Unsöld Baschek Der neue Kosmos

Transkript

1 Unsöld Baschek Der neue Kosmos

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3 Albrecht Unsöld Bodo Baschek Der neue Kosmos Fünfte, überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 242 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

4 Professor Dr. Albrecht Unsold Institut fiir Theoretische Physik und Sternwarte, Universităt Kiel, OIshausenstraBe 40, W-2300 Kiel 1 Professor Dr. Bodo Baschek Institut fiir Theoretische Astrophysik, Universităt Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 561, W-6900 Heidelberg 1 Umschlagbild: Optisches Bild der Radiogalaxie NGC 5128 = Centaurus A. Aufnahme mit dem Anglo-Australian Telescope von David Malin. (Mit Genehmigung des Anglo-Australian TeIescope Board) Frontispiz: Galaxiengruppe (NGC ) in Pavo mit Anzeichen fiir Gravitationswechselwirkung zwischen den Galaxien: Iichtschwache Htillen und verbindende Bogen, Verformung von Spiralarmen und Zentralbereichen. (Aufnahme von S. Laustsen mit dem 3.6 m-teleskop der Europăischen Stidsternwarte) ISBN Dle Deutsche Blbliothek - CIP E1Oheltsaufnahme Unsald. Albrecht: Der neue Kosmos / Albrecht Unsold ; Bodo Baschek. - 5., uberarb. und erw. Aufl. Engl. Ausg. u. d. T.: Unsold, Albrecht: The new cosmos ISBN DOI / NE: Baschek, Bodo: ISBN (ebook) DlOses Werk ist urheberrechtlich geschiltzt. Die dadurch begnindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und TabeHen, der Funksendung, der Mlkroverfilmung oder der Vervielfalllgung aut anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, blelben, auch bel nur auszugswelser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervlelfaltigung dleses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ISt auch lm EinzelfaH nur 10 den Grenzen der gesetzlichen Besllmmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepubhk Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulasslg. Sie ISt grundsatzlich vergiltungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1967, 1974, 1981, 1988, 1991 Ursprünghch erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1991 Softcover reprint of the hardcover 5th edition 1991 Dle Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. In dlesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzelchnung mcht zu der Annahme, dab solche Namen lm S10ne der Warenzelchen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frel zu betrachten waren nnd daher von jedermann benutzt werden durften. Satz: K + V Fotosatz, W-6124 Beerfelden 54/ Gedruckt auf saurefreiem Papier

5 In Memoriam M.G. J. Minnaert ( )

6 Vorwort zur fünften Auflage Knapp drei Jahre nach dem Erscheinen der vierten, völlig neu bearbeiteten Auflage ist es bereits jetzt notwendig, eine überarbeitete und erweiterte Bearbeitung des "Neuen Kosmos" vorzulegen. Nahezu gleichzeitig mit dieser Auflage erscheint auch deren Übersetzung als vierte englische Auflage. Gegenüber der vorhergehenden Auflage wurden wichtige astronomische Erkenntnisse der letzten Jahre, wie z. B. die Ergebnisse des Vorbeiflugs von Voyager 2 am Neptunsystem, neuere Informationen über das Hubble-Weltraum-Teleskop und kürzlich gestartete Satelliten, über Neutrino-Experimente und die Beobachtung ferner Galaxien, berücksichtigt sowie Daten und Literaturangaben auf den neu esten Stand gebracht. Selbstverständlich wurden die uns bekannten Fehler korrigiert und einige Ungereimtheiten behoben. Weiterhin sind ausgewählte Übungsaufgaben, deren Lösung zur Vertiefung des Stoffes dienen sollen, sowie einige farbige Abbildungen neu in das Buch aufgenommen. Nach Erscheinen der vierten Auflage erreichten uns viele Zuschriften mit kritischen Hinweisen und Anregungen, die zum großen Teil bereits in der vorliegenden Auflage berücksichtigt werden konnten. Wir bedanken uns bei allen Kollegen für ihre hilfreichen Bemerkungen, vor allem bei Prof. D. Schlüter, Kiel, und Prof. J. Oxenius, Brüssel, die das Buch besonders sorgfältig und kritisch durchgesehen haben. Dem Springer-Verlag, insbesondere den Herren Dr. H. Lotsch und C.-D. Bachern, danken wir für die angenehme Zusammenarbeit bei der Herstellung dieser Auflage. Kiel und Heidelberg, Februar 1991 Albrecht Unsöld Bodo Baschek

7 Vorwort zur vierten Auflage Die stürmische Entwicklung der Astronomie hat sich in den sieben Jahren seit Erscheinen der letzten Auflage weiter fortgesetzt. Die neuen Beobachtungsmöglichkeiten durch die Raumfahrt, die Entwicklung hochempfindlicher Lichtdetektoren und der Einsatz leistungsstarker Elektronenrechner sowohl bei der Gewinnung der Beobachtungsdaten als auch bei deren theoretischer Deutung haben hierzu entscheidend beigetragen. Obwohl von vielen Teilgebieten der Astronomie noch kein abgeklärtes Bild vorliegt, erscheint es uns dennoch notwendig, mit einer erheblich überarbeiteten Neuauflage den Versuch zu unternehmen, eine zusammenhängende Darstellung der Beobachtungsmethoden, der theoretischen Grundlagen und der Ergebnisse für das Gesamtgebiet der Astronomie zu geben. Nach wie vor sehen wir die wesentliche Aufgabe dieses Buches darin, dem Studenten der Astronomie und anderer Naturwissenschaften, dem Fachmann aus Nachbargebieten und dem Amateurastronomen eine verständliche Einführung in alle Bereiche der Astronomie und Astrophysik zu geben, die den heutigen Stand der Forschung berücksichtigt und einen Einstieg in die weiterführende Literatur ermöglicht. Der enorme Fortschritt und die Vermehrung der astronomischen Kenntnisse schlagen sich zwangsläufig in einer merklichen Vergrößerung des Umfangs dieser Auflage gegenüber der vorangehenden nieder. Während bereits früher behandelte Gebiete nur wenig gekürzt werden konnten, beanspruchen u. a. unser Planetensystem, die vielfältigen astronomischen Instrumente und Beobachtungsmethoden, die nukleare Entwicklung der Sterne, der komplexe physikalische Zustand der interstellaren Materie, die Galaxien und Galaxienhaufen und die Aktivitätserscheinungen in den Galaxienkernen sowie die moderne Kosmologie in Verbindung mit Theorien der Elementarteilchen erheblichen zusätzlichen Raum. Die bewährte Gliederung des Inhalts wurde bis auf wenige Umstellungen und eine der Übersicht dienende, feinere Unterteilung der einzelnen Abschnitte beibehalten. Soweit nicht astronomische Einheiten benutzt werden, haben wir in dieser Auflage erstmals für die Angaben von Zahlenwerten das internationale Einheitensystem SI eingeführt, daneben aber noch weitgehend wie bisher das Gaußsche cgs-system verwendet. In einem Anhang sind die wichtigsten Beziehungen zwischen den beiden Maßsystemen zusammengestellt. Bei der Abfassung der früheren Auflagen des Neuen Kosmos konnte sich A. Unsöld der unermüdlichen Mitarbeit seiner damaligen Kieler Kollegen erfreuen. Bei der kritischen Durchsicht der Manuskripte sowie mit vielerlei Rat und Hilfe halfen B. Baschek, T. Gehren, H. Holweger, D. Reimers, E. Richter und V. Weidemann; bei der Herstellung der Manuskripte Fräulein A. Wagner, Frau G. Mangelsen und Frau G. Hebeler. Ihnen

8 X Vorwort zur vierten Auflage allen möchte er bei seinem Ausscheiden aus der aktiven Forschung noch einmal recht herzlich danken. Ein wesentlicher Teil dieser Neubearbeitung erfolgte durch B. Baschek, bei dem auch die Verantwortung, insbesondere für die neuen Teile, liegt. In allen Phasen der Arbeit an dieser Auflage haben uns zahlreiche Fachkollegen durch vielerlei Rat und Hilfe, durch neueres Material und durch konstruktive Kritik an einzelnen Abschnitten großzügig unterstützt, denen wir hier nicht allen namentlich danken können. Unsere Heidelberger Kollegen J. Köppen, R. Wehrse und P. Hauschildt haben uns bereitwillig durch eine kritische Durchsicht des gesamten Manuskripts geholfen. Durch ihre unermüdliche Arbeit bei der Herstellung des Manuskripts haben Frau G. Höhns, Frau B. Hoffmann und vor allem Frau M. Wolf, die auch viele der Zeichnungen angefertigt hat, einen wichtigen Beitrag zu diesem Buch geleistet. Ihnen allen möchten wir ganz herzlich danken. Kiel und Heidelberg, Januar 1988 Albrecht Unsöld Bodo Baschek

9 Aus dem Vorwort zur ersten Auflage In den Jahren 1827 bis 1859 schrieb Alexander von Humboldt seinen "Kosmos, Entwurf einer physikalischen Weltbeschreibung<~ Humboldts Ziel war es, einem weiten Kreis seiner Zeitgenossen die Erforschung der Natur nicht nur als eine Sammlung von Methoden und Ergebnissen vorzuführen, sondern ihnen vor allem zu zeigen, was diese für die Menschheit in ihrer geistigen Entwicklung bedeutet. Naturforschung war für ihn - im Sinne von Schiller und Goethe - ein lebendiger Teil der menschlichen Bildung. Unser Jahrhundert brachte eine Entwicklung der Astronomie, die sich den gleichzeitigen großen Leistungen der Relativitätstheorie, der Quantentheorie und der Kernphysik würdig an die Seite stellt. Die Welt als Ganzes, der Kosmos in seinem räumlichen Aufbau und in seiner zeitlichen Entwicklung ist ein Gegenstand exakter naturwissenschaftlicher Forschung geworden. Mit neuen Augen erblicken wir einen Neuen Kosmos und - wie in früheren Epochen - wandelt sich mit seinem Aspekt der Außenwelt auch der sie erforschende Mensch. Dieses Buch möchte einem großen Kreis von Lesern, die über eine gewisse naturwissenschaftliche Vorbildung verfügen, das neue Bild des Weltalls näherbringen. Ein solches Buch darf nicht zu umfangreich sein. Dementsprechend bemühte sich der Verfasser, die Grundgedanken der verschiedenen Bereiche astronomischer Forschung nach ihren sachlichen und historisch-menschlichen Zusammenhängen ganz deutlich hervortreten zu lassen.... Die Astronomie hat vor vierhundert Jahren die Menschen herausgeführt aus der Enge ihres mittelalterlichen, geozentrischen Weltbildes. In unserer Zeit ist ihre Bedeutung sicher nicht geringer geworden für eine freiere und modernere Gestaltung unserer Bildung und damit für die innere Freiheit und das Glück der Menschen.... Kiel, April 1966 Albrecht Unsöld

10 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Klassische Astronomie. Das Planetensystem Sterne und Menschen: Beobachten und Denken (Historische Einleitung in die klassische Astronomie) Die Himmelskugel. Astronomische Koordinatensysteme. Geographische Länge und Breite Die Bewegungen der Erde. Jahreszeiten und Tierkreis. Die Zeit: Tag, Jahr und Kalender Der Mond. Mond- und Sonnenfinsternisse Bahnbewegungen und Entfernungen im Planetensystem Planetenbewegungen und Bahnelemente Kometen und Meteore Entfernungsbestimmungen, Dopplereffekt und Aberration Mechanik und Gravitationstheorie Newtonsche Gesetze Impuls- oder Schwerpunktsatz Erhaltung des Drehimpulses Energiesatz und Virialsatz Gravitationsgesetz. Himmelsmechanik Gezeiten Ptolemäisches und kopernikanisches Weltsystem Künstliche Satelliten und Raumfahrzeuge. Weltraumforschung Physikalische Beschaffenheit der Planeten und ihrer Monde Möglichkeiten zur Erforschung der Planeten und Satelliten Globaler Energiehaushalt der Planeten Innerer Aufbau und Stabilität Aufbau der Planetenatmosphären Erde und Mond. Die erdähnlichen Planeten a) Innerer Aufbau b) Radioaktive Altersbestimmungen. Erdgeschichte c) Magnetfelder. Plattentektonik d) Mondoberfläche e) Oberflächen der erdähnlichen Planeten f) Atmosphären der erdähnlichen Planeten Planetoiden oder kleine Planeten (Asteroiden)... 60

11 XIV Inhaltsverzeichnis Die großen Planeten a) Jupiter b) Saturn c) Uranus d) Neptun Pluto Physikalische Beschaffenheit der Kometen, Meteore und Meteoriten. Interplanetares Medium Kometen Meteore und Meteorite Interplanetare Materie Astronomische und astrophysikalische Instrumente Entwicklung astronomischer Beobachtungsverfahren (Historische Einführung und Überblick über das elektromagnetische Spektrum) Teleskope und Detektoren im Optischen und Ultraviolett Teleskope herkömmlicher Art Auflösungsvermögen und Lichtstärke. Optische Interferometer Optische Detektoren Spektrographen Weltraumteleskope und erdgebundene Großteleskope Teleskope und Detektoren für den Radiofrequenz- und Infrarotbereich Radioteleskope Empfänger und Spektrometer für den Radiofrequenzbereich Beobachtungsverfahren im Infrarot Instrumente der Hochenergieastronomie Wechselwirkung energiereicher Photonen und Teilchen mit Materie Teilchendetektoren und Teleskope für die Kosmische Strahlung Gammastrahlenteleskope Röntgenteleskope und -detektoren Sonne und Sterne. Astrophysik des einzelnen Sterns Astronomie + Physik = Astrophysik (Historische Einleitung) Strahlungstheorie Intensität und Strahlungsstrom Emission und Absorption. Strahlungstransportgleichung Thermodynamisches Gleichgewicht und Hohlraumstrahlung Strahlungsdichte Die Sonne: Strahlung und Geschwindigkeitsfelder der Photosphäre Photosphärisches Spektrum. Mitte-Rand-Variation Absolute Energieverteilung, Leuchtkraft und Effektivtemperatur der Sonne Granulation und Oszillationen Helligkeiten und Farben, Entfernungen und Radien der Sterne Scheinbare Helligkeiten, Farbindizes und Energieverteilung

12 Inhaltsverzeichnis XV Entfernungen und absolute Helligkeiten Bolometrische Helligkeit und Leuchtkraft Sternradien Klassifikation der Sternspektren, Hertzsprung-Russell-Diagramm und Farben-Helligkeits-Diagramm Doppelsterne und die Massen der Sterne Visuelle Doppelsterne Spektroskopische Doppelsterne und Bedeckungsveränderliche Perioden der Doppelsternsysteme. Rotation der Sterne Die Massen der Sterne Enge Doppelsternsysteme Pulsare in Doppelsternsystemen Spektren und Atome. Anregung und Ionisation Grundbegriffe der Atomspektroskopie Thermische Anregung und Ionisation Kinetische Gleichungen für Anregung und Ionisation. Atomare Wirkungsquerschnitte Physik der Sternatmosphären Aufbau der Sternatmosphären Absorptionskoeffizienten in Sternatmosphären Modellatmosphären. Spektrale Energieverteilung Theorie der Fraunhoferlinien. Chemische Zusammensetzung der Sternatmosphären Strahlungstransport in den Fraunhoferlinien Verbreiterung der Spektrallinien Wachstums kurven. Quantitative Analyse der Sternspektren Elementhäufigkeiten in der Sonne und den Sternen Die Sonne: Chromosphäre und Korona. Strömungen, Magnetfelder und Sonnenaktivität Sonnenflecke und Aktivitätszyklus. Magnetische Flußröhren Die Chromosphäre Die Korona Protuberanzen Sonneneruptionen oder Flares Magnetohydrodynamik in der Sonnenatmosphäre. Wasserstoffkonvektionszone Sonnenwind Veränderliche Sterne. Strömungen, Magnetfelder und Aktivität bei Sternen Pulsierende Sterne. R Coronae Borealis-Sterne Magnetische oder Spektrum-Veränderliche. Ap-Sterne und Metalliniensterne Aktivität, Chromosphären und Koronen bei kühlen Sternen Koronen, Stern winde und Variabilität bei heißen Sternen Kataklysmische Veränderliche: Novae und Zwergnovae Röntgenpulsare, Röntgen- und Gamma-Burster: Akkretion auf Neutronensterne Supernovae, Pulsare und Supernovaüberreste Aufbau und Energieerzeugung der Sterne

13 XVI Inhaltsverzeichnis Hydrostatisches Gleichgewicht und Zustandsgleichung der Materie Temperaturverteilung und Energietransport im Sterninneren Energieerzeugung im Sterninneren durch Kernreaktionen Gravitationsenergie und thermische Energie. Stabilität der Sterne Grundgleichungen des inneren Aufbaus der Sterne und allgemeine Folgerungen Innerer Aufbau der Sonne. Solare Neutrinos Zustandsgleichung entarteter Materie. Aufbau der Weißen Zwerge Neutronensterne Starke Gravitationsfelder: Allgemeine Relativitätstheorie Sternsysteme: Milchstraße und Galaxien. Kosmogonie und Kosmologie '" Der Vorstoß ins Weltall (Historische Einleitung in die Astronomie des 20. Jahrhunderts) Aufbau und Dynamik des Milchstraßensystems Sternzählungen Raumgeschwindigkeiten der Sterne. Stromparallaxen Sternhaufen und der Bau der' Milchstraße Galaktische Koordinaten und Geschwindigkeitskomponenten Galaktische Rotation Galaktische Bahnen der Sterne. Lokale Massendichte Massenverteilung im Milchstraßensystem Interstellare Materie. Kosmische Strahlung Interstellarer Staub Interstellare Absorptionslinien Die 21 ern-linie des neutralen Wasserstoffs Interstellare Moleküllinien. Molekülwolken Leuchtende Gasnebel. H li-regionen Heißes interstellares Gas Interstellare Magnetfelder Kosmische Strahlung Galaktische Gammastrahlung Interstellares Medium: Zusammenfassender Überblick Farben-Helligkeits-Diagramme der Sternhaufen. Entwicklung der Sterne Farben-Helligkeits-Diagramme galaktischer Sternhaufen Farben-Helligkeits-Diagramme der Kugelhaufen Metallhäufigkeit und Zwei-Farben-Diagramm Nukleare Entwicklung der Sterne: Deutung der Farben-Helligkeits-Diagramme von Sternhaufen Entwicklung der Sterne: Spät- und Endstadien. Nukleosynthese in Sternen Entwicklung in engen Doppelsternsystemen Anfangsphasen der Sternentwicklung. Entstehung der Sterne Stellarstatistik und Sternentwicklung. Entstehungsraten der Sterne

14 Inhaltsverzeichnis 5.5 Normale Galaxien. Infrarotgalaxien Entfernungsbestimmung von Galaxien Klassifikation der Galaxien und absolute Helligkeiten Dynamik und Massen der Galaxien Sternpopulationen und Elementhäufigkeiten in Galaxien Gas und Staub in Galaxien. Infrarotgalaxien Radiogalaxien, Quasare und Aktivität in Galaxienkernen Nichtthermische Radiofrequenzstrahlung der Milchstraße und normaler Galaxien. Theorie der Synchrotronstrahlung Radiogalaxien Der Zentralbereich der Milchstraße und anderer normaler Galaxien Seyfert-Galaxien. Aktive Kerne der Radiogalaxien Quasare (Quasi stellare Objekte) Aktivität in Galaxienkernen Haufen und Superhaufen von Galaxien Klassifikation und Massen der Galaxienhaufen Gas in Galaxienhaufen Wechselwirkende Galaxien. Entwicklung von Galaxienhaufen Superhaufen von Galaxien Galaktische Evolution Jeanssche Gravitationsinstabilität. Entstehung von Sternhaufen und Sternen Dynamik der Spiralarme. Dichtewellentheorie Formen der Galaxien. Entstehung einer galaktischen Scheibe durch Kollaps Entstehung der Galaxien und Galaxienhaufen Dynamische und chemische Evolution der Galaxien. Entstehung der Häufigkeitsverteilung der Elemente Kosmologie Fluchtbewegung der Galaxien. Hubblekonstante Weltmodelle. Materiekosmos Ausbreitung von Strahlung. Vergleich von Theorie und Beobachtung Elemententstehung und Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Strahlungs kosmos Evolution des Kosmos XVII 6. Entstehung des Planetensystems. Entwicklung der Erde und des Lebens Entstehung der Sonne und des Planetensystems Entstehung der Meteorite Das Erde-Mond-System Entwicklung der Erde und des Lebens Anhang A.l Verschiedene Einheiten, Internationales Einheitensystem und Gaußsches System A.2 Namen der Sternbilder

15 XVIII Inhaltsverzeichnis Literatur Quellennachweis Ausgewählte Probleme Sachverzeichnis Physikalische Fundamentalkonstanten (Hintere Einbandinnenseite) Astronomische Konstanten und Einheiten (Hintere Einbandinnenseite)