Astrophysik I WS 2017/2018 Stefanie Walch-Gassner I. Physikalisches Institut der Universität zu Köln

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1 Astrophysik I WS 2017/2018 Stefanie Walch-Gassner I. Physikalisches Institut der Universität zu Köln Vorlesung 2: Vorlesung Astronomische 1: Einführung/Weltbild Koordinatensysteme Organisation: Vorlesung (Stefanie Walch-Gassner, walch@ph1.uni-koeln.de) Hörsaal 3 der Physikalischen Institute Montag 12:00-12:45, Mittwoch 12:00-13:30 Anmeldung über KLIPS 2.0 Deadline für die Anmeldung (morgen) um 18:00! Rückfragen bitte an Daniel Seifried (s.u.) Webseite: Übungen: (5 Gruppen) Zeit: Montag 9:00-10:00 (Sem. I. Physik), 10:00-11:00 (Sem. Theor. Altbau),11:00-12:00 (Sem. Theor. Altbau), 13:00-14:00 (HS III), 14:00-15:00 (Konferenzraum Theor. Altbau) Ausgabe der Aufgaben: Montag nach der Vorlesung: Download auf der Kurs-Webseite! Abgabe: eine Woche nach Ausgabe bis Ende der Vorlesung um 12:45! in Gruppen zu 2 Personen, handschriftlich regelmäßige Teilnahme und erfolgreiche Mitarbeit, nachgewiesen durch 2-maliges Vorrechnen und Erreichen von mindestens 50% der Übungspunkte sind Voraussetzung für die Klausurteilnahme Nicht-Abgabe der Übungsblätter in maximal 2 Fällen! Übungsgruppenleiter Daniel Seifried (seifried@ph1.uni-koeln.de) Klausur Voraussetzung: erfolgreiche Teilnahme an den Übungen (s.o.) Anmeldung Inhalt: Stoff der Vorlesung und der Übungen Termin: 19. Februar 2018, 11:00-14:00, HS 1 Vorläufiger Termin der Nachklausur: 28. März 2018, 13:00-16:00, HS 2

2 Astrophysik I: 1. Einführung/Teleskope Literatur: Carroll, Ostlie: An Introduction to modern Astrophysics, 2008, Pearson Addison-Wesley Publishing Company Choudhuri: Astrophysics for Physicists, 2011, Cambridge University Press Karttunen: Fundamental Astronomy, Springer 2007 F. Shu, "The Physical Universe", 1982, University Science Books, Mill Valley, California Unsöld, A., und Baschek, B., "Der neue Kosmos", 2005, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York Weigert, A., Wendker, H.F., Wisotzki, L "Astronomie und Astrophysik", 2011, VCH Verlag, Weinheim

3 Astrophysik I: Historie und heutiges Weltbild Verständnis der Bewegung der Sterne (fix) und Planeten (Wandelsterne) nützlich für Navigation (Nomaden-Völker;...) Zeitberechnung (Ackerbau, Gezeiten;...) Verbindung zu Religion: Rolle des Menschen im Universum, aber auch Astrologie Beispiel: Himmelscheibe von Nebra Fundort: Mittelberg, Sachsen-Anhalt Datierung: ca v. Chr. oder älter! Bronzezeit Mitteleuropas Vermutlich religiöser Gebrauch Zweitälteste bekannte Himmelsdarstellung Hochkulturen Ägypten und Mesopotamien Indien China Zentralamerika Griechische Astronomie Erathostenes: 220 v. Chr.: Bestimmung des Erdradius aus Schattenlängen an verschiedenen Orten in Ägypten Aristarch von Samos: 3. Jhd v. Chr.: heliozentrisches System (Sonne im Zentrum!) Hipparchos: Sternkataloge (s.u. Magnitudines) Ptolomäus: geozentrisches Weltbild (Erde im Zentrum) Überlegungen aus Ästhetik, Symmetrie und Weltverständnis z.b. Epizyklen:

4 Astrophysik I: Historie und heutiges Weltbild Arabische Astronomie: bewahrt das ptolomäische Wissen bis zur Renaissance viele arabische Sternnamen Renaissance Kopernikus ( ) Vereinfachung durch Hypothese, dass die Sonne im Zentrum steht, nicht die Erde Tycho Brahe ( ) Hofastronom ( Hof-Astrologe ) unter Friedrich II von Dänemark

5 Astrophysik I: Historie und heutiges Weltbild Tycho Brahe (Fortsetzung) noch ohne Fernrohr, d.h. Peilung mit Quadranten Genauigkeit wenige Bogen-Minuten (s.u.) Supernova-Entdeckung: Cass 1572 Weltbild Tycho Brahe's Kepler ( ), Astronom und Astrologe Assistent von Brahe leitet aus Brahe's Daten die Kepler'schen Gesetze elliptische Planetenbahnen Flächensatz (Drehimpuls) Umlaufzeiten ab Galileo Galilei ( ), Astronom und Physiker erster Einsatz eines Fernrohrs für astronomische Zwecke Mondkrater Phasen der Venus Monde des Jupiter (Modell des Sonnensystems)

6 Astrophysik I: Historie und heutiges Weltbild Isaac Newton ( ), Physiker Bewegungsgl. Gravitationgesetz Spiegel-Teleskop Bessel, Herschel, Hubble, Einstein,... Entfernungen zu den Sternen Milchstraße als eine von Galaxien Ausdehnung des Universums Kosmologie... Physik Nobelpreis 2011: Permutter, Schmidt & Riess beschleunigte Ausdehnung des Universums ---> dunkle Energie

7 Astrometrie: Vermessung der Position der Sterne (und Planeten) an der Himmelskugel (ältester Zweig der Astronomie) wichtig für Katalogisierung, d.h. Referenz/Wiederfinden der Objekte Entfernung zu den Objekten: dritte Koordinate sehr wichtig für die physikalische Interpretation aber oft nicht leicht und genau zu bestimmen (siehe Stern-Parallaxen etc.) Projektion auf die Himmelskugel Winkelkoordinaten, definiert durch Grundebene = Großkreis ( Äquator ) mit zugehörigen Breiten kreisen und Polen (Nord- und Südpol) erste Koordinate: Breite als (Winkel-) Abstand zur Polrichtung (+/- 90 Grad) Großkreis durch Pole als Bezugspunkt für die Längen - Koordinate (Meridian, willkürlich festgelegte 0) zweite Koordinate: Länge als (Winkel-) Abstand von diesem Großkreis (+/- 180 Grad) unvermeidliche Singularitäten in diesen Koordinaten in den Polregionen Winkelmessung/Einheiten Radian (nicht im praktischen Gebrauch; aber in der Numerik) (Bogen-)Grad, Bogen-Minuten, Bogen-Sekunden:, ', '' (Winkel-)Stunden, Minuten, Sekunden nützliche Umrechnungen: 1 Bogensekunde ist ungefähr Erbsendurchmesser in 1 km Entfernung

8 1. Horizontsystem bezogen auf Standort auf der Erde Grundebene: lokaler Horizont damit Richtung der Pole: Zenith, d.h. nach oben, Nadir, d.h. nach unten Bezugs-Längenkreis: Großkreis senkrecht auf Horizont, der durch die Rotationsachse der Erde geht (Norden, Süden) = Meridian Koordinaten eines Himmelskörpers Elevation El = 90 - z (-90 < El < 90 ) - im Unterschied zum Zenithabstand:0 < z<180 Azimut: von Süden ausgehend, Norden ist Bezugsrichtung (0 < Az < 360 ) Sterne bewegen sich im Horizontsystem: Aufgang im Osten, Untergang im Westen, zirkumpolar Teleskopmontierungen oft in Az/El (gerade bei großen Teleskopen)

9 2. Äquatorial-System --> Koordinatensystem fest am Himmel, feste Positionen der Sterne (aber s.u.) Grundebene: Erdäquator projiziert auf die Himmelskugel Bezugs-Längenkreis: Großkreis (Meridian) durch Schnittpunkt(e) der projizierten Sonnenbahn (Ekliptik) mit dem Äquator Schnittpunkt im Frühjahr (21. März): Frühlingspunkt = Widderpunkt (da zur Zeit der alten Griechen im Tierkreiszeichen Widder gelegen, s.u.) Koordinaten: erste Koordinate: Deklination δ, Dec. = (Winkel-)Abstand vom Äquator angegeben in Grad, (negative Deklination: Südhalbkugel, positive Dekl.: Nordhalbkugel) zweite Koordinate: Rektaszension α, R.A. = (Winkel-)Abstand des Meridians durch den Stern auf dem Äquator vom Frühlingspunkt angegeben in Stunden links herum : Rektaszension = Zeit zwischen Meridiandurchgang (Kulmination) des Sterns und Meridiandurchgang des Frühlingspunkts Daher auch oft Stundenwinkel genannt ACHTUNG: linkshändiges Koordinatensystem (pos. R.A. nach links auf Himmelskarten)

10 lokale Sternzeit (LST) = momentane Rektaszension des Meridians Stundenwinkel eines Sternes = Differenz zwischen LST und seiner Rektaszension = Zeit seit der Kulmination Kartierung / lokales Koordinatensystem Bezugspunkt lokales cartesisches Koordinatensystem Achtung: Koordinaten-Änderungen in R.A. von z.b. 1 Bogenminute entspricht nicht einem Winkelabstand um den Faktor cos(δ) weniger geographischer Ort mit Breite β obere Kulmination (maximale Elevation) untere Kulmination (minimale Elevation) zirkumpolare Sterne: nie über dem Horizont: Präzession und Epochen Rotationsachse der Erde, geneigt gegen Ekliptik um 23 27', dreht sich langsam auf einem Kegel senkrecht zur Ekliptik: Präzession (astronomische Bezeichnung; richtig/mechanisch: Nutation) Periode: Jahre, d.h. Bewegung pro Jahr:

11 Frühlingspunkt: alte Griechen --> Widder, heute --> Wassermann (Hymne Age of Aquarius im Musical Hair deshalb: Angabe der Epoche (Jahreszahl) zur Festlegung von R.A. und Dec. bezogen auf 1950: bezogen auf 2000: Umrechnung von Koordinaten von Epoche zu Epoche: präzedieren der Koordinaten (siehe wcstools, Harvard Smithonian Center for Astrophysics: ) andere Koordinatensysteme Ekliptikal Sonnensystem, Widderpunkt Galaktisch Milchstraßenebene, Galaktisches Zentrum Übersicht der verschiedenen Koordinatensysteme

12 Refraktion (Brechung) in der Atmosphäre (beachte: Durchgang durch ein planparallel Schicht mit Brechungsindex n 1 gibt Parallelversatz, keine Richtungsänderung, also zweite Ordnung Korrektur hier relevant; es kommt nur auf den Wert des Brechungsindex am Erdboden an) --> scheinbare Anhebung der Sternörter am Horizont um bis zu einen halben Grad! außerdem: atmophärische Absorption

13 weitere Störungen (durch Sonne und Planten) Präzession (siehe oben):sonnen- Gezeiten-Kräfte auf Erde als symmetrischer Kreisel Mond: Gezeitenkräfte große Planeten etc. etc. Störungsrechnung analytisch bis zu 4.Ordnung: 19./20. Jahrhundert mit hoher Präzision (Bestätigung Newton) heute: numerische Integration N_Körper-Problem Genauigkeit: für alle größeren Körper des Sonnensystems auf ca 1 cm (!) Grundlage der Raumfahrt innerhalb des Planetensystems Ephemeriden: Tabellierung der Orte (und Orientierung) der Körper im Sonnensystem (Planeten, Asteroiden, Kometen, etc.); Tabellen: astronomischer Almanach numerisch: Reihenentwicklung, Entwicklungskoeffizienten