Einführung in die Astronomie und Astrophysik I. Jürgen Schmitt Hamburger Sternwarte

Transkript

1 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I Jürgen Schmitt Hamburger Sternwarte

2 Literatur Unsöld, Baschek: Der neue Kosmos, Springer Shu,F. The Physical Universe Carroll, B.W., Ostlie, D.A. Modern Astrophysics Addison Wesley

3 Einführung in die Astronomie und Astrophysik (I) I. Übersicht/Einordnung der Astrophysik in die Naturwissenschaften II. Stellarastrophysik (I) II.1 Fundamental messbare Größen von Sternen II.2 Sternpositionen II.3 Helligkeitssystem II.4 Parallaxe II.5 Entfernungen der Sterne II.6 Absolute Helligkeit II.7 Spektralklassifikation II.8 Effektivtemperatur II.9 Hertzsprung-Russell-Diagramm III. Zweikörperproblem III.1 Gravitationsgesetz III.2 Keplersche Gesetze III.3 Ableitung der Keplerschen Gesetze aus Gravitationsgesetz III.4 Massenbestimmung mit 3. Keplerschen Gesetz III.5 Gravitationsfeld ausgedehnter Körper IV. Stellarastrophysik (II) IV.1 Doppelsternsysteme IV.2 Drehimpuls und Energieinhalt ausgedehnter Körper IV.3 Gezeitenkraft und Gezeitenreibung V. Sonnensystem V.1 Inventar des Sonnensystems V.2 Bahnen V.3 Einschlagkrater VI. Stellarastrophysik (III) VI.1 Sternaufbau: Grundgleichungen VI.2 Zustandsgleichung der Sternmaterie VI.3 Virialsatz VI.4 Abschätzung der Stellarparameter und einfache Sternmodelle VI.5 Energietransport durch Strahlung VI.6 Opazität VI.7 Kernfusion in Sternen: CNO-Zyklus und proton-proton VI.8 Nachweis der stellaren Neutrinos VII. Stellarastrophysik (IV) VII.1 Homologierelationen: Masse-Radius und Masse-Leuchtkraft-Beziehung VII.2 Lebensdauer von Sternen VII.3 Grundzüge der Sternentwicklung VII.4 Bildung von Riesensternen

4 Warum und wozu Astronomie? Astronomie befriedigt grundlegendes Bedürfnis der Menschheit nach Verständnis des Kosmos Astrophysik adressiert die Frage: Warum sind wir hier? Astronomie ist eine kulturelle Errungenschaft Astronomie ist Grundlagenforschung Astronomie studiert Materie unter im Labor nicht herstellbaren Bedingungen Temperatur Dichte Magnetfeld Schwerkraft Dunkle Materie Kosmologische Konstante Plasmazustand

5 Why are we here? (Carroll,Ostlie p. 1321) We are here because, more than ten billion years ago, the universe borrowed energy from the vacuum to create vast amounts of matter and antimatter in nearly equal numbers. Most of it annihilated and filled the universe with photons. Less than one part per billion survived to form protons and neutrons, and then the hydrogen and helium that makes up everything there is. Some of this hydrogen and helium collapsed to form the first generation of massive stars, which produced the first batch of heavy elements in their central nuclear fires. These stars exploded and enriched the interstellar clouds that would form the next generation of stars. Finally, about five billion years ago, one particular cloud in one particular galaxy collapsed to form our Sun and its planetary system. Life arose on the third planet, based on the hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen and other elements found in the protostellar cloud. The development of life transformed Earth s atmosphere and allowed life to move onto land. Sixty-five millions years ago, a fortunate collision with a large meteorid hastened the demise of the dinosours and allowed small furry mammals to take center stage. Primitive men and women evolved and moved out of Africa to conquer the world with their knowledge of tools, language, and agriculture. After raising food on land, your ancestors, your parents and then you consumed this food and breathed the air. Your own body is a collection of the atoms that were created billions of years earlier in the interiors of stars, the fraction of a fraction of a percent of normal matter that escaped annihilation in the first microsecond of the universe. Your life and everything in the world around you is intimately linked to countless aspects of modern astrophysics.

6 Historische Entwicklung der Astronomie Älteste Wissenschaft Astronomie/Astrologie Astronomie und Navigation Astronomie und Zeitmessung Astronomie/Astrophysik Astrophysik = Physikalisches Verständnis des uns umgebenden Kosmos

7 Skalen des Kosmos Erde km 4.5 Mill Jahre Sonne km 4.5 Mill Jahre Milchstraße km 13 Mill Jahre Erde kg Universum km 13 Mill Jahre Sonne kg Masse Milchstraße ca kg Universum ca kg

8 Zeitliche Entwicklung Dimension von Erde und Mond: -100 Dimension und Masse des Sonnensystems: Abstand Sonne-Sterne: 1840 Masse von Sternen: 1880 Dimension der Milchstraße: 1900 Dimension der Galaxien: 1930 Dimension des Universums: 1965

9 Die 3 Säulen der modernen Astrophysik Beobachtungen Beobachtungsinstrumente Moderne Technik/Technologie Theoretische Beschreibung Anwendung physikalischer Gesetze Computational Astrophysics Computertechnik

10 Astrophysik als interdisziplinäre Wissenschaft Atom- und Molekülphysik Grundlage für Diagnostik elektromagnetischer Strahlung Spektrallinien Atome in extremen Zuständen (Dichte, Magnetfelder) Zustand kosmischer Materie Ionisation und Rekombination Molekülbildung Staubbildung

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14 Astrophysik als interdisziplinäre Wissenschaft Plasmaphysik (heiße Materie) Sonnenaktivität Jets Beschleunigung kosmischer Strahlung Hydrodynamik/Gasdynamik Sternentstehung und Entwicklung Sternexplosionen Akkretionsscheiben

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26 Astrophysik als interdisziplinäre Wissenschaft Kernphysik Fusionsprozesse in Sternen Fusionsprozesse in SN- Explosionen Kernprozesse in der kosmischen Strahlung Materie in kompakten Objekten Elementarteilchenphysik Dunkle Materie Dunkle Energie (Astro-)Teilchen-(Astro)physik Neutrino-Astrophysik

27 Kernphysik

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30 Astrophysik als interdisziplinäre Wissenschaft Allgemeine Relativitätstheorie Astrophysik ist Labor für ART Gravitationslinsen Kompakte Objekte Gravitationswellen Kosmologie Mathematik/Informatik Astronomie -- Mathematik Himmelsmechanik (Gauss) Numerische Simulation

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32 Astrophysik als interdisziplinäre Wissenschaft Chemie Moleküle im interstellaren Medium Chemische Prozesse an Staubkörnern Analyse von Meteoriten Chemische Prozesse in Planetenatmosphären

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35 Astrophysik als interdisziplinäre Wissenschaft Geowissenschaften Planeten/exosolare Planeten Seismologie Planetenatmosphären/Klimatologie Biologie Lebensbedingungen auf Erde und anderen Planeten Astro-Biologie

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37 Der Sonnen(flecken)zyklus über 400 Jahre Σχηωαβε Maunder Minimum

38 Hendrick Averkamp ( )

39 Astrophysik als interdisziplinäre Wissenschaft Technik Stürmische Entwicklung in den letzen Jahren durch technischen Fortschritt Weltraumastronomie Philosophie / Religion Astronomie als Ideenlieferant und Konfliktstoff

40 Technik

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42 UVES Spektro graph

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47 HEGRA Cherenkov-Teleskop LaPalma

48 Astronomie als aktuelle Wissenschaft Nobelpreise: Hess, Entdeckung der Kosmischen Strahlung 1936 Bethe, Energieerzeugung in Sternen durch Kernfusion 1967 Ryle & Hewisch, Entdeckung der Pulsare 1974 Penzias & Wilson, Entdeckung der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung 1978 Chandrasekhar & Fowler, Aufbau und Entwicklung von Sternen 1983 Hulse & Taylor, Binär-Millisekunden-Pulsar 1993 Davis, Koshiba, Giacconi, Neutrino- und Hochenergie-Astrophysik 2002 Schmidt Dunkle Energie 2011