Hans Schafer. Astronomische Probleme und ihre physikalischen Grundlagen

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1 Hans Schafer Astronomische Probleme und ihre physikalischen Grundlagen

2 , A s b o n o n d e Die Planeten, von H. Kohler Der Mars, von H. Kohler SternbHderkunde, von G. M. Fasching Elektromagnetische Strahlung - Informationen aus dem Weltall, von H. Schafer W e Zwerge ~ - Schwarze Locher, von R. U. Sexl und H. Sexl Aus der Reihe "Spektrum der Astronomie": Sterne und Sternhaufen, von C. Payne-Gaposchkin Sterne. Aufbau und Entwicklung, von R. J. Tayler Galaxien. Aufbau und Entwicklung, von R. J. Tayler Interstellare Materie, von H. Scheffler '------lieweg /

3 Hans Schafer Astronomische Probleme ond ihre physikalischen Gmndiagen Eine Auswahl fur Unterricht und Selbststudium 3., iiberarbeitete Auflage Mit 53 Bildem, 48 Tabellen und 79 Aufgaben mit Losungen Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden

4 Die 3. Auflage wurde von Hans-Gerd Schafer iiberarbeitet. Das Umschlagsbild zeigt den Trifid-Nebel (Aufnahme: K. Birkle, 2,2-m-Teleskop der Calar Alto Sternwarte des Max-Planck-Instituts fur Astronomie, Heidelberg). 1. Auflage , verbesserte Auflage , iiberarbeitete Auflage 1988 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann. Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1988 Das Werk einschliej),lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auj),erhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuhissig und strafbar. Das gilt insbesondere fur VervielfaJtigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Satz: Vieweg ISBN-13: e-isbn-13: DOl: /

5 v Vorwort zur 1. Auflage Dieses Buch ist aus dem Wunsch entstanden, der Astronomie einen starkeren Eingang in den Unterricht zu verschaffen und allen Interessenten einen leichteren Zugang zu astronomischen Problem en. Auch ohne Studium der Astronomie oder astronornischer Literatur ist es moglich, sich mit astronomischen Problemen zu beschiiftigen, wenn die physikalischen Kenntnisse vorhanden sind. Das Buch kann nicht nur in Schulen oder anderen Gemeinschaften, wie z.b. Arbeitskreisen in Volksstemwarten, sondem auch zur Eigenbeschiiftigung benutzt werden. Ich hoffe, d es ~ viele zum vertieften Studium der Astronomie anregt. Bei den besprochenen Problemen handelt es sich natiirlich urn einesehr enge und dazu noch subjektive Auswahl. Ftir Anregungen und Verbesserungsvorschliige bin ich sehr dankbar. Dem Verlag danke ich fur die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Remscheid, Mai 1978 Hans &hiifer Vorwort zur 2. Auflage Erfreulicherweise ist schon nach zwei Jahren eine neue Auflage der "Astronomischen Probleme" moglich geworden. Das gibt mir die Gelegenheit, einige Fehler zu verbessem und neueste Erkenntnisse tiber Venus, Jupiter, Saturn und Uranus, sowie den Jupitermond 10 mitzuteilen. Ich danke allen Lesem fijr ihr Interesse und hoffe, dab ihnen einige der behandelten Probleme Freude bereitet haben. Vor allem danke ich den Lesem, die sich die Mtihe gemacht haben, alle Fehler, die sie bei einer sorgfliltigen Durcharbeitung meines Buches gefunden haben, zu notieren und mir mitzuteilen. Sie haben es mir ermoglicht, eine, wie ich hoffe, weitgehend fehlerfreie zweite Auflage vorzubereiten. Das Interesse an Astronomie und die Beschiiftigung mit dieser Wissenschaft nehmen zu. Es ist aber nicht zu verkennen, d alle ~ Bemtihungen urn die Verbreitung notwendiger Informationen noch am Anfang stehen. Es wiire eine sehr grobe Freude fur mich, wenn mein Beitrag ein klein wenig helfen wiirde, den Kreis der Interessenten zu vergrobem. April 1980 Hans &hiifer

6 VI Vorwort zur 3. Auflage Wie in allen anderen naturwissenschaftlichen Gebieten wachst auch in der Astronomie der Wissensstand sehr rasch und betrachtlich. Die Raumsonde Voyager 2 hat seit dem Erscheinen der 2. Auflage dieses Buches Saturn und Uranus passiert, der Komet Halley wurde 1986 intensiv beobachtet, mehrere Satelliten, die auch auberhalb des sichtbaren Spektrums Strahlung empfangen, wurden in Erdumlaufbahnen geschossen, die MeBtechniken sind verfeinert, und die Benutzung von Computern errnoglicht bessere Auswertung der Daten sowie das Durchrechnen von komplexen Modellvorstellungen. So erschien ein unveranderter Nachdruck der 2. Auflage nach sieben Jahren nicht mehr sinnvoll. Ich danke dem Verlag, dab er es mir errnoglicht hat, das Buch meines 1985 verstorbenen Vaters zu liberarbeiten, urn neue astronomische Kenntnisse aufzunehmen. Der Aufbau blieb selbstverstandlich erhalten, und das Konzept, Zugang zur Astronomie durch die Anwendung physikalischen Grundwissens zu finden, stand auch fur mich im Vordergrund. Freiburg, im Juli 1987 Hans- Gerd Schafer

7 VII Inhaltsverzeichnis Einleitung Kepler-Gesetze und Gravitationsgesetz Notwendige Kenhtnisse aus der Physik Zentrifugalkraft Kepler-Gesetze Gravitationsgesetz Astronomische Probleme Einige Betrachtungen zur Bewegung unseres Mondes, Siderische und synodische Umlaufzeit und die beiden ersten Kepler-Gesetze Die Bahnen der Planeten Zum 3. Kepler-Gesetz; das Gravitationsgesetz; Bestimmung von Entfernungen und Massen im Planetensystem Storungsrechnung Gezeiten Die Ringe des Saturns Doppelsterne - Massenbestimmung von Sternen Die Masse der M i l c h s(galaxis) t r a ~ e Die Dichte einiger Himmelskorper Potentielle Energie und Drehimpuls Notwendige Kenntnisse aus der Physik; Dbersicht Potentiel1e Energie im Gravitationsfeld Drehimpuls, Drehmoment und Triigheitsmoment Astronomische Probleme Virialsatz, Kreisbahngeschwindigkeit und parabolische Geschwindigkeit Gravitationsenergie einer Gaskugel; Kontraktion der Sonne; Helmholtz-Kelvinsche Zeitskala Die Verteilung des Drehimpulses im Planetensystem Die Erhaltung des Drehimpulses und das zweite Kepler-Gesetz Das System Erde-Mond und die Erhaltung des Drehimpulses Allgemeine Gasgleichung, Kinetische Gastheorie, Strahlungsgesetze Notwendige Kenntnisse aus der Physik Allgemeine Gasgleichung und kinetische Gastheorie Strahlungsgesetze

8 VIII I nhaltsverzeichnis 3.2 Astronomische Probleme... " Temperatur und Leuchtkraft der Sonne und der Sterne Leuchtkraft der Sterne; schein bare und absolute Helligkeit Farbindizes Das Hertzsprung-Russel- und das Farben-Helligkeitsdiagramm; das Zustandsdiagramm Temperaturen von Planeten und Monden Atmospharen von Planeten und Monden Linienspektren, Dopplereffekt Notwendige Kenntnisse aus der Physik Linien- (und Banden-)Spektren Doppler-Effekt Astronomische Probleme Qualitative Spektralanalyse Einige Bemerkungen zur quantitativen Spektralanalyse Die Balmerserie in Absorption Aufnahmen der Sonne im Licht einzelner Linien; Aufnahmen im Licht aus der Mitte oder den Fliigeln einzelner Linien Interstellarer Raum: das Leuchten der Emissionsnebel - verbotene Linien - die 21 cm-linie - Molekiile im interstellaren Raum Der Doppler-Effekt Kernphysik Notwendige Kenntnisse aus der Physik Aufbau der Atomkerne Coulombsches Potential, Tunneleffekt Astronomische Probleme Gravitationsinstabilitat in interstellaren Wolken - Kon traktion - En tstehung von Stemen Thermonukleare Reaktionen in Stemen auf der Hauptreihe Kernprozesse in Stemen a u ~ e rder h ahauptreihe l b Endstadien der Sterne: W e i Zwerge, ~ e Neutronensterne, Schwarze Locher Anhang A.1 Erlauterung einiger Begriffe A.2 Die wichtigsten G e s e t z m a ~ und i gbesonderheiten k e i t e n des Planetensystems, die wichtigsten Z u s t a n d der s gsterne r o ~ e... n 135 A.3 Losungen der Aufgaben Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis Verzeichnis der Himmelsobjekte Namenverzeichnis