Karl-Heinz Spatschek. Astrophysik. Eine Einführung in Theorie und Grundlagen. 2. Auflage. 4^ Springer Spektrum

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1 Karl-Heinz Spatschek Astrophysik Eine Einführung in Theorie und Grundlagen 2. Auflage 4^ Springer Spektrum

2 Inhaltsverzeichnis Teil I Einführung in die moderne Astrophysik 1 Einige wichtige physikalische Grundlagen Überblick Größenordnungen und Modellbereiche Orts-und Zeitskalen Kräfte und Energieskalen Gravitation Modellzonen Astrophysikalische Strukturen Das Universum insgesamt Virialtheorem Abschätzungen für die Größe von Strukturen Strahlung und Helligkeit Spektrale Verteilung von Photonen im Gleichgewicht Helligkeit und Größenklassen Hertzsprung-Russell-Diagramm Strahlungs- und Energietransport Strahlungstransportgleichung Diffusionsmodelle für den Transport Konvektiver Transport 86 2 Beobachtungsmöglichkeiten Klassische Verfahren zur Bestimmung astrophysikalischer Größen Methoden der Abstandsbestimmung Stark vereinfachte Modelle für Cepheiden Massenbestimmung Radiusbestimmung 111 IX

3 X Oberflächentemperatur Geschwindigkeitsbestimmung Beobachtungsinstrumente Kosmische Strahlung Überblick Beschleunigungsmechanismen Fermi-Beschleunigung durch magnetische Spiegel Fermi-Beschleunigung Sternaufbau und Sternentwicklung Grundgleichungen für brennende Sterne Sternaufbaugleichungen Zustandsgieichungen Sternaufbaugleichungen und Virialtheorem Stellare Energiequellen Grundsätzliches Fusionsprozesse in Sternen Unsere Sonne Sonnenparameter Energietransport, Energiebilanz und Stabilität der Sonne Sonnenatmosphäre Helioseismologie Prototyp eines Standardsonnenmodells Solare Neutrinos Ausblick auf die weitere Sonnenentwicklung Zustandsgieichungen und Chandrasekhar-Masse Thermodynamik des idealen klassischen Gases Ideale Quantengase Physikalische Bedingungen für Weiße Zwerge Polytrope Zustandsgieichungen und Adiabatenindices Chandrasekhar-Masse Zustandsgieichungen dichter Coulomb-Systeme Neutronen kommen ins Spiel Strukturbildung Qualitative Aussagen Jeans-Instabilität Sternentwicklung: Anfänge Entwicklung der Protosterne Skalierungen im Hertzsprung-Russell-Diagramm Approximative Lösung der Sternaufbaugleichungen Massengrenzen 282

4 Inhaltsverzeichnis XI 5 Endstadien brennender Sterne Sterbende Sterne Weiße Zwerge Neutronensterne Quellen hochintensiver Strahlung Schwarze Löcher Galaxien Die Milchstraße 6.2 Allgemeine Eigenschaften von Galaxien Galaxienbeobachtung Olbers'sches Paradoxon Materiehaushalt Galaxienwechselwirkung und Modellierung Newton'sche Kosmologie Expandierendes Universum Newton'sches Modell für das Universum Newton'sche Form der Friedmann-Gleichung und ihre Lösungen. 7.2 Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung in einem ersten Überblick Newton'sche Kosmologie mit drei Komponenten 371 Teil II Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie 8 Rechenregeln der ART Mathematische Terminologie der SRT Lorentz-Transformation und Bewegungsgleichungen Beschleunigte Bezugssysteme Äquivalenzprinzip und Einstein'sche Feldgleichungen Äquivalenzprinzip und Prinzip der allgemeinen Kovarianz Die Einstein'schen Feldgleichungen fallen vom Himmel" Newton'scher Grenzfall Diskussion der Bewegungsgleichung Bestimmungsgleichung für das Potenzial Struktur der Einstein'schen Feldgleichungen Mathematischer Hintergrund Der Quellterm in den Einstein'schen Feldgleichungen Kovarianz der Bewegungsgleichung ART-Effekte Äußere Schwarzschild-Metrik Metrische Koeffizienten Bewegungsgleichung eines Teilchens im Schwarzschild-Feld Periheldrehung des Merkur 426

5 XII Inhaltsverzeichnis 9.3 Ablenkung, Frequenzverschiebung und Laufzeitverzögerung von Licht im Schwerefeld Lichtablenkung im Schwerefeld Frequenzverschiebung im Gravitationsfeld Laufzeitverzögerung Gravitationswellen Wellengleichung im materiefreien Raum Eichung, Polarisation und Erzeugung Nachweismethoden von Gravitationswellen Relativistische Sterne und Sterndynamik Innere Schwarzschild-Metrik und relativistische Sterngleichgewichte Innere Schwarzschild-Metrik Relativistische Gleichgewichte Gravitationskollaps Zeitabhängige Metriken Einstein'sche Feldgleichungen mit zeitabhängiger Metrik Charakteristische zeitabhängige Lösungen Rotierende Schwarze Löcher und Ausblick Einfache Modelle Schwarzer Löcher Kerr-Metrik Eigenschaften Schwarzer Löcher 479 Teil III Einführung in die Kosmologie 11 Homogene Kosmologie Ausgangslage für kosmologische Ansätze Robertson-Walker-Metrik und Friedmann-Lemaitre-Gleichung Robertson-Walker-Metrik für homogene und isotrope Räume Friedmann-Lemaitre-Gleichung Kosmografie Weltmodelle mit Dunkler Materie und Dunkler Energie Kosmologische Konstante: Irrtum oder Weitsicht? Lösungen der Friedmann-Lemaitre-Gleichungen unter Einbeziehung Dunkler Materie und Dunkler Energie Beobachtungen und Interpretationsansätze Primordiale Nukleosynthese Vermessung von Galaxien (Galaxy Survey) Vermessungen von Supernovae (Supernovae Surveys) Folgerungen aus der kosmischen Hintergrundstrahlung Entkopplungsmodell Horizontproblem der CMB 558

6 Inhaltsverzeichnis Xl" 13 Inhomogene Kosmologie Bildung von Strukturen Analyse von Fluktuationen Inflation Theoretische Ansätze Phänomenologie der Inflation Inflatonfeld Auflösung wichtiger kosmologischer Probleme Flachheitsproblem Monopolproblem Experimentelle Hinweise? 586 Literatur 589 Stichwortverzeichnis 593