Astronomie. Dr. Sascha P. Quanz Dr. Sebastian Daemgen

Transkript

1 Astronomie Dr. Sascha P. Quanz Dr. Sebastian Daemgen Institut für Teilchen- und Astrophysik, ETH Zürich Star and Planet Formation Group Vorlesung HS 2017 (20. Sept. 20. Dez. 2017) ETH Zürich, Mi 10-12, HG F3 Wichtige Folien (=Skript) zur Vorlesung

2 Inhalte der Vorlesung (1/3) 20. September 2017 (SPQ) Gesamtübersicht über den Stoff der Vorlesung Erläuterungen zum Astronomiestudium an der ETH Zürich Geschichte der Astronomie: Das Wissen der Antike, Kopernikus 27. September 2017 (SPQ) Geschichte der Astronomie: Kepler, Newton, Herschel, Fraunhofer, Kirchhoff Distanz zu den Sternen Koordinatensysteme 4. Oktober 2017 (SD) Die Sonne, Phänomene der Sonne Die Planeten, der Erdmond Kleine Körper im Sonnensystem 11. Oktober 2017 (SD) Sonne-Erde Beziehung Die Atmosphären der Planeten. Maxwell-Boltzmann Geschwindigkeitsverteilung Das Strahlungsgesetz von Planck

3 Vorschau: Sonne & Planeten

4 Vorschau: Sonne & Planeten

5 Inhalte der Vorlesung (2/3) 18. Oktober 2017 (SPQ) Extra-solare Planeten Entstehung der Planeten 25. Oktober 2017 (SPQ) Interstellare Materie Spektroskopie Spektroskopie Strahlungsprozesse Sternentwicklung: Gravitationskollaps bis zur Hauptreihe Virialsatz 1. November 2017 (SD) Sternparameter, Hertzsprung-Russell Diagramm Sternaufbau. Sternentwicklung: Hauptreihe Sternentwicklung: Nachhauptreihenentwicklung Weisse Zwerge 8. November 2017 (SD) Sternentwicklung: Supernovae Neutronensterne, Schwarze Löcher Nukleosynthese

6 Vorschau: Extrasolare Planeten

7 Vorschau: Supernovae

8 Inhalte der Vorlesung (3/3) 15. November 2017 (SPQ) Observatorien 22. November 2017 (SPQ) Die Milchstrasse: Aufbau, Distanzbestimmungen, Rotationskurve Spiralarme Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstrasse 29. November 2017 (SPQ) Galaxien: Typen von Galaxien Der lokale Haufen. Galaxienhaufen. Rotverschiebung Distanzbestimmung zu den Galaxien: Cepheiden, SN Ia, Tully-Fisher Beziehung 6. Dezember 2017 (SPQ) Aktive Galaxien: Seyfert Galaxien, QSO. Galaxien: Rotationskurven und die fehlende Masse; Galaxienhaufen: Virialtheorem und die fehlende Masse. 13. Dezember 2017 (SPQ) Galaxien: Entstehung und Evolution. Kosmologie: Homogenität. Expansion. 20. Dezember 2017 (SPQ) Kosmologie: Kritische Dichte. Entkopplung Strahlung/Teilchen. Hintergrundstrahlung. Kosmologische Modelle. Kosmologische Entwicklung seit t=0. Verlangsamte oder beschleunigte Expansion? Urknall

9 Vorschau: Observatorien VLT Observatorium (Cerro Paranal, Chile)

10 Vorschau: Galaxien Evolution Hubble Ultra Deep Field

11 Bücher zur Vorlesung

12 Astronomie : D-Phys 1. Semester Einführung in die Astronomie 2V (2 KE) Empfohlenes Fach, (ergänzendes Fach): wird den Studenten angeboten, um ihre physikalische Neugier zu wecken und ihre physikalische Kultur zu erweitern Sie brauchen die Kreditpunkte dieser Astronomievorlesung nicht für das Physikstudium (Wegleitung) keine Kreditpunkte à keine Leistungskontrolle (Prüfung) (man darf trotzdem die Prüfung ablegen und Punkte sammeln) 5. Semester Astrophysics I 3V + 2U Astrowoche (VP) 6. Semester + Masterstudiengang Astrophysics II + III ~ 3V, 2U Theoretische Astrophysik Wahlfächer in experimenteller Astrophysik Semesterarbeiten oder Wahlfach-Praktikum (Stellarteleskop, Radioteleskop) Master-Arbeit (à Doktorarbeit)

13 Astronomie : D-Math 1. Semester Einführung in die Astronomie 2V 2 KP für Astronomie als Ergänzendes Fachà Prüfung Empfohlen im ersten Studienjahr ist die Vorlesung Astronomie, besonders auch für angehende Lehrerinnen und Lehrer im Hinblick auf den Unterricht in diesem Fach an den Maturitätsschulen. 3. Studienjahr Astrophysics I plus Semesterarbeit (oder Seminar) als Wahlfach

14 Astronomie als Wahlfach, Nebenfach, etc. Einführung in die Astronomie 2V (WS) plus Leistungskontrolle = Prüfung Wichtig: Klären Sie auf Ihrem Studiensekretariat ab: was Sie benötigen und was ans Studium angerechnet wird

15 Hörer: Sind herzlich willkommen!

16 Prüfung 2 Kreditpunkte (KP) für Astronomie-Vorlesung Ergänzendes Fach: D-Math, D-Phys Wahlfach: D-?? Leistungskontrolle = Prüfung 15 Minuten, mündlich, deutsch Prüfungsorganisation: Anmeldung: Zulassung: bis Sonntag 15. Oktober 2017 (online) keine Zulassungsbedingungen (kein Testat) à alle eingeschriebenen Studenten Prüfungstermin: in der Prüfungssession, 22. Januar 16. Februar 2018 (Datum wird durch Prüfungsplanstelle im Dezember festgelegt) Abmeldung: bis zum Start der Prüfungssession möglich (spätere Abmeldung = nicht bestanden) à bestanden Sie erhalten 2 Kreditpunkte (und Note) à nicht bestanden Sie haben die Möglichkeit die Prüfung in der Herbst-Prüfungssession zu wiederholen

17 Geschichte der Astronomie Altertum: Kalender (Finsternisse) Form der Erde Distanz zum Mond und zur Sonne Erddurchmesser Planetenbewegung Weltbild Mittelalter Weltbild Kepler-Gesetze Newton zur modernen Astrophysik hervorragendes Buch: The Cambridge concise history of astronomy Michael Hoskin (ed.)

18 Kalender Problem: 1 Jahr = Tage Aegypten: 1 Jahr = 365 Tage à Siriusaufgang verspätet sich mit den Jahren à Julianischer Kalender (ca. 45 v. Chr.): à Schalttag alle 4 Jahre à 1 Jahr = Tage à Gregorianischer Kalender (Ende 16. Jahrhundert): à kein Schalttag falls: J/100 ganzzahlig und J/400 nicht ganzzahlig Astronomisches Datum (JD: Julian Date) JD = 0 = v. Chr. JD(20.Sept.2017, ) =

19 Sonnen- und Mondfinsternisse konnten vorausgesagt werden

20 Weltbilder Sonnengott Ra Himmelsgöttin Nut

21 Griechische Astronomie (Mythen à Philosophie à empirische Wissenschaft) 500 v. Chr. Pythagoräer Erde ist eine Kugel die sich täglich einmal dreht 400 v. Chr. Philolaus von Kroton Deutung der Planetenbewegung: Zentralfeuer um das sich Sonne, Erde und Planeten in konzentrischen Kreisen bewegen 350 v. Chr. Aristoteles Erde ist rund, weil der Erdschatten bei Mond-Finsternissen kreisförmig ist (Erde 3x grösser als Mond) 265 v. Chr. Aristarch von Samos Heliozentrisches Weltbild; Versuch Entfernung der Sonne und des Mondes bei Halbmond zu messen 220 v. Chr. Eratosthenes Messung des Erdumfangs (39690 km) 150 n. Chr. Ptolemäus (geozentr.) Epizyklentheorie für Planetenbahnen, fasst gesamtes astronomisches Wissen zusammen

22 Beobachtung der Mondfinsterniss: Erdschatten ist rund à Erde ist rund (Aristoteles) Durchmesser Mond 1/2 Grad Mond bewegt sich ca. 1/2 Grad/Std. Totalitätsdauer einer zentralen Mondfinsterniss: 2 Stunden Durchmesser Erdschatten 3 Monddurchmesser

23 Griechische Astronomie Weltbild: Geozentrisches Weltbild war bei den Griechen weit verbreitet - Erde in der Mitte - Mond, Sonne und 5 Planeten umlaufen die Erde auf kreisfoermigen Bahnen - Sterne befinden sich an der äussersten Sphäre (Ausnahme: Aristarch von Samos)

24 Probleme mit dem antiken Weltbild: Falsche Annahmen: geozentrisch Kreisbahnen gleichmässige Bewegung A. Bewegung der Erde um Sonne à Näherung: Erde nicht im Zentrum des Kreises

25 Bewegung der Planeten: innere Planeten immer nahe der Sonne

26 Bewegung der Planeten: äussere Planeten zeigen vorläufige und rückläufige Bewegung à Epizyklen

27 Epizyklen: erste Approximation zweite Approximation

28 Weltbild von Ptolemäus (145 n. Chr) Epizyklen bewegen sich entlang eines grossen Kreises (Deferent)

29 Astronomie im Mittelalter 1054 Supernova (Krebs-Nebel) Keine abendländische Dokumente (Sternhimmel ist eine perfekte und daher unveränderliche Schöpfung) vor 1500 System von Ptolemäus wird von Arabern gelehrt Al Battani , Al Sufi , Alfons X von Kastilien Alfonsische Tafeln 1492 Kolumbus à Entdeckung von Amerika Kopernikus Kopernikanisches Weltbild (Aristarch), heliozentrisches Weltbild mit Kreisbahnen und Epizyklen für Planeten Tycho Brahe Sternkatalog, Marsbahn (2 ), Supernova 1572, Kometenbahn durch Planeten- Spähren, Tychonisches Weltbild (Aegypter) 1600 Giordano Bruno wird in Rom verbrannt das All ist unendlich, mit unendliche vielen Welten mit eigenen Sonnen 1608 Hans Lippershey erfindet das Teleskop Galileo Galilei Verfechter der kopernikanischen Lehre (Inquisition), baut Fernrohr 1609, Entdeckt Jupitermonde, Sonnenflecken, Venusphasen, Mondgebirge (Physik: Gesetze des freien Falls und Pendelschwingungen) Johannes Kepler Findet die 3 Keplerschen Gesetze (Mars-Daten von Tycho), heliozentrisches Weltbild mit Ellipsenbahnen

30 Das heliozentrische Weltbild Kopernikus: De Revolutionibus (Autograph 1543, Hinterseite Blatt 9)

31 Kepler: Analyse der Marsdaten von Tycho war der Schlüssel zum Durchbruch elliptische Bahnen ungleichmässige Bewegunggeschwindigkeit

32 Abschied vom Heliozentrisches Weltbild: Liegt die Sonne im Zentrum des Universums? Holzschnitt von Thomas Wright (1750) zur Illustration der Milchstrassenstruktur

33 Sonne Shapley zeigte um 1920, dass die Sonne ca. 10 kpc vom Zentrum der räumlichen Verteilung der Kugelsternhaufen liegt (= Zentrum der Milchstrasse)

34 Galaktozentrisches Weltbild: Liegt die Milchstrasse im Zentrum des Universums? Sind Nebel (Spiralnebel) auch Milchstrassensysteme? M51: William Parsons (Lord Rosse) endeckte 1845 die zum ersten Mal eine Spiralstruktur eines Nebels (à Zeichnung links)

35 Rotverschiebung CaII (Ca+)-Doublett in hellsten Galaxien in Galaxienhaufen Annahme: gleiche absolute Helligkeit (Standardkerzen) scheinbare Helligkeit ist ein grobes Mass fuer Distanz l ~ L / 4πd 2 (1+z) 2

36 Kosmologische Expansion Edwin Hubble und andere entdeckten (um 1930), dass sich entfernte Galaxien von uns weg bewegen (Doppler- Effekt) Distanz d = H x v H = 70 km/s / Mpc Fluchtgeschwindigkeit Das Universum ist homogen, isotrop und expandiert

37 HDF Hubble Deep Field 2.5 x 2.5 (3x10-8 des Himmels) ~3000 Objekte (~20 Sterne) Das Licht der entferntesten Objekte wurde nur 2-5 Mia Jahre nach dem Urknall ausgesandt!