Einführung in Astronomie und Astrophysik

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1 Arnold Hansimeier Einführung in Astronomie und Astrophysik 2. Auflage Spektrum k-/l AKADEMISCHER VERLAG

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1 Sphärische Astronomie Koordinatensysteme Horizontsystem Äquatorsystem Ekliptiksystem Galaktisches System Transformationen der Systeme Die Zeit Definitionen, Sonnenzeit und Sternzeit Kalender Der Stern von Bethlehem Sternpositionen Refraktion Aberration Parallaxe Präzession, Nutation Sternkataloge Lichtablenkung und Exoplaneten Orts- und Zeitbestimmung Geographische Breite $ Zeitbestimmung Moderne Navigationssysteme 31 2 Geschichte der Astronomie Astronomie der Vor- und Frühgeschichte Ägypten, Mesopotamien China Mittel- und Nordamerika Altes Europa 37

3 VI INHALTSVERZEICHNIS 2.2 Astronomie der Griechen Philosophische Überlegungen Erste Messungen Navigation Astronomie im Mittelalter und frühe Neuzeit Astronomie der Araber Mittelalter Geozentrisch > heliozentrisch Kepler, Galilei, Newton Himmelsmechanik Moderne Astrophysik und Kosmologie Die Entdeckung weiterer Objekte im Sonnensystem Astrophysik Das Universum Schlussbemerkung 55 3 Himmelsmechanik Mond und Planetenbahnen Ephemeridenrechnung Scheinbare Planetenbahnen am Himmel Periheldrehung Mondbahn Zweikörperproblem Drehimpuls, Flächensatz Bahnform Energiesatz Drittes Keplergesetz N-Körperproblem Das allgemeine N-Körperproblem Das allgemeine Dreikörperproblem Eingeschränktes Dreikörperproblem ' Raumflug Entweichgeschwindigkeiten Raketenformel Satellit im Erdorbit Einflüsse auf Satellitenbahnen Resonanzen im Planetensystem Chaos Resonanzen im Sonnensystem Migration von Planeten Finsternisse Mondfinsternisse Sonnenfinsternisse 91

4 INHALTSVERZEICHNIS VII Planetentransits 93 4 Astronomische Instrumente Teleskope Abbildungsfehler Teleskoptypen Teleskopmontierungen Robotische Teleskope Moderne optische Teleskope Moderne erdgebundene Teleskope Das Hubble-Space-Teleskop und andere Projekte Detektoren Menschliches Auge, Photographie CCD CMOS Speckle-Interferometrie Bildkorrektur Nicht optische Teleskope Radioteleskope Infrarotteleskope Röntgenteleskope Spektroskopie Allgemeines zur Spektroskopie Typen von Spektrographen Strahlung und Spektrum Das elektromagnetische Spektrum Thermische Strahlung Emissions- und Absorptionslinien Polarisiertes Licht Magnetfelder und Strahlung Einsteinkoeffizienten Kohärenz Physik der Körper des Sonnensystems Übersicht Eigenschaften der Planeten Rotationsdauer Massenverteilung Albedo Spektrum Globaler Energiehaushalt Hydrostatisches Gleichgewicht Stabilität eines Satelliten, Roche-Grenze 141

5 VIII INHALTSVERZEICHNIS Planetenatmosphären Die Erde Aufbau der Erde Geologische und biologische Entwicklung Erdmagnetfeld Erdatmosphäre Der Mond Allgemeines Entstehung des Mondes Merkur Venus Oberfläche der Venus Atmosphäre der Venus Mars Marsoberfläche Marsatmosphäre Marsmonde Jupiter Allgemeine Eigenschaften Jupiteratmosphäre Magnetosphäre des Jupiter Jupiterringe und Jupitermonde Saturn Saturnringe Saturnmonde Uranus und Neptun Entdeckung und allgemeine Eigenschaften Ringe und Satelliten von Uranus und Neptun Zwergplaneten Pluto Ceres und weitere Zwergplaneten Asteroiden Benennung und Typen Verteilung der Asteroiden NEOs Kometen Kuipergürtel und Oort'sche Wolke Sungrazer Meteoroiden Nomenklatur Klassifikation Interplanetare Materie 199

6 INHALTSVERZEICHNIS IX 5.15 Entstehung des Sonnensystems Extrasolare Planetensysteme Theorien der Entstehung Protoplanetarer Nebel Die Sonne Grunddaten und Koordinaten Grunddaten Koordinaten Entfernung Sonnenmasse Radius Leuchtkraft Effektive Temperatur Sonnenbeobachtung Der Aufbau der Sonne, die ruhige Sonne Sonneninneres Photosphäre Chromosphäre Korona Die Aktive Sonne Flecken Fackeln Protuberanzen Flares Die Radiostrahlung Röntgenstrahlung der Korona Solarterrestrische Beziehungen Der Sonnenaktivitätszyklus Zeitreihen, Periodenanalyse Die solare Irradianz Helioseismologie Mathematische Beschreibung Beobachtungsergebnisse Magnetohydrodynamik der Sonne Maxwell-Gleichungen Induktionsgleichung Plasmagleichungen Bewegung eines Teilchens in einem Magnetfeld

7 X INHALTSVERZEICHNIS 7 Zustandsgrößen der Sterne Entfernung, Helligkeiten Scheinbare Helligkeit Entfernung Absolute Helligkeit, Entfernungsmodul Bolometrische Helligkeit Sternradien Sterninterferometer Sternbedeckungen durch den Mond Bedeckungsveränderliche Sterne Speckleinterferometrie Microlensing Masse Drittes Keplergesetz Gravitationsrotverschiebung Abgeleitete Größen Sterntemperaturen Sterne als Schwarze Körper Weitere Temperaturbegriffe Klassifikation der Sterne, HRD Spektralklassifikation Das Hertzsprung-Russell-Diagramm Leuchtkraftklassen Balmersprung Sternpopulation und FHD Die Masse-Leuchtkraft-Beziehung Rotation und Magnetfelder Rotation Magnetfelder Besondere Sterne Helle Sterne Algol und Bedeckungsveränderliche Sternatmosphären Quantenmechanische Beschreibung Beschreibung eines Teilchens Schrödingergleichung Wellenfunktionen für Wasserstoff Quantenzahlen Elektronenkonfigurationen Wasserstoff-Feinstruktur Komplexe Atome Anregung und Ionisation 289

8 INHALTSVERZEICHNIS XI Thermodynamisches Gleichgewicht Boltzmannformel Saha-Gleichung Strahlungstransport Lösungen der Transportgleichung Absorptionskoeffizienten Kontinuierliche Absorption Streuung Theorie der Absorptionslinien Linienprofile Dämpfung Dopplerverbreiterung -: Voigtprofil Analyse von Sternspektren Wachstumskurven Quantitative Spektralanalyse Sternatmosphärenmodelle Vergleich: Sonne und Wega Numerische Lösungen Sternaufbau Physikalische Grundgesetze des Sternaufbaus Hydrostatisches Gleichgewicht Bewegungsgleichung bei sphärischer Symmetrie Hydrostatisches Gleichgewicht nach der Allgemeinen Relativitätstheorie Zustandsgieichung Entartung Zusammenfassung: Zustandsgieichung Energietransport Konvektion Strahlungstransport Opazität Energiequellen Energieerzeugung durch Kontraktion Thermonukleare Energieerzeugung Neutrinos Spezielle Sternmodelle Polytrope Modelle Homologe Gleichungen 342

9 XII, INHALTSVERZEICHNIS 10 Sternentwicklung Sternentstehung und Entwicklung Protosterne Kollaps eines sonnenähnlichen Sterns Entwicklung eines Sterns mit einer Sonnenmasse Weiße Zwerge Allgemeine Eigenschaften Allgemeine Relativitätstheorie und Weiße Zwerge Magnetfelder Braune Zwerge Neutronensterne Bildung von Neutronensternen Pulsare Supernovae Klassifizierung Kernsynthese während einer SN Beobachtete Supernovae Schwarze Löcher Allgemeines Kandidaten für Schwarze Löcher Quantentheorie Schwarzer Löcher Akkretion Gamma Ray Bursts Eigenschaften der GRB Erklärung der GRB Vergleich der Sternentwicklung Veränderliche Sterne Allgemeines Pulsationsveränderliche Halbregelmäßig Veränderliche Eruptive Veränderliche Pekuliare Sterne Planetarische Nebel Sternaktivität Interstellare Materie Entdeckung, allgemeine Eigenschaften Interstellarer Staub Extinktion Streuung Polarisation Interstellares Gas Neutraler Wasserstoff 387

10 INHALTSVERZEICHNIS XIII 11.4 Emissionsnebel, H-II-Regionen Besondere Emissionsnebel Lichtechos Kosmische Strahlung Die Galaxis Entfernungsbestimmungsmethoden Trigonometrische Methoden Photometrische Standardkerzen Der Aufbau unserer Milchstraße Grober Aufbau Galaktische Koordinaten Verteilung der Sterne Sternpopulationen und Dichtewellen Sternpopulationen Dichtewellen, Spiralstruktur Rotation der Galaxis Radial- und Tangentialbewegung Galaktische Rotation, LSR Galaktische Rotationskurve Dunkle Materie in der Milchstraße Natur der dunklen Materie Galaktisches Microlensing Galaktisches Zentrum Definition des Zentrums Zentraler Sternhaufen und Schwarzes Loch Spiralarme und andere Eigenschaften Extragalaktische Systeme Klassifikation Verzeichnisse Hubble-Klassifikation Andere Klassifikationen von Galaxien Elliptische Galaxien, E Spiralgalaxien Irreguläre Galaxien Verteilung auf Typen Integrale Eigenschaften und Durchmesser Die Magellan'schen Wolken Populationssynthese Supermassive Schwarze Löcher Detektion SMBHs SMBHs und Galaxieneigenschaften 438

11 XIV INHALTSVERZEICHNIS 13.3 Aktive Galaxien Aktive Galaxienkerne Radiogalaxien Quasare Galaxien mit hoher Rotverschiebung Blazare Galaxienhaufen Superhaufen Kosmologie Beobachtungsergebnisse Blick in die Vergangenheit Olbers-Paradoxon Zählungen Die Galaxienflucht Homogenität und Isotropie Methoden der Entfernungsbestimmung Newton'sche Kosmologie Expansion Bewegungsgleichung Energieerhaltung Relativitätstheorie Spezielle Relativitätstheorie Allgemeine Relativitätstheorie Materie und Raum-Zeit-Krümmung Metrik des Raumes Friedmann-Lemaitre-Gleichungen Gravitationswellen Dunkle Energie, beschleunigte Expansion Beobachtungen Dunkle Energie Das frühe Universum Urknall-Beobachtungshinweise Sunyaev-Zel'dovich-Effekt Akustische Oszillationen Bildung der Teilchen Quarks und Quark-Gluonen-Plasma, Teilchenerzeugung Symmtriebrechung im frühen Universum Die vier Naturkräfte Das frühe Universum Inflationäres Universum Stringtheorie 489

12 INHALTSVERZEICHNIS XV 14.7 Paralleluniversum Quantenschaum Quantenvakuum Paralleluniversen Zeitskala Mathematische Methoden Statistik Mittelwerte Verteilungsfunktionen Momente Kurvenfits und Korrelationsrechnung Anpassen von Kurven, Methode kleinster Quadrate Korrelationen Numerische Mathematik Interpolationspolynome Dividierte Differenzen Newton'sches Interpolationsverfahren Interpolation mit ungleichmäßig verteilten Stützstellen Numerische Differenziation Numerische Integration Differenzialgleichungen Fouriermethoden Autokorrelation Die Fast Fourier Transformation, FFT Digitale Filter Fouriertransformationen in der Optik Vektorrechnung Allgemeines Gradient, Divergenz, Rotation Splines Anhang Literatur Allgemein Literatur zu speziellen Themen Zeitschriften Wichtige Internetadressen Software (professionelle) Testfragen Tabellen '. 533 Index 537