Den Nachthimmel erleben

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1 Den Nachthimmel erleben

2 Professor Arnold Hanslmeier istastrophysiker aminstitut für Physik an der Universität Graz. Neben mehr als 400 wissenschaftlichen Veröffentlichungen und mehreren Fachbüchern widmet er sich auch sehr gerne der verständlichen Verbreitung der faszinierenden Erkenntnisse der modernen Astrophysik. Er hält Vorlesungen an der Universität Graz und ist oft Gastprofessor an den Universitäten Wien, Innsbruck, Toulouse, La Laguna, Teneriffa sowie dem Kiepenheuer Institut in Freiburg. Wegen seiner besonderen didaktischen Fähigkeiten komplizierte Dinge einfach und anschaulich darzustellen ist er ein international sehr gefragter Referent.

3 Arnold Hanslmeier Den Nachthimmel erleben Sonne, Mond und Sterne Praktische Astronomie zum Anfassen

4 Prof. Arnold Hanslmeier Astrophysik und Meteorologie Universität Graz Institut für Physik / IGAM Graz, Österreich ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder derverlagnochdieautorenoderdieherausgeberübernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Redaktion: Bernhard Gerl Planung: Margit Maly Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

5 Vorwort Astronomie erleben, das bedeutet sichermehralsnursonne,mond,planeten und Sterne zu beobachten. Es geht um das Wissen, welche Geheimnisse sich hinter diesen Objekten verbergen. Was sind Planeten, was sind schwarze Löcher, gibt es Leben auf anderen Planeten, was ist dunkle Materie... Astronomie erleben bedeutet, dass wir bereits aus einfachen Beobachtungen, teils mit bloßem Auge, einiges über das Universum aussagen können. Beispielsweise genügt ein Blick zum Nachthimmel, um festzustellen, dass es Materie zwischen den Sternen gibt, oder dass das Universum nicht unendlich sein kann und eine Entwicklungsgeschichte haben muss. Aber mit einem Fernglas oder noch besser einem Teleskop wird unser Blick in die Tiefen des Universums natürlich schärfer. Wir erkennen Stürme auf dem Mars, riesige Ausbrüche auf der Sonne und weit entfernte Galaxien, deren Licht zu uns ausgesendet worden ist, als es noch gar keine Menschen auf der Erde gab. In diesem Buch wollen wir zu solchen Beobachtungen anregen. Aber Vorsicht: Sie können davon süchtig werden und brauchen auch teilweise viel Geduld. Wir geben Tipps, wie man den Mond am besten fotografiert oder die Planeten beobachtet und was man bei Aufnahmen von lichtschwachen Objekten wie fernen Nebeln oder Galaxien berücksichtigen muss. Die Astronomie zählt sicher zu den sich am raschesten entwickelnden Naturwissenschaften. Durch neue Techniken, wie computergesteuerte Teleskope oder CCDs, ist es auch Amateurastronomen möglich tiefe Einblicke in das Universum zu erhalten. Das Buch gibt einen ausführlichen Überblick über die moderne Astronomie, ohne dass man die empfohlenen Beobachtungen und Experimente selbst durchführt. Für besonders Interessierte sind auch ein paar einfache Berechnungen angeführt. Es richtet sich an interessierte Laien, Amateurastronomen, Schüler und Schulen mit Schulsternwarten und kann auch im Unterricht sehr gut verwendet werden. Das Buch enthält zahlreiche Bilder aus eigenen Beobachtungen auch wenn diese nicht immer perfekt sind. Der Autor wünscht den Leserinnen und Lesern viel Spaß beim Erkunden des Universums. Ich bedanke mich bei meiner LebensgefährtinAnita für die Hilfe beimbeobachten,bei Springer-Spektrumfür die ausgezeichnete Zusammenarbeit, bei

6 VI Den Nachthimmel erleben Frau Bettina Saglio und Frau Margit Maly für die Planung und Lektorat, sowie Herrn Bernhard Gerl für die Redaktion. Graz, April 2015 Arnold Hanslmeier

7 Inhaltsverzeichnis 1 Teleskope Was sollte ein Teleskop leisten? Vergrößerung Auflösungsvermögen Mehr Details Vergrößern ja aber sinnvoll Der Abbildungsmaßstab Teleskope und Abbildungsfehler Linsen- und Spiegelteleskope Chromatische Aberration Weitere Abbildungsfehler Auf den Unterbau kommt es an: Teleskopmontierungen Azimutale Montierung Parallaktische Montierung Autoguiding Fernglas Bilder aufnehmen Astrokameras Bildverarbeitung Der Ursprung des Universums oder warum es nachts dunkel wird Tag und Nacht Wann ist eigentlich Mittag? Was ist eigentlich ein Tag genau? Der Lauf des Mondes Die schiefe Erdachse Wieso dauert der Sommer länger als der Winter? Die veränderliche Sonnenmasse Gravitation alles dreht sich Die Gravitation gilt überall Zwei Arten von Kräften Der Anblick des Sternenhimmels Erste Beobachtung: Es ist nachts dunkel Beobachtung Nummer 2: Alles dreht sich um den Polarstern Beobachtung Nummer 3: Staub zwischen den Sternen Beobachtung Nummer 4: Planeten am Himmel... 42

8 VIII Den Nachthimmel erleben Wann sieht man die Planeten am besten? Beobachtung für Spezialisten: Das Problem der Planetenschleifen Der Mond Begleiter der Erde Die Bahn des Mondes Mondumlauf und Erdachse Sonnen- und Mondfinsternisse Finsternisse und die Relativitätstheorie Alles ist relativ Allgemeine Relativitätstheorie Den Mond beobachten Rotiert der Mond? Den Mond mit bloßem Auge beobachten Den Mond mit einem Fernglas beobachten Der Mond im Teleskop Eine Reise durch die Geschichte des Mondes Die Gegend um das Mare Nectaris Das Mare Imbrium Oceanus Procellarum Der Mond physikalisch Ein Doppelplanet am Venushimmel Vergleich Erde und Mond Wir berechnen die Masse des Mondes Hat der Mond eine Atmosphäre? Beben auf dem Mond Der Einfluss des Mondes auf die Erde Die Erde dreht sich langsamer Die Entstehung des Mondes Wir bestimmen das Alter der Mondoberfläche Woher stammt der Mond? Den Mond fotografieren Fotografie des Vollmondes Fotografie der Mondkrater und Mondgebirge Der Mond bewegt sich Die Planeten Einteilung der Planeten Erdähnliche Planeten Die Riesenplaneten Wir machen ein Modell des Sonnensystems Die astronomische Einheit Wir beobachten die Planeten Merkur Venus Zusammenfassung: Beobachtung der inneren Planeten... 89

9 Inhaltsverzeichnis IX Mars Fotografieren der erdähnlichen Planeten Jupiter Saturn Uranus und Neptun Das Innere der Planeten Aufbau der Erde Seismologie Der Aufbau anderer erdähnlicher Planeten Weshalb sind Planeten eigentlich rund? Wieso ist es im Inneren der Planeten heiß? Planeten und Magnetfelder Die Oberflächen der terrestrischen Planeten Was wir aus der Form von Kratern lernen können Vulkanismus Geologische Geschichte der Planeten Mars Venus Die Atmosphären der erdähnlichen Planeten Grundlegendes über Atmosphären Wechselwirkung zwischen Strahlung und Atmosphäre Sonnenwind und Magnetosphäre Wetter und Klima Woher kommt das Gas in der Atmosphäre eines Planeten? Die Atmosphären von Mond und Merkur Die Atmosphäre des Mars Warum ist Venus so heiß? Die Atmosphäre der Erde Überlegen Sie doch mal Die Gasplaneten Die jovianischen Planeten Uranus und Neptun Planetenmonde und Planetenringe Die Ringe der großen Planeten Die Roche-Grenze, oder wann Monde auseinanderbrechen Die Monde des Mars Die Mondes des Jupiter Saturnmonde Die Mondes des Uranus Die Monde des Neptun Zwergplaneten und andere Kleinkörper Zwergplaneten Pluto vom Planeten zum Zwergplaneten Ceres vom Asteroiden zum Zwergplaneten Was ist der Unterschied zwischen Planeten und Zwergplaneten?

10 X Den Nachthimmel erleben 5.2 Asteroiden Allgemeine Eigenschaften Asteroiden beobachten Asteroiden Gefahr für die Erde? Gefahr eines Asteroideneinschlages Trojaner Kometen Kurz- und langperiodische Kometen Aufbau der Kometen Herkunft der Kometen Wir beobachten Kometen Kleinkörper und Staub im Sonnensystem Meteoroide Sternschnuppenströme beobachten Die Sonne unser Stern Wir beobachten die Sonne Achtung: Niemals direkt!! Flecken, die nicht sein durften Die brodelnde Oberfläche der Sonne Wird es im Inneren der Sonne heißer? Wir zeigen, dass die Erdbahn elliptisch ist Moderne Sonnenteleskope Der Aufbau der Sonne Die Kernfusion im Inneren der Sonne Die Photosphäre Chromosphäre und Korona Die Korona Sonnenaktivität und Weltraumwetter Wie man berühmt wird Wir messen die Sonnenaktivität Der Sonnendynamo Sonnenaktivität und Erdklima Weltraumwetter Gefahr für Astronauten? Die Heliosphäre Eine Reise an den Rand des Sonnensystems Die Sterne Aufbau und Entwicklung Der Sternenhimmel Sternbilder und Beobachtungen mit bloßem Auge Sternhaufen Gebiete der Sternentstehung Zustandsgrößen der Sterne Entfernung der Sterne Massen der Sterne

11 Inhaltsverzeichnis XI Wie groß sind Sterne Wie heiß sind Sterne? Sternhelligkeiten Das wichtigste Diagramm der Astrophysik Was ist ein Spektrum? Das Hertzsprung-Russell-Diagramm Riesen und Zwerge: Leuchtkraftklassen Wie entstehen Sterne? Gasnebel und junge Sternhaufen Eine Wolke kollabiert Sterne auf der Hauptreihe Sterne am Ende ihrer Entwicklung Weiße Zwerge, das Schicksal unserer Sonne Neutronensterne Schwarze Löcher Galaxien Unsere kosmische Heimat die Milchstraße Wir beobachten die Milchstraße Die Masse der Milchstraße dunkle Materie? Eine Spiralgalaxie Das supermassive schwarze Loch im Zentrum Galaxien Wir beobachten Galaxien Entfernungsbestimmungen Typen von Galaxien Besondere Galaxien Galaxienhaufen Wir beobachten Galaxienhaufen Die lokale Gruppe Der Virgohaufen Superhaufen Wie alles entstanden ist Das Universum und der Urknall Warum die Nacht dunkel ist Welteninseln Das Universums dehnt sich aus Das Alter des Universums Das kühle Universum war früher heiß Das Universum wird undurchsichtig Woher kommen die chemischen Elemente Urknall und Teilchenphysik Teilchen und Energie Vereinigung der Kräfte

12 XII Den Nachthimmel erleben Dunkle Materie und dunkle Energie Raum-Zeit Leben im Universum Entstehung des Lebens auf der Erde Die Entdeckung von Exoplaneten Habitable Zonen Kontaktaufnahme? Weiterführende Literatur Sachverzeichnis

13 Tabellenverzeichnis Tab. 1.1 Helligkeitsgewinn: Je größer der Objektivdurchmesser, desto schwächere Sterne sieht man... 7 Tab. 2.1 Venus: Zeitpunkte ihrer größten westlichen und größten östlichen Elongation sowie deren Betrag. Um die größte westliche Elongation erscheint Venus als strahlender Morgenstern, um den Zeitpunkt ihrer größten östlichen Elongation als strahlender Abendstern Tab. 2.2 Merkur: Zeitpunkte seiner größten westlichen und größten östlichen Elongation sowie deren Betrag. Um die größte westliche Elongation ist eine Morgensichtbarkeit des Planeten möglich, um die größte östliche Elongation eine Abendsichtbarkeit. 46 Tab. 2.3 Äußere Planeten, Daten ihrer Opposition Tab. 3.1 Astronomische Instrumente, und was man damit auf dem Mond sehen kann Tab. 4.1 Die großen Planeten. D: Äquatordurchmesser, v e : Fluchtgeschwindigkeit Tab. 4.2 Modell des Sonnensystems, Maßstab 1: Tab. 4.3 Die wichtigsten Eigenschaften der Planeten und von Pluto; d: Entfernung von der Sonne Tab. 4.4 Terrestrische Planeten und Treibhauseffekt. d Distanz von der Sonne, a Albedo, T 1 mittlere Temperatur ohne Treibhauseffekt, T Oberlf. tatsächliche Oberflächentemperatur, Differenz D Unterschied zwischen tatsächlicher Temperatur und Temperatur ohne Treibhauseffekt Tab. 5.1 Bekannte Sternschnuppenschwärme Tab. 7.1 Scheinbare Helligkeiten einiger Objekte Tab. 7.2 Zeitskalen der Sternentwicklung für Sterne unterschiedlicher Masse. 207 Tab. 9.1 Liste der bis März 2014 gefundenen Exoplaneten