Physik der Sterne und der Sonne

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1 Physik der Sterne und der Sonne von Prof. Dr. Helmut Scheffler Landessternwarte Heidelberg-Königsstuhl und Universität Heidelberg und Prof. Dr. Hans Elsässer Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg und Universität Heidelberg 2., überarbeitete und erweiterte Auflage 1990 B* Wissenschaftsverlag Mannheim/Wien/Zürich

2 Einleitender Überblick 13 I Zustandsgrößen der Sonne und normaler Sterne 1 Die Sonne Entfernung Radius Masse Rotation, heliographische Koordinaten Die Strahlung der ungestörten Sonne - Überblick Fraunhoferlinien und qualitative Analyse Strahlungsflußdichte und Intensität - Temperaturbegriffe - Absolute Spektralphotometrie der Sonne Mitte-Rand-Variation der optischen Strahlung über die Sonnenscheibe Ultraviolett- und Röntgenstrahlung Radiostrahlung Gesamtstrahlung, Leuchtkraft und effektive Temperatur der Sonne 56 2 Die Sterne Linienspektren, Harvard-Spektralklassen Energieverteilung Ultraviolett- und Röntgenstrahlung Infrarotstrahlung Scheinbare Helligkeiten Helligkeitssysteme, Farbindizes Absolute Helligkeiten und Leuchtkräfte Radien, Temperaturen Hertzsprung-Russell-Diagramm; Zustandsdiagramm Zweidimensionale Spektralklassifikation Photometrische Spektralklassifikation Leuchtkraftbestimmung durch Messung von Äquivalentbreiten Masse, Dichte, Schwerebeschleunigung Rotation Zusammenstellung der Zustandsgrößen 122 7

3 II Veränderliche und andere Sondertypen 1 Klassen von Veränderlichen Optische und physische Veränderliche Benennung und Verzeichnisse Klassifikation Veränderliche im HRD Pulsierende Veränderliche RR Lyrae-Sterne Cepheiden Mira-Sterne, OH/IR-Sterne Enge Doppelsternsysteme Konfigurationen enger Sternpaare Bedeckungsveränderliche mit Massenaustausch Kataklysmische Veränderliche: Novae, Zwergnovae und ähnliche Sterne Röntgen-Doppelsterne Supernovae und ihre Überreste Supernovae Überreste von Supernovae und Pulsare Sterne mit ausgedehnten Atmosphären, Gas- und Staubhüllen Of-Sterne, Wolf-Rayet-Sterne und späte Überriesen Be-Sterne Planetarische Nebel Infrarotsterne, Staubhüllen Sterne in frühen Entwicklungsphasen T Tauri-Sterne, Herbig Ae/Be-Sterne und verwandte Objekte Infrarote Protosterne Bipolarer Massenausfluß, Jets und zirkumstellare Scheiben Magnetische Sterne, chemische Anomalien Ap-Sterne Metalliniensterne 219 III Phänomene der Sonnenatmosphäre 1 Phänomene der ruhigen Sonne Granulation und Oszillation der Photosphäre Die Chromosphäre am Sonnenrand Die Chromosphäre vor der Sonnenscheibe Die Sonnenkorona 237 8

4 2 Sonnenaktivität Sonnenflecken Solare Magnetfelder Fackeln Chromosphärische Eruptionen oder Flares Protuberanzen Gestörte solare Radiostrahlung Entwicklung einer Aktiven Region Magnetischer Zyklus, Entstehung der Flecken 286 IV Strahlung, Energie und Zustand stellarer Materie 1 Strahlung in stellarer Materie Begriffe aus der Strahlungstheorie Grundgleichungen des Strahlungstransports Strahlungsaustausch im Sterninneren Strahlungsaustausch in Sternatmosphären Beziehungen zwischen Intensität, Strahlungsstrom und Ergiebigkeit Thermische Strahlung einer Schicht konstanter Temperatur Linienabsorptionskoeffizient, Streuprozesse Verbreiterung von Spektrallinien Energiezustände, thermische Anregung und Ionisation von Atomen Kontinuierliche Absorption, Opazität Konvektion im Stern Konvektives Gleichgewicht Konvektiver Energietransport Charakter der Konvektion Zustandsgieichung der Materie im Sterninneren Ideales Gas Entartetes Gas Kernreaktionen im Sterninneren Thermische Kernreaktionen Energieerzeugungsraten 359 V Sternatmosphären 1 Problemstellung Grobe Theorie der Linienspektren der Sterne Qualitative Interpretation der Spektralklassifikation Äquivalentbreiten und Wachstumskurven 366

5 2.3 Grobanalyse früher Spektraltypen Grobanalyse des Sonnenspektrums Modelle von Sternatmosphären im Strahlungsgleichgewicht Graue Atmosphären Nichtgraue Atmosphären, Abweichungen vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (NLTE) Ergebnisse von Modellrechnungen und Vergleich mit Beobachtungen Halbempirisches Modell der Sonnenphotosphäre Temperaturschichtung und kontinuierliche Absorption Photosphärenmodell Konvektive Schichten in Sternatmosphären Modell der Wasserstoffkonvektionszone der Sonne Modelle konvektiver Schichten für die Atmosphären mittlerer und später Spektraltypen Verfeinerte Theorie der Linienspektren normaler Sterne und der Sonne Berechnung von Linienkonturen und Äquivalentbreiten Feinanalysen, Elementhäufigkeiten Physik der Chromosphäre und Korona der Sonne Dichtegradienten der Chromosphäre Halbempirisches Modell der Chromosphäre Dichtemodell der Korona Temperatur der Korona, Ionisationsgleichgewicht Röntgen- und Radioemission der Korona Heizung und Dynamik von Chromosphäre und Korona Theorie ausgedehnter expandierender Atmosphären Linienstrahlung einer sphärisch expandierenden (kontrahierenden) Hülle Sternwinde 447 VI Innerer Aufbau und Entwicklung der Sterne 1 Problemstellung Grundgleichungen des Sternaufbaus Mechanisches Gleichgewicht Energieerhaltung und Energietransport Das System der Grundgleichungen; Folgerungen Sternmodelle und Sternentwicklung Berechnung von Sternmodellen Modelle für das Hauptreihen-Stadium

6 3.3 Nach-Hauptreihen-Entwicklung Pulsationsphase der Sternentwicklung Rotierende Sterne Endstadien der Sternentwicklung Sternentwicklung und Entstehung der Elemente Sternentstehung und Vor-Hauptreihen-Entwicklung Bildung von Sternen aus interstellarer Materie Frühe Entwicklungsphasen 521 Astronomische und physikalische Konstanten im Gaußschen cgs-system Beziehungen zwischen Gaußschen cgs-einheiten und Einheiten des Sl-Systems 535 Durch den Übergang zu SI-Einheiten geänderte Gleichungen 535 Absolute Strahlungsflüsse für den AOV-Stern 536 Ergänzende und weiterführende Literatur 537 Quellennachweis der Tabellen 555 Abbildungsnachweis 557 Register