Besteht zu 73.5 % aus H, 24.9 % He, +... Ein ziemlich durchschnittlicher Stern

13 Nomenklatur babylonische Verwirrung? Kleinkörper Kleinplanet Zwergplanet Planetoid Komet Asteroid Meteoroid Meteor Mond TNO (Transneptunian Object) Meteorit Planet KBO (Kuiper Belt Object)

14 Aktuelle Definitionen Definition der Internationalen Astronomischen Union (2006): The IAU therefore resolves that planets and other bodies in our Solar System, except satellites, be defined into three distinct categories in the following way: 1. A "planet" is a celestial body that (a) is in orbit around the Sun, (b) has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly round) shape, and (c) has cleared the neighbourhood around its orbit. 2. A "dwarf planet" is a celestial body that (a) is in orbit around the Sun, (b) has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly round) shape, (c) has not cleared the neighbourhood around its orbit, and (d) is not a satellite. 3. All other objects, except satellites, orbiting the Sun shall be referred to collectively as "Small Solar-System Bodies".

15 Nomenklatur babylonische Verwirrung? Kleinkörper Kleinplanet Zwergplanet Planetoid Komet Asteroid Meteoroid Meteor Mond TNO (Transneptunian Object) Meteorit Planet KBO (Kuiper Belt Object)

16 Nomenklatur babylonische Verwirrung?

17 Planeten

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19 Terrestrische Planeten Merkur, Venus, Erde, Mars Fester Aufbau: rocky planets Hohe Dichten: 4 5 g/cm 3 Massen: M Terr 1 M Entfernung zur Sonne: a 1.5 AU Merkur Venus Erde Mars

20 Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun Gasbälle mit festem Kern Geringe Dichten: g/cm 3 Massen: M Entfernung zur Sonne: a 5.2 AU

21 Rotationsachsen 58.7 d 243 d 1 d 1 d 10 h 10.7 h 17.2 h 16.1 h

22 Temperatur der Planeten Temperatur bestimmt Atmosphäre (chemische Zusammensetzung, Aggregatszustand, Dichte,...) Atmosphäre bestimmt Temperatur Komplexes Wechselspiel zwischen Temperatur und Atmosphäre Beispiel: Treibhauseffekt

23 Abschätzung der Oberflächentemperatur Aus der Energiebalance zwischen Sonneneinstrahlung und Abstrahlung entsprechend der Oberflächentemperatur des Planeten Annahme: keine innere Energiequelle Nicht immer zutreffend: Erde: Radioaktivität Jupiter: Kontraktion Abstrahlung bestimmt durch: Gesetze der Thermodynamik Thermodynamisches Gleichgewicht Hohlraumstrahlung ( Schwarzer Körper ) Strahlung hängt nur von T ab Temperatur Sonne Einstrahlung Sonne Abstrahlung Planet Temperatur Planet

24 Abschätzung der Oberflächentemperatur Schwarzkörperstrahlung (Planck-Verteilung): λ: Wellenlänge T: absolute Temperatur k B : Boltzmann-Konstante h: Planck-Konstante c: Lichtgeschwindigkeit

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26 Abschätzung der Oberflächentemperatur Wellenlänge des Maximums (Wiensches Verschiebungsgesetz): Beobachtung der Sonnenhelligkeit bei verschiedenen λ λ max T ʘ Gesamtstrahlungsfluss der Sonne (Stefan-Boltzmann-Gesetz): σ = 5.67 x 10 8 W m 2 K 4 (Stefan-Boltzmann-Konstante) Gesamtstrahlungsleistung der Sonne: L ʘ = F ʘ A ʘ = σ T ʘ 4 4π R ʘ 2

27 Abschätzung der Oberflächentemperatur Beim Planeten kommt an: a = Entfernung Planet Sonne Aber: ein Teil des Sonnenlichts wird vom Planeten reflektiert Nur ein Bruchteil wird absorbiert und steht zur Aufheizung zur Verfügung Reflexionsvermögen: Albedo ( Weißheit ): 0 A 1 Absorption: 1 A

28 Albedo Stark abhängig von Oberflächenstruktur

29 Albedo Stark abhängig von Oberflächenstruktur und Atmosphäre Groß für dichte Atmosphären: Venus: 0.76 Uranus: 0.66 Neptun: 0.62 Jupiter: 0.51 Erde: 0.31 Klein bei geringer/klarer Atmosphäre: Mars: 0.15 Merkur: 0.06 Mond: 0.07

30 Abschätzung der Oberflächentemperatur Energiebalance pro Flächeneinheit auf der Oberfläche des Planeten (kein Energieaustausch mit anderen Regionen):

31 Abschätzung der Oberflächentemperatur Energiebalance bei vollständigem Temperaturausgleich mit anderen Regionen (Winde, schnelle Rotation des Planeten): T P = T P / 2 1/2

32 Vergleich mit gemessenen Temperaturen

33 Erhöhte Temperatur? Treibhauseffekt: eingehende kurzwellige Strahlung wird teilweise von Atmosphäre und Oberfläche absorbiert, ausgehende langwellige Strahlung (IR) wird aber in der Atmosphäre eingeschlossen höhere Temperatur mit Atmosphäre (chemische Zusammensetzung wichtig: z.b. CO 2 ) Beispiele: Venus, Erde

34 Erhöhte Temperatur? Treibhauseffekt: eingehende kurzwellige Strahlung wird teilweise von Atmosphäre und Oberfläche absorbiert, ausgehende langwellige Strahlung (IR) wird aber in der Atmosphäre eingeschlossen höhere Temperatur mit Atmosphäre (chemische Zusammensetzung wichtig: z.b. CO 2 ) Beispiele: Venus, Erde

35 Erhöhte Temperatur? Treibhauseffekt: eingehende kurzwellige Strahlung wird teilweise von Atmosphäre und Oberfläche absorbiert, ausgehende langwellige Strahlung (IR) wird aber in der Atmosphäre eingeschlossen höhere Temperatur mit Atmosphäre (chemische Zusammensetzung wichtig: z.b. CO 2 ) Beispiele: Venus, Erde Interne Energiequellen: Kontraktion (Jupiter), Radioaktivität (Erde)

36 Atmosphären Sehr unterschiedliche Atmosphären der Planeten durch: Chemische Zusammensetzung Physikalische Eigenschaften (Größe, Masse, Rotation,...) U.a.: Temperatur kinetische Energie der Gasteilchen Geschwindigkeit: μ = relatives mittleres Molekulargewicht = m / m p = 2 für H 2 In Luft: T 300 K, μ 29 (hauptsächlich N 2 ) v = 515 m/s Etwas größer als Schallgeschwindigkeit c Luft = 343 m/s

37 Atmosphären Vergleich mit Fluchtgeschwindigkeit: Ein Planet kann eine Atmosphäre nur festhalten, wenn v << v e Leichte Gase entweichen leichter Dichtere Atmosphären bei Niedrigerer Temperatur T Größerer Planetenmasse M Kleinerem Planetenradius R Leichte Elemente H und He nur auf Gasriesen Aber: Atmosphäre beeinflusst Temperatur und umgekehrt

38 Atmosphären Erde: 78% N 2 21% O % CO 2 (seit 1850: 30% Zunahme!) Venus: 96.5% CO 2 3.5% N 2 Sehr dicht: M Venus,Atm 90 x M Erde,Atm, P Venus 92 bar Mars: (wie in 900 m Meerestiefe) 95.9% CO 2 2% Ar und N 2 Sehr dünn: P Mars 6.3 x 10 3 bar

39 Warum sind Venus, Erde, Mars so unterschiedlich? Ähnliche atmosphärische Ausgangslage für alle drei Aber: Venus näher an Sonne wärmer mehr Wasserdampf in Atmosphäre mehr CO 2 in Atmosphäre sich selbst verstärkender Treibhauseffekt (visuelle Sonneneinstrahlung fällt ungehindert ein, infrarote Wärmestrahlung wird in Atmosphäre absorbiert) Mars nicht massereich genug, um dichte Atmosphäre zu halten kein Treibhauseffekt möglich

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41 Atmosphären Hydrostatische Gleichung: dp/p ~ g μ / T dh Aufbau einer Atmosphäre hängt von Schwerebeschleunigung, chemischer Zusammensetzung und Temperaturverteilung ( Energietransport) ab Sehr komplexes Zusammenspiel vieler Faktoren

42 Das Sonnensystem 1 Stern 8 Planeten 5 11 bekannte Zwergplaneten, insgesamt mehrere 100? 146 Monde um Planeten (+27 Kandidaten) + Monde um Zwergplaneten, Asteroiden, etc. Asteroiden Kometen Meteroiden

43 Aktuelle Definitionen Definition der Internationalen Astronomischen Union (2006): The IAU therefore resolves that planets and other bodies in our Solar System, except satellites, be defined into three distinct categories in the following way: 1. A "planet" is a celestial body that (a) is in orbit around the Sun, (b) has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly round) shape, and (c) has cleared the neighbourhood around its orbit. 2. A "dwarf planet" is a celestial body that (a) is in orbit around the Sun, (b) has sufficient mass for its self-gravity to overcome rigid body forces so that it assumes a hydrostatic equilibrium (nearly round) shape, (c) has not cleared the neighbourhood around its orbit, and (d) is not a satellite. 3. All other objects, except satellites, orbiting the Sun shall be referred to collectively as "Small Solar-System Bodies".

44 Zwergplaneten Erst 2006 als Kategorie eingeführt, als Antwort auf die wachsende Zahl von kleineren Planeten Definition und Abgrenzung von Planet vs Zwergplanet sehr umstritten Konzentration auf Bahneigenschaften Nichteinbeziehung von physikalischen Eigenschaften, Entstehungsgeschichte Erster Zwergplanet schon 1801 entdeckt (Ceres, ein Asteroid) Offiziell 5 Zwergplaneten: 1 Asteroid, 4 TNOs (inkl. Pluto)

45 Zwergplaneten

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47 Zwergplaneten Erst 2006 als Kategorie eingeführt, als Antwort auf die wachsende Zahl von kleineren Planeten Definition und Abgrenzung von Planet vs Zwergplanet sehr umstritten Konzentration auf Bahneigenschaften Nichteinbeziehung von physikalischen Eigenschaften, Entstehungsgeschichte Erster Zwergplanet schon 1801 entdeckt (Ceres, ein Asteroid) Offiziell 5 Zwergplaneten: 1 Asteroid, 4 TNOs (inkl. Pluto) Einige hundert bekannte Kandidaten

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49 Zwergplanet-Kandidaten

50 Zwergplaneten Erst 2006 als Kategorie eingeführt, als Antwort auf die wachsende Zahl von kleineren Planeten Definition und Abgrenzung von Planet vs Zwergplanet sehr umstritten Konzentration auf Bahneigenschaften Nichteinbeziehung von physikalischen Eigenschaften, Entstehungsgeschichte Erster Zwergplanet schon 1801 entdeckt (Ceres, ein Asteroid) Offiziell 5 Zwergplaneten: 1 Asteroid, 4 TNOs (inkl. Pluto) Einige hundert bekannte Kandidaten Insgesamt könnte es > 1000 Zwergplaneten geben