Vorlesung. Astronomie. Kontrollfragen. Stephan Mertens. Wintersemester 2013 G N D O O

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1 Vorlesung Astronomie Kontrollfragen Stephan Mertens Wintersemester 2013 UE R ICKE UNI VERSITÄT MAG G N VO D O TT O EBURG

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3 1 Der Nachthimmel 1. Was versteht man unter Lichtverschmutzung? Was kann man dagegen tun? 2. Warum ordnet der Mensch die Sterne in Sternbilder? 3. Welches sind die ältesten Sternbilder? 4. Was versteht man unter den Tierkreiszeichen? Wieviele gibt es davon? 5. Was ist ein Asterismus? 6. Berschreiben Sie, wie man ausgehend vom Großen Wagen den Stern Arktur findet. 7. Wie groß (ungefähr) ist der scheinbare Winkeldurchmesser des Vollmondes in Bogenminuten? 8. Geben Sie an, wie sie ohne Meßgerät Winkelabstände von 10 und 1 abschätzen können. 9. Erläutern Sie das Koordinatensystem zur Angabe von Positionen auf der Himmelskugel. 10. Was versteht man unter dem Himmelsäquator? 11. Was versteht man unter der Deklination eines Sternes? 12. Was versteht man unter der Rektaszension eines Sternes? 13. Welche Deklination muss ein Stern haben, der von Magdeburg (52 8 N, O) aus gesehen niemals untergeht? 14. Sie befinden sich ohne GPS und Kompass auf dem Meer. Kein Land in Sicht, aber der Himmel ist wolkenlos. Wie bestimmen Sie ihre Position (Längen- und Breitengrad)? 15. Warum hat das reguläre Kalenderjahr 365 Tage? 16. Warum hat das Jahr 12 Monate? 17. Warum hat die Woche 7 Tage? 18. Was versteht man unter der lokalen Sonnenzeit? 19. Warum benutzen wir die lokale Sonnenzeit nicht als amtliche Zeit? 1-1

4 1-2 Der Nachthimmel 20. Wie ist die mittlere Greenwich Zeit (GMT) definiert? 21. Vergleichen Sie die GMT mit der lokalen Sonnenzeit in Greenwich. Geht sie vor oder nach? Woher kommt die Diskrepanz? 22. Wie ist die koordinierte Weltzeit (UTC) definiert? 23. Welche Maßnahmen werden ergriffen, um UTC und astronomische Zeiten synchron zu halten? 24. Was versteht man unter der siderischen Umlaufzeit? 25. Was versteht man unter der synodischen Umlaufzeit? 26. Erläutern Sie das Zustandekommen der Jahreszeiten. 27. Wann ist die Entfernung Erde-Sonne größer, im Winter oder im Sommer? 28. Was bedeuten die Wendekreise von Krebs und Steinbock? 29. Was ist ein Analemma? Wie sieht es aus, und wie kommt es zustande? 30. Was versteht man unter der lunisolaren Präzession? 31. Welche Effekte hat die lunisolare Präzession auf die Astrologie, auf die Wendekreise und (vor allem) auf das astronomische Koordinatensystem? 32. Erläutern Sie, wie die Phasen des Mondes zustandekommen. 33. Erläutern Sie, wie eine Mondfinsternis entsteht. 34. Warum ist selbst bei einer totalen Mondfinsternis der Mond noch sichtbar? Welche Farbe hat der Mond bei einer totalen Mondfinsternis? Und warum hat er gerade diese Farbe? 35. Welche Phase hat der Mond bei einer Mondfinsternis? 36. Erläutern Sie, wie eine Sonnenfinsternis entsteht. 37. Warum gibt es sowohl totale als auch ringförmige Sonnenfinsternisse? 38. Warum beobachtet man auf der Erde viel mehr Mond- als Sonnenfinsternisse? 39. Berechnen Sie (wenigstens näherungsweise), wie schnell sich die Totalitätszone einer Sonnenfinsternis über die Erdoberfläche bewegt.

5 2 Gravitation 1. Woher kommt das Wort Planet? 2. Welche Planeten sind schon seit der Antike bekannt? In welchem Jahrhundert wurde der erste neue Planet entdeckt? 3. Wie und wann wurde der Neptun entdeckt? Was war daran so besonders? 4. Was versteht man unter der retrograden Bewegung eines Planeten? 5. Beschreiben Sie das Ptolemäische Weltbild. Wie kann darin die retrograde Bewegung erklärt werden? 6. Beschreiben Sie das Kopernikanische Weltbild. Wie kann darin die retrograde Bewegung erklärt werden? 7. Welche Rolle spielte Tycho Brahe ( ) in der Astronomie? 8. Wie lauten die drei Keplerschen Gesetze? 9. Warum ist Venus immer nur kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang zu sehen? 10. Erläutern Sie, wie Phasen der Venus zustandekommen. Zeigen auch äußere Planeten wie Mars und Jupiter Phasen? 11. Erläutern Sie die Begriffe Konjunktion (obere, untere) und Opposition. In welcher dieser Positionen ist der Abstand Erde-Mars am größten? in welcher ist er am kleinsten? 12. Wie verhalten sich laut Galileo Galilei Körper, die der Schwerkraft der Erde folgen? 13. Erläutern Sie die drei Newton schen Axiome der Mechanik! 14. Der Legende nach soll Newton von einem fallenden Apfel zu seinem Gravitationsgesetz gekommen sein. Erläutern Sie den entsprechenden Gedankengang. 15. Wie lautet das Newton sche Gravitationsgesetz? 16. Welche Größenordnung hat die Gravitationskonstante G? 17. Wieso nannte man die experimentelle Bestimmung von G die Wägung der Erde? 2-1

6 2-2 Gravitation 18. Die Gravitationskraft, die ein Stern oder ein Planet der Masse M ausübt, entspricht der Gravitationskraft einer Punktmasse M. Warum ist das so? Und warum ist das nützlich? 19. Was versteht man unter der Fluchtgeschwindigkeit? Wie groß ist die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde? 20. Warum ist der Drehimpuls bei der Bewegung eines Planeten um seine Sonne eine Erhaltungsgröße? 21. Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen der Drehimpuls-Erhaltung und den Kepler schen Gesetzen. 22. Welche Bahnformen sind möglich im Gravitationsfeld eines Sternes? 23. Erläutern Sie das Zustandekommen von Bahnstörungen bei der Planetenbewegung. 24. Was versteht man unter der Perihel-Drehung? Wie groß ist sie beim Merkur? Wie groß ist der Anteil der relativistischen Effekte? 25. Was versteht man in der Himmelsmechanik unter Resonanz? Geben Sie ein Beispiel, wo die Resonanz im Sonnensystem Spuren hinterlassen hat. 26. Erklären Sie, wie die Gezeiten zustande kommen. 27. Wie kommt es zur Springflut? Wie zur Nippflut? 28. Was versteht man unter Gezeitenreibung? Was bewirkt sie? 29. Woher wissen wir eigentlich, dass der Tag vor 1500 Jahren ein paar Sekunden kürzer war? Die Menschen hatten damals doch noch keine Uhren! 30. Was versteht man unter der Roche-Grenze? 31. Wie kommen die großen Planeten zu ihren Ringen?

7 3 Teleskope 1. Für welche Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ist die Erdatmospäre durchsichtig? 2. Wie groß ist das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges? 3. Welche Mechanismen regeln die Lichtempfindlichkeit des Auges? 4. Wie groß ist die maximale optische Öffnung des Auges? 5. Wie groß sind die Spiegel der größten optischen Teleskope? 6. Was ist die Hauptaufgabe eines astronomischen Teleskops? 7. Sie können von ihrem Balkon mit bloßem Auge gerade noch Sterne bis 4 mag sehen. Wie groß muß der Spiegel eines Teleskops mindestens sein, damit Sie von ihrem Balkon aus auch Sterne mit 9 mag erkennen können? 8. Skizzieren Sie den Strahlengang im Linsenfernrohr. Wie hängt die Vergrößerung von den Brennweiten der Linsen ab? 9. Wie hängt die Helligkeit des Zwischenbildes von der Brennweite und dem Durchmesser des Objektivs ab? 10. Wieso steht das Bild im Linsenfernrohr auf dem Kopf? Warum steht es im Feldstecher nicht auf dem Kopf? 11. Erläutern Sie die Nachteile des Linsenfernrohrs. 12. Wieso nimmt man die chromatische Aberration vornehmlich an den Kanten in einem Bild war? 13. Wie kann man die chromatische Aberration vermindern? 14. Erläutern Sie den Strahlengang in einem Newtonschen Spiegelteleskop. 15. Erläutern Sie die Wirkunsweise von CCD Chips. 16. Welches sind die Vorteile von CCD Chips gegenüber fotografischem Film? 17. Erläutern Sie den Strahlengang in einem Cassegrain Teleskop. Was ist der Vorteil gegenüber einem Newtonschen Teleskop? 18. Was versteht man unter dem Primärfokus? Kann man ihn nutzen? 3-1

8 3-2 Teleskope 19. Ein Teleskop hat eine minimale sinnvolle Vergrößerung. Wieso? Und wie hängt diese minimale Vergrößerung mit den Parametern des Teleskops (Öffnung, Brennweiten) zusammen? 20. Erläutern Sie das Phänomen der Beugung. 21. Beschreiben Sie, wie Beugung das Auflösungsvermögen von Teleskopen beschränkt. 22. Wie lautet der kleinste Winkel, den ein Teleskop mit Öffnung D bei Beobachtung mit Wellenlänge λ noch auflösen kann? 23. Wie groß müßte ein irdisches Teleskop mindestens sein, um damit die von den Astronauten auf dem Mond zurückgelassenen Gegenstände zu erkennen? Das Mondauto ist z.b. 3m lang, die Entfernung Erde-Mond sollten Sie kennen. 24. Was versteht man unter seeing? 25. Wo kann man besonders gutes seeing erwarten? 26. Erläutern Sie die Funktionsweise der adaptiven Optik. 27. In welchem Wellenlängenbereich treibt man auf der Erde Radioastronomie? 28. Welche Vorteile hat die Radioastronomie gegenüber der optischen Astronomie? 29. Welche Nachteile hat die Radioastronomie gegenüber der optischen Astronomie? 30. Was versteht man unter der 21cm Linie? 31. Erläutern Sie das Prinzip der Interferometrie. Was hat man davon? 32. Wieso ist Interferometrie in der Radioastronomie einfach, in der optischen Astronomie aber sehr schwierig? 33. In welchem Wellenlängenbereich findet man die kosmische Hintergrundstrahlung? Woher stammt sie? 34. Warum schickt man Teleskope ins All?

9 4 Erde und Mond 1. Warum gibt es auf der Erde keine Berge, die höher sind als 10 km? Und warum gibt es auf dem Mars Berge, die bis zu 27 km hoch sind? 2. Erläutern Sie die Schichten der Erdatmosphäre. Wo befindet sich die Ozonschicht? 3. In welcher Schicht der Erdatmosphäre spielt sich das Wettergeschehen ab? 4. Erläutern Sie, wie uns die Ozonschicht vor UV-Strahlung schützt. 5. Welche Schicht der Erdatmosphäre ist für die Ausbreitung von Radiosignalen wichtig? Und wieso gerade diese Schicht? 6. Erläutern Sie den Treibhaus-Effekt. 7. Erläutern Sie die Kontinentalverschiebung. Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich die Kontinente relativ zueinander? 8. Was hat die Bewegung der Kontinentalplatten mit Erdbeben zu tun? 9. Erläutern Sie den inneren Aufbau der Erde. 10. Was versteht man unter dem Begriff Differenzierung beim inneren Aufbau eines Planeten? 11. Was treibt die Kontinentalverschiebung an? 12. Was versteht man unter der Magnetosphäre? 13. Erläutern Sie das Zustandekommen von Nordlichtern. 14. Warum sind viele Himmelskörper wie die Erde rund, andere aber nicht? 15. Wie nennt man die ausgedehnten, dunklen Gebiete auf der Mondoberfäche? Sind sie jünger oder älter als die hellen Gebiete? Woraus bestehen sie? 16. Welches sind die Charakteristika von Einschlagskratern? 17. Die Vorder- und die Rückseite des Mondes unterscheiden sich deutlich voneinander. Geben Sie die Unterschiede an. 18. Man vermutet Wasser an einigen Stellen auf der Mondoberfläche. Wo sind diese Stellen, und was gibt Anlaß zu dieser Vermutung? 4-1

10 4-2 Erde und Mond 19. Erläutern Sie die zur Zeit akzeptierte Theorie zur Entstehung des Mondes. Welche Beobachtungen stützen diese Theorie? 20. Woher stammt die Staubschicht, die die Mondoberfläche bedeckt? 21. Wieso zeigt uns der Mond immer dieselbe Seite? 22. Was versteht man unter der Libration des Mondes? Wie kommt sie zustande?

11 5 Die Planeten 1. Welches ist der kleinste Planet unseres Sonnensystems? 2. Welches ist der größte Planet unseres Sonnensystems? 3. Sortieren Sie die Planeten unseres Sonnensystems der Größe nach. 4. Erläutern Sie die Parallaxenmethode zur Entfernungsbestimmung. 5. Wie hat man erstmals eine absolute Entfernung innerhalb des Sonnensystems verläßlich gemessen? 6. Warum ereignen sich Venustransits oft paarweise im Abstand von 8 Jahren? 7. Wie kann man die Entfernungen aller Planeten zur Sonne berechnen, sobald man die Entfernung eines Einzigen kennt? 8. Wie weit sind die inneren Planeten von der Sonne entfernt? Wie weit die äußeren? (Ungefähre Entfernungen) 9. Was versteht man unter einer astronomischen Einheit (AE)? Wieviel Kilometer entspricht 1 AE? 10. Wie kann man die Massen von Himmelskörpen bestimmen? 11. Wie kann man die Rotationsperiode von Himmelskörpern bestimmen? 12. Was versteht man unter der Solarkonstanten? Welchen Wert hat sie? 13. Was versteht man unter Schwarzkörper-Strahlung? 14. Wie lautet die Planck sche Strahlungsformel? 15. Wie lautet das Wien sche Verschiebungsgesetz? 16. Wie lautet das Stefan-Boltzmann Gesetz? 17. Wie berechnet man die Oberflächentemperatur der Planeten mit Hilfe des Stefan- Boltzmann Gesetzes? Welche zentrale Annahme geht dabei ein? 18. Auf welchen Planeten weicht die tatsächliche Oberflächentemperatur deutlich von der berechneten ab? Erklären Sie die Abweichungen! 19. Unter welchen Bedingungen kann ein Planet eine Atmosphäre halten? Geben Sie ein Stabilitätskriterium an. 5-1

12 5-2 Die Planeten 20. Was versteht man unter der Maxwell-Boltzmann-Verteilung? 21. Warum enthält die Atmosphäre der Erde kein Helium und keinen molekularen Wasserstoff? 22. Warum hat der Mars eine im Vergleich zur Erde so dünne Atmosphäre? 23. Erklären Sie, warum man Venus und Merkur immer nur kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang sehen kann. 24. Gibt es auf dem Merkur Vulkane? Wenn ja, sind die noch aktiv? 25. Wie erklärt man die Tatsache, daß der Merkur ungewöhnlich dicht ist? 26. Beim Merkur gibt es eine Resonanz zwischen der Rotation und dem Umlauf um die Sonne. Um welche Resonanz handelt es sich? Wie lange dauert ein Merkurjahr, wie lange ein Merkurtag? Und woher kommt die Resonanz? 27. Was versteht man unter der Periheldrehung des Merkur und woher kommt sie? Bitte alle Ursachen nennen. 28. Es ist viel komplizierter, eine Raumsonde zum Merkur zu schicken als beispielsweise zum Mars. Warum ist das so? 29. Wie groß ist die Venus im Vergleich zur Erde? 30. Warum erscheint die Venus so hell? 31. Wie warm ist es auf der Oberfläche der Venus? Und warum ist es dort so warm? 32. Woher kommt das CO 2 in der Atmosphäre der Venus? 33. Womit ist der Großteil der Venusoberfläche bedeckt? 34. Welche Besonderheit weist die Rotation der Venus aus? Woher kommt diese Besonderheit? 35. Warum gibt es auf der Venus keine Jahreszeiten? 36. Erläutern Sie das Zustandekommen der Venusphasen. 37. Was macht den Mars rot? 38. Wie groß ist der Mars im Vergleich zur Erde? 39. Was versteht man unter den Marskanälen? Was ist die moderne Erklärung für diese Phänomen? 40. Wie groß ist das Valle Marineris auf dem Mars im Vergleich zum Grand Canyon auf der Erde?

13 Die Planeten Jupiter strahlt etwa doppelt soviel Energie ab, wie er von der Sonne empfängt. Woher kommt diese Energie? 42. Hat der Jupiter Ringe? 43. Wie groß ist der Jupiter im Vergleich zur Erde? 44. Wieviel Masse hat der Jupiter im Vergleich zur Gesamtmasse aller anderen Planeten? 45. Erläutern Sie, warum das Streifenmuster in der Atmosphäre des Jupiter parallel zum Äquator verläuft. 46. Wie kommt das Streifenmuster in der Atmosphäre des Jupiter zustande? 47. Welches sind die Hauptbestandteile der Jupiter-Atmosphäre? 48. Was ist der große rote Fleck auf dem Jupiter? Wie alt ist der mindestens? 49. Wie lange braucht der Jupiter für eine Rotation um die eigene Achse? 50. Ist Jupiters Magnetfeld stärker als das der Erde? Warum ist das so? 51. Woher kommen die Lücken im Ringsystem des Saturn? 52. Was ist an der mittleren Dichte des Saturn besonders? 53. Welches ist das häufigste Element in der Atmosphäre des Saturn? 54. In welcher Zeit dreht sich der Saturn einmal um die eigene Achse? 55. Wie dick ist das Ringsystem des Saturn? 56. Vergleichen Sie die atmosphärische Bänderstruktur von Saturn mit der des Jupiter. 57. Warum können wir von der Erde aus die Ringe des Saturn nicht immer sehen? 58. Was versteht man unter einem Hirtenmond? 59. Die Albedo der Saturn-Ringe beträgt Ist das viel oder wenig? Wie kommt dieser Wert zustande? 60. Wann und wie wurde der Uranus entdeckt? 61. Hat der Uranus Ringe? 62. Um welchen Winkel ist die Achse des Uranus gegen seine Bahnebene geneigt? 63. Welches sind die häufigsten Bestandteile in der Atmosphäre des Uranus? 64. Wie lange braucht der Uranus für einen Umlauf um die Sonne?

14 5-4 Die Planeten 65. Wie stark ist das Magnetfeld des Uranus im Vergleich zum Erdmagnetfeld? 66. Beschreiben Sie die Lage der Magnetfeldachse beim Uranus. Was ist daran so besonders? 67. Sind die Ringe des Uranus dunkler oder heller als die Ringe des Saturn? Warum ist das so? 68. Beschreiben Sie, wie die Ringe des Uranus erstmals von der Erde aus entdeckt wurden. 69. Wann und wie wurde der Neptun entdeckt? 70. Hat der Neptun Ringe? 71. Welches sind die häufigsten Bestandteile in der Atmosphäre des Neptun? 72. Wie stark ist das Magnetfeld des Neptun im Vergleich zum Erdmagnetfeld? 73. Beschreiben Sie die Lage der Magnetfeldachse beim Neptun. Was ist daran so besonders? 74. Sind die Ringe des Neptun dunkler oder heller als die Ringe des Saturn? Warum ist das so?

15 6 Das Sonnensystem 1. Warum haben Planeten Monde, Monde aber ihrerseits keine Monde? 2. Was ist die Hill-Sphäre? 3. Wieviele Monde des Mars sind bekannt? Sind diese groß oder klein im Vergleich zum Erdmond? 4. Wieviele Jupitermonde sind bekannt? 5. Wie heißen die vier Galileischen Monde? Welcher davon ist der Größte? Ist der größer als der Erdmond? 6. Der Jupitermond Io ist der Ort mit der höchsten vulkanischen Aktivität im Sonnensystem. Woher kommt diese Aktivität? 7. Auf einem der Jupitermonde vermutet man große Mengen flüssigen Wassers unter der Gesteins- und Eisschicht der Oberfläche. Welcher Mond ist das? Und was ist der Grund für diese Annahme? 8. Wieviele Saturnmonde sind bekannt? 9. Nennen Sie mindestens einen Saturnmond und beschreiben sie dessen besondere Eigenschaften. 10. Was ist ein Planet? 11. Was ist ein Zwergplanet? 12. Was ist ein Asteroid? 13. Warum ist Pluto nur ein Zwergplanet? 14. Ist Pluto weiter von der Sonne entfernt als Neptun? 15. Worin unterscheidet sich die Bahnebene des Pluto von den Bahnebenen der Planeten? 16. Wie lange braucht Pluto für einen Umlauf um die Sonne? 17. Wieviele Monde des Pluto sind bekannt? 18. Was können Sie über die Rotation von Pluto und Charon (Plutos größtem Mond) aussagen? Warum ist das so? 6-1

16 6-2 Das Sonnensystem 19. Kennen Sie ausser Pluto noch einen weiteren Zwerplaneten? Wenn ja, wo befindet sich dieser? 20. Nennen Sie zwei Asteroide mit Namen und beschreiben Sie deren besondere Eigenschaften. 21. Was ist die Titius-Bode Regel? 22. Wo befindet sich der Asteriodengürtel? 23. Wo befindet sich der Kuiper-Gürtel? 24. Was sind Trojaner? Und warum sind sie dort, wo sie sind? 25. Wieviele Lagrange-Punkte gibt es? Wo liegen die? Wie sind sie definiert? 26. Woher kommen die Lücken im Asteroidengürtel? 27. Was ist ein Komet? 28. Woher stammen die Kometen? 29. Wie wird aus einem langperiodischen ein kurzperiodischer Komet? 30. Woraus bestehen die beiden Schweife eine Kometen? 31. Wohin zeigen die beiden Schweife eines Kometen? Warum zeigen sie nicht in die gleiche Richtung? 32. Woraus besteht der Kern eines Kometen? Wie groß ist ein typischer Kometenkern? 33. Warum hat ein Komet, der sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne befindet, eine endliche Lebensdauer? Was passiert mit dem Kometen am Ende seines Lebens? 34. Was ist die Oort sche Wolke? Wie weit ist sie von der Sonne entfernt? Hat man die Oort sche Wolke schon im Teleskop gesehen? 35. Erklären Sie die Begriffe Meteoroid, Meteor und Meteorit. 36. Erklären Sie das Zustandekommen von Meteorschauern. Warum ereignen sie diese immer am selben Kalenderdatum? 37. Wieviel Masse wird durch Meteoriten täglich auf die Erde gebracht? 38. Aus welchem Material bestehen Meteoriten? 39. Warum sind Stein-Eisen-Meteorite so selten? 40. Welches Element ist in Meteoriten viel häufiger als in der Erdkruste? Wie macht man sich diesen Unterschied zu Nutze?

17 Das Sonnensystem Welche Indizien sprechen dafür, daß die Dinosaurier durch einen gewaltigen Meteoriten- Einschlag ausgestorben sind? Wieso kann ein Meteoriten-Einschlag globale, langanhaltende Folgen haben? 42. Was können sie über den Umlauf- und Rotationssinn der Planeten im Sonnensystem aussagen? 43. Warum befinden sich im inneren Sonnensystem hauptsächlich kleinere Planeten während sich die Riesenplaneten im Aussenbereich tummeln? 44. Stellen Sie die typischen Eigenschaften der inneren Planeten den typischen Eigenschaften der äußeren Planeten gegenüber! 45. Skizzieren Sie die Theorie zur Entstehung des Sonnensystems. 46. Aus welchen Elementen bestand der solare Urnebel? 47. Warum entwickelt sich beim gravitativen Kollaps einer Gaswolke eine Scheibe? 48. Wie entstehen die ersten Planetenkeime in der protoplanetaren Scheibe? 49. Warum bestehen die äußeren Planeten hauptsächlich aus Gas, während die inneren Planeten ausschließlich aus Metall und Gestein bestehen? 50. Warum haben die äußeren Planeten Ringe, die inneren aber nicht? 51. Extrasolare Planeten leuchten so schwach, dass sie von ihrem Zentralstern bei weitem überstrahlt werden und deshalb nicht direkt sichtbar sind. Beschreiben Sie zwei Methoden, mit denen man trotzdem extrasolare Planeten nachweisen kann. 52. Warum werden vorzugsweise große Planeten entdeckt und solche, die ihrem Zentralstern nahe sind? 53. Wieviel extrasolare Planeten (ca.) hat man bis heute gefunden? 54. Welche Eigenschaften der bisher entdeckten Sonnensysteme deuten darauf hin, daß unser heimisches Sonnensystem nicht unbedingt typisch ist?

18 7 Die Sonne 1. Wie lange ist das Licht der Sonne zu uns unterwegs? 2. Welches sind die beiden häufigsten Elemente, aus denen die Sonne besteht? Und wieviel Prozent der Gesamtmasse macht jedes dieser Elemente aus? 3. Wo befinden sich Chromosphäre, Photosphäre und Korona bei der Sonne? Was unterscheidet sie? 4. Berechnen Sie die Oberflächentemperatur der Sonne mit Hilfe des Stefan-Boltzmann Gesetzes. (Hilfe: Stefan-Boltzman Konstante σ = 5, W/m 2 K 4 ). 5. Skizzieren Sie den Temperaturverlauf der Sonnenatmosphäre als Funktion der Höhe über der Photosphäre. Um wieviel Grad ändert sich die Temperatur? 6. Die Korona ist sehr viel heißer als die Photosphäre. Wieviel heißer? Aber warum leuchtet sie dann nicht viel stärker? 7. Woraus besteht der Sonnenwind? 8. Was treibt den Sonnenwind an? 9. Was ist die Ursache für die Nordlichter? 10. Welchen Teil der Sonnenatmosphäre sehen wir, wenn wir die Sonne anblicken? 11. Wieso erscheint der Rand der Sonne dunkler als ihr Zentrum? 12. Was ist die Ursache für die granulare Struktur der Photosphäre und woher wissen wir das? 13. Was unterscheidet Sonnenflecke von den unbefleckten Teilen der Sonne? 14. Ist die Rate, mit der die Sonnenflecken enstehen, zeitlich konstant? Wenn nicht, wie verhält sie sich? 15. Warum ist es sehr unwahrscheinlich, daß die Sonnenfleckenaktivität der Sonne das Klima auf der Erde beeinflußt? 16. Was versteht man unter einer differenziellen Rotation? Und wie sieht diese bei der Sonne aus? 17. Woher wissen wir, daß das solare Magnetfeld in den Sonnenflecken besonders stark ist? 7-1

19 7-2 Die Sonne 18. Erklären Sie, wie ein Magnetfeld einen Sonnenfleck verursacht. 19. Warum tauchen Sonnenflecken in der Regel paarweise auf? 20. Wieso entstehen die Sonnenflecken vorzugsweise in den gemäßigten Breiten der Sonne? 21. Erläutern Sie Babcock s Dynamomodell für dir Entstehung der Sonnenflecke. 22. Wie entstehen die dunklen Linien im Spektrum der Sonne? 23. Woher wissen wir, daß die Atmosphäre der Sonne Eisen enthält? 24. Erklären Sie die Begriffe Emissions- und Absorptionspektrum. 25. Wann beobachtet man ein kontinuierliches Spektrum, wann ein Emissions- und wann ein Absorptionspektrum? 26. Erläutern Sie das Bohr sche Atommodell. 27. Was ist die Solarkonstante und wie lautet ihr Wert? 28. Warum kann die Sonne ihre Energie nicht aus chemischen Prozessen ( Verbrennung ) beziehen? 29. Warum kann die Sonne ihre Energie nicht aus der Gravitation beziehen? 30. Woher wissen wir eigentlich, wie alt Erde und Sonne sind? 31. Erläutern Sie, wieso durch die Verschmelzung von 4 Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern Energie frei wird. 32. Wie lange reicht der Wasserstoffvorrat der Sonne zur Aufrechterhaltung des Fusionsprozesses? 33. Begründen Sie, wieso bei Kernprozessen pro Atom viel mehr Energie umgesetzt wird als bei chemischen Prozessen. 34. Was versteht man unter α-, β- und γ-zerfall? 35. Wieso kann man sowohl mit der Kernspaltung als auch mit der Kernfusion Energie gewinnen? 36. Was versteht man unter der Coulomb-Barriere? Und wie wird sie bei der Kernfusion überwunden? 37. Wie lautet die Reaktionsgleichung für den p-p Prozeß? 38. Was versteht man unter dem CNO-Zyklus? 39. Wann ist der p-p Prozeß für die Energiegewinnung eines Sternes wichtig, wann der CNO-Zyklus?

20 Die Sonne Wie lange dauert es, bis ein im Sonnenkern erzeugtes Photon die Sonne verläßt? Und warum dauert das so lange? 41. Was versteht man unter dem Rätsel der Sonnenneutrinos und wie lautet die Lösung des Rätsels?

21 8 Sterne 1. SInd die Fixsterne wirklich fix? 2. Warum können wir sicher sein, daß alle Objekte im Universum in Bewegung sind? 3. Wie mißt man die radiale Geschwindigkeit von Sternen? 4. Wie mißt man die transversale Geschwindigkeit von Sternen? 5. Wie ist die Entfernungsangabe parsec definiert? Wie lang ist 1 parsec in Lichtjahren? 6. Welche Entfernungen kann man noch zuverlässig mit Hilfe der Sternparallaxe bestimmen? 7. Wie hängt die absolute Leuchtkraft mit der scheinbaren Leuchtkraft zusammen? 8. Wie hängt die absolute Leuchtkraft eines Sternes mit seiner Temperatur zusammen? 9. Ein Stern der Magnitude m strahlt x mal soviel Energie ab wie ein Stern der Magnitude m + 1. Wie groß ist x? 10. Der Stern Beteigeuze ist 200 parsec entfernt und hat eine scheinbare Helligkeit von m = 0.5. Wie große ist die absolute Leuchtkraft von Beteigeuze? 11. Wie bestimmt man die Masse von Sternen? 12. Was sind Bedeckungsveränderliche? 13. Erläutern Sie, wie man aus der Helligkeitskurve von Bedeckungsveränderlichen die Umlaufperiode von Doppelsternsystemen bestimmt. 14. Erläutern Sie die Spektrallinien-Methode zur Bestimmung der Umlaufperiode in Doppelsternsystemen. 15. Was wird in einem Hertzsprung-Russel Diagramm dargestellt? 16. Skizzieren Sie ein Herzsprung-Russel Diagramm (Achsenbeschriftung!) und tragen Sie darin die Hauptreihe, die roten Riesen und Überriesen sowie die weißen Zwerge ein. 8-1

22 8-2 Sterne 17. Ein Stern mit einer Oberflächentemperatur von 5800 K kann ein weißer Zwerg, ein Hauptreihenstern, ein roter Riese oder ein Überriese sein. Wie kann man zwischen diesen Möglichkeiten durch Beobachtung unterscheiden? 18. Wie lautet die Masse-Leuchtkraft Beziehung für Sterne auf der Hauptreihe? 19. Wie hängt die Lebensdauer eines Sternes auf der Hauptreihe von seiner Masse ab? 20. Wie entwickeln sich Radius und Leuchtkraft von Sternen auf der Hauptreihe mit der Zeit?

23 9 Sternentwicklung 1. Woher wissen wir, daß der Raum zwischen den Sternen nicht überall leer ist? 2. Wenn das Licht eines Sternes auf seinem Weg zu uns eine Gaswolke passiert, wird das Licht in seiner Intensität abgeschwächt. Was passiert noch alles mit dem Licht? 3. Warum leuchten Gaswolken um junge Sterne blau? 4. Warum leuchtet interstellarer Staub im Infrarot? 5. Wo befinden sich auf einer Infrarot-Aufnahme des Nachthimmels die hellsten Stellen? 6. Was sind die typischen Parameter (Dichte, Temperatur) einer interstellaren Gasund Staubwolke? 7. Aus welchen Elementen besteht eine interstellare Gaswolke? Wie ist die Häufigkeitsverteilung dieser Elemente? 8. Wie lautet das Virial-Theorem und für welche physikalischen Systeme gilt es? 9. Was versteht man unter der Jeans-Masse? Und wie hängt diese Masse von der Temperatur und der Dichte ab? 10. Warum sind ausgerechnet effektive Kühlmechanismen für die Bildung von Sternen wichtig? 11. Beschreiben Sie mindestens drei Kühlmechanismen für interstellare Gaswolken. 12. Warum entstehen Sterne vornehmlich in Gaswolken, die größere Molküle enthalten? Um welche Moleküle handelt es sich dabei typischerweise? Und woher wissen wir, daß es diese Moleküle in interstellaren Medium wirklich gibt? 13. Was sind Bok-Globulen? 14. Beschreiben Sie, wie aus einer Molekülwolke ein Hauptreihen-Stern entsteht. 15. Was ist ein Protostern? Warum kann man Protosterne nachweisen? 16. Was versteht man unter einer Vorhauptreihenstern? Und warum entwickelt sich der überhaupt weiter? 17. Welche Sterne zeigen kein Vor-Hauptreihenstadium? Und warum? 9-1

24 9-2 Sternentwicklung 18. Bei welcher Temperatur setzt die Wasserstoff-Fusion ein? 19. Was ist ein brauner Zwerg? Und welche Sterne werden zu einem braunen Zwerg? 20. Warum entstehen Sterne oft in Gruppen? 21. Was versteht man unter einem offenen Sternhaufen? 22. Was versteht man unter einem Kugelsternhaufen? 23. Wie bestimmt man das Alter eines Sternhaufens? 24. Was passiert mit einem Stern, wenn dessen Wasserstoff-Vorrat zu Ende geht? 25. Wodurch wird der Helium-Blitz ausgelöst? 26. Wieso bläht sich ein Stern beim Verlassen der Hauptreihe auf? 27. Was versteht man unter dem 3α-Prozeß? 28. Was versteht man unter der Beryllium-Barriere und was ist daran so bemerkenswert? 29. Was versteht man unter einem roten Riesen? 30. Was versteht man unter dem Wasserstoffschalenbrennen? 31. Welche Fusionsprozesse laufen in einem roten Riesen ab? 32. Was ist ein roter Zwerg? Welche Sterne werden zu einem roten Zwerg? 33. Warum glaubt man, daß die meisten Sterne in unserer Milchstraße (und wahrscheinlich im ganzen Universum) rote Zwerge sind? 34. Von welchem Typus sind die meisten Sterne, die man mit bloßem Auge sehen kann? 35. Welche Elemente werden durch die diveresen Fusionsreaktionen im Inneren eines Sternes hauptsächlich erzeugt? Und woher kommen all die anderen Elemente? 36. Beschreiben Sie die weitere Entwicklung unserer Sonne (mit Zeitangaben). 37. Was versteht man unter einem planetarischen Nebel und wie entsteht er? 38. Was ist ein weißer Zwerg? Was stabilisiert ihn gegen die Gravitationskraft? Woher wissen wir, daß es weiße Zwerge tatsächlich gibt? 39. Wie bestimmt man das Alter von Sternhaufen? 40. Beschreiben Sie die Entwicklung eines massereichen Sternes (M > 8M ) nach dem Ende des Wasserstoffbrennens. 41. Was versteht man unter einem roten Überriesen?

25 Sternentwicklung Warum sind die Fusionsphasen der schwereren Elemente soviel kürzer als die Funsionsphasen der leichteren Elemente? 43. Warum kommt es ganz allgemein zu heftigen bis katastrophalen Veränderungen, wenn ein Stern seinen Fusionsofen von einem auf einen anderen Brennstoff umstellt? 44. Wann kommt es zu einer Supernova (Typ II)? Wie endet der Stern, der eine Supernova verursacht? 45. Was ist ein Neutronenstern? Welche Kräfte stabilisieren ihn gegen die Gravitationskraft? 46. Wie groß ist ein typischer Neutronenstern und was ist seine typische Dichte? Kennen Sie andere physikalische Objekte mit einer vergleichbaren Dichte? 47. Was ist ein schwarzes Loch? Welche Kräfte stabilisieren ein schwarzes Loch gegen die Gravitation? 48. In welcher Form wird der Löwenanteil der Energie einer Supernova-Explosion abgestrahlt? 49. Woher kommen die Elemente, die schwerer sind als Eisen? Warum sind Supernova- Explosionen hierfür wichtig?

26 10 Galaxien 1. Was enthält der Messier Katalog? 2. Wieviel Sterne enthält unsere Milchstraße? 3. Erklären Sie den Mechanismus, der die Leuchkraft-Änderungen bei Cepheiden verursacht. 4. Wie sieht die typische Leuchtkurve von Cepheiden aus? 5. Wie groß sind die Perioden von typischen Cepheiden? 6. Welche Beziehung besteht zwischen der Periode und der absoluten Leuchtkraft von Cepheiden? 7. Warum sind Cepheide in der Astronomie so wichtig? 8. Was versteht man unter der kosmischen Entfernungsleiter? 9. Welche Entfernungen kann man noch mit der Parallaxen-Methode messen? Welche mit Hilfe der Cepheiden? 10. Woher wissen wir, daß unsere Milchstraße nur eine von vielen Welten-Inseln ist? 11. Woraus hat Herschel fälschlicherweise geschlossen, daß sich unser Sonnensystem im Zentrum der Milchstraße befindet? Was hat er bei seiner Argumentation nicht beachtet? 12. Woher glauben wir zu wissen, wo sich das Zentrum der Milchstraße wirklich befindet? 13. Wie weit ist die Sonne vom galaktischen Zentrum entfernt? 14. Was ist die 21cm Linie? Und warum ist sie in der Astronomie so wichtig? 15. Sie kennen die Karten, die eine Draufsicht der Milchstraße darstellen. Welche Beobachtungen erlauben es uns, solche Karten zu zeichnen? 16. Um welchen Galaxientyp handelt es sich bei der Milchstraße? Machen Sie eine Skizze! 17. Was sind die Dimensionen unserer Milchstraße? (Durchmesser, Dicke, Entfernung der Sonne zum Zentrum) 10-1

27 10-2 Galaxien 18. Woraus besteht die Scheibe unserer Milchstraße? 19. Welche Objekte bevölkern den galaktischen Halo? 20. Skizzieren Sie die Bewegung eines Sternes (a) in der Scheibe in der Nähe des galaktischen Zentrums, (b) in der Scheibe, aber weit entfernt vom Zentrum und (c) außerhalb der Scheibe im galaktischen Halo. 21. Was kann man aus einer Infrarot-Aufnahme der Milchstraße lernen? 22. Woher wissen wir, daß sich im Zentrum unserer Milchstraße ein schwarzes Loch mit Masse M = M befindet? 23. Woher wissen wir, mit welcher Geschwindigkeit die Sonne um das galaktische Zentrum rotiert? 24. Erläutern Sie, wieso die Spiralstruktur von Galaxien einer einfachen Rotation nach dem Keplerschen Gesetzen widerspricht. 25. Woher wissen wir, daß die Masse, die wir mit unseren Teleskopen direkt nachweisen können, nur 10% der Masse unsere Milchstraße ausmacht? Woraus könnten die anderen 90% bestehen? 26. Skizzieren Sie die Rotationskurve unserer Milchstraße (Achsenbeschriftungen nicht vergessen!). Wie müßte die Rotationskurve aussehen, wenn die Milchstraße nur die sichtbare, leuchtende Materie enthalten würde? 27. Beschreiben Sie eine Methode, mir der man Objekte der dunklen Materie in unserer Michstraße nachweisen kann. 28. Geben Sie eine einfache, kinematische Erklärung für die Spiralstruktur von Galaxien. Warum kann diese Erklärung die beobachtete Spiralstruktur nicht allein erklären? 29. Wieso leuchtet das Zentrum vieler Galaxien gelblicher als die Spiralarme?

28 11 Kosmologie 1. Was bedeuten die Worte Kosmos und Universum? 2. Erläutern Sie das Olber sche Paradoxon. Wie könnte man es auflösen? Wie lautet die moderne Auflösung? 3. Beschreiben Sie, wie es zwischen Sternen zum Austausch von Masse kommen kann. 4. Was ist eine Supernovae vom Typ Ia? 5. Wieso sind Supernovae vom Typ Ia als Standarkerzen geeignet, nicht aber Supernovae vom Typ II? 6. Was ist überhaupt eine Standardkerze und wozu dient sie? 7. Was versteht man unter der kosmischen Entfernungsleiter? Erläutern Sie mindestens 3 Sprossen dieser Leiter. 8. Beschreiben Sie die Verteilung von Galaxien im Universum. 9. Welche Beobachtung in Galaxienhaufen deutet auf die Existenz dunkler Materie hin? 10. Wie weit ist die Andromeda-Galaxie entfernt? Wie weit der nächste Galaxienhaufen? 11. Was besagt das Hubble sche Gesetz? 12. Wie hängt die Hubble-Konstante mit dem Alter des Universums zusammen? 13. Nach Hubble bewegen sich alle Galaxien radial in alle Richtungen von uns weg. Begründen Sie, wieso das kein Beleg dafür ist, daß wir uns im Zentrum des Universums befinden. 14. Was hat die von Hubble beobachtete Rotverschiebung mit dem kinematischen Doppler-Effekt zu tun? 15. Erklären Sie die Ursache der kosmologischen Rotverschiebung. 16. Wenn das Universum expandiert, wieso entfernen sich dann nicht die Sterne in unserer Milchstraße immer weiter voneinander? 11-1

29 11-2 Kosmologie 17. Der Rand des sichtbaren Universums entfernt sich von uns mit Lichtgeschwindigkeit c. Können wir diesen Rand jemals erreichen, wenn uns nur Geschwindigkeiten v c zur Verfügung stehen? Begründen Sie ihre Antwort! 18. Wieso war das Universum gleich nach dem Urknall nicht lichtdurchlässig? Was mußte passieren, damit sich das Lich im Universum ausbreiten konnte? 19. Woher kommt der kosmische Mikrowellenhintergrund? 20. Welche Temperatur hat der kosmische Mikrowellenhintergrund? Und warum hat sie gerade diesen Wert? 21. Woher wissen wir, daß sich die Milchstraße relativ zum Mikrowellenhintergrund bewegt? 22. Was versteht man unter der kosmischen Inflation? 23. Auf welcher Temperaturskala ist der Mikrowellenhintergrund inhomogen? Was bedeuten diese Inhomogenitäten für die großräumige Struktur des Universums? 24. Nennen Sie ein Indiz für die Existenz dunkler Materie und ein Indiz für die Existenz dunkler Energie. 25. Wieviel Prozent der Masse im Universum entfällt auf die sichtbare Materie? Wieviel auf die dunkle Materie? 26. Warum glaubt man, daß die Raumzeit-Geometrie des Universums flach ist?