Eckehard W. Mielke. Sonne, Mond und 000 Schwarze Löcher

Transkript

1 Eckehard W. Mielke Sonne, Mond und 000 Schwarze Löcher

2 Eckehard W. Mielke Sonne, Mond und... Schwarze Löcher Ein Streifzug durch die moderne Astrophysik FACETTEN ai Vleweg

3 Umschlagbild: Korona der Sonne im weichen Röntgenlicht. Aufnahme des japanischamerikanischen Röntgensatelliten Yohkoh vom 26. August (Mit freundlicher Genehmigung von L. Acton, Montana State University) Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweiglWiesbaden, 1997 Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1997 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtiich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Schrimpf und Partner, Wiesbaden ISBN ISBN (ebook) DOI /

4 Vorwort Die Astronomie ist die älteste aller Wissenschaft; sie konnte nur entstehen, weil der irdische Himmel, anders als auf der Venus, nicht immer wolkenverhangen ist. Seit Jahren beobachtet der Mensch den Himmel und versucht die "Sterne zu deuten". Erst die Weltraumfahrt und die Radio- Röntgen- und Neutrinoastronomie hat ganz neue "Fenster zum All" aufgestoßen und sie damit wieder zu einer der modernsten und aktuellsten Forschungsrichtung gemacht. Dieses Buch ist aus einer Vorlesung entstanden, welche der Autor im Sommersemester 1993 an der Universität zu Köln gehalten hat. Sie war als "Lustvorlesung" konzipiert, d.h. mit vielen Bildern und Dias, aber ohne Prüfungsund Scheinzwang, und wandte sich an Hörer aller Fakultäten, einschließlich der sehr interessierten Senioren. Am Anfang konnte sie sich auf eine dankbarerweise überlassene Ausarbeitung einer Vorlesung stützen, die Friedrich W. Hehl 1982 in Köln mit dem gleichen, an ein Kinderlied erinnernden Titel gehalten hatte. Tatsächlich hat der Autor nur die "wesentlichen" Punkte im Titel dazwischengestreut, um anzudeuten, daß die sehr stürmische und fruchtbare neuere Entwicklung der Astronomie größtenteils berücksichtigt ist. Bei diesem sich an den anspruchsvollen Laien wendenden Streifzug durch die Astrophysik wird, anders als in einem Lehrbuch, keine Systematik angestrebt. Stattdessen werden exemplarisch anhand von fast täglich bzw. nächtlich bei gutem Wetter sichtbaren Himmelsobjekten, wie Sonne, Mond und z.b. dem Hundsstern Sirius, die neuesten Erkenntnisse der astronomischen Forschung geschildert. Die Betonung exotischer Phänomene wie z.b. Neutrinos, Pulsare und Gravitationswellen soll nicht nur die Neugier wecken, sondern es auch erlauben, zu vertieften Einsichten im Bereich der Teilchenphysik und der eigentlich alltäglich erscheinenden Schwerkraft vorzudringen. Da nach einer "Faustformel" jede mathematische Formel den Absatz halbiert, sind diese gefährlichen Hieroglyphen der Neuzeit in Informationskästen "eingesperrt". Sie können vom Laien getrost ignoriert werden und dienen mehr als Anregung für die Gestaltung eines Astronomieleistungskurses an Gymnasien oder für den Amateurastrononom. Das Gleiche gilt zum Teil auch für das umfangreiche Literaturverzeichnis, welches neben vielen populären Quellen gerade bei neueren Ergebnissen auch Fachaufsätze enthält. V

5 Beim Schritt vom Vorlesungsskript zum Buch, bei deren Latex -Ausarbeitung mir Marcus Fobbe, Harald Wolf und Jürgen Lemke geholfen haben, flossen weitere neuere astronomische Beobachtungsbefunde ein. Für manche Anregung und die vollständige Durchsicht des Manuskripts bin ich Franz E. Schunck sehr dankbar. Wohl dosiert nach ihren Spezialgebieten, haben May-Britt Kallenrode, Till Kirsten, Gerhard Schäfer, Dietrich Stauffer, Matthias Steffen, und Volker Weidemann jeweils einige der Abschnitte oder Kapitel kritisch durchleuchtet. Natürlich hat der Leser "selber Schuld", wenn er trotzdem noch Fehler findet; Anregungen aber auch "Proteste" nimmt der Autor gerne per an entgegen. Die Ermutigung von John Archibald Wheeler, meinem Lehrer als Gaststudent an der Princeton University im akademischen Jahr 1973/74, half beim Schreiben über manche Durststrecke hinweg. Das Buch ist meinen Eltern Charlotte und Walter Mielke gewidmet. Kiel, im August 1995 Eckehard W. Mielke VI

6 Inhaltsverzeichnis 1 Himmelsbeobachtung Von Stonehenge bis zu den Mayas Die Wochentage Die klassischen Planeten Orientierung am Sternenhimmel Größenordnung im Universum Entfernung der Sterne am Beispiel Ursa Major Längen- und Breitenkreise auf der Erde Die Himmelskugel Der Lauf der Sonne Das Äquatorsystem Ekliptikalsystem und galaktische Koordinaten Die Erde als Kreisel: Zeitliche Änderung der Koordinaten Optische Teleskope Von der Photoplatte zu den CCDs Biegsame, geteilte und flüssige Spiegel Wahrer Sternort: Verfälschung durch Brechung und Aberration des Lichts Beugung und Speckle-Interferometrie 1.18 Hubble-Weltraumteleskop 1.19 Radioastronomie Der infrarote Himmel Durchleuchtung des Himmels im Röntgenbereich Die Sonne 2.1 Geschichte. 2.2 Sonnenflecken: Eine "Hautkrankheit"?. 2.3 Die Rotation der Sonne Der Sonnenfleckenzyklus "Ferndiagnose" des solaren Magnetfeldes 2.6 Magnetische Flußröhren im Sonnenplasma. 2.7 Der Sonnendynamo VII

7 2.8 Sonnenobservatorien Das Spektrum der Sonnenscheibe 2.10 Granulation der Photosphäre 2.11 Die Chromosphäre Protuberanzen Flares: Magnetische Blitze 2.14 Sonnenfinsternisse 2.15 Die Korona Der Sonnenwind Anatomie der Sonne 2.18 Kernfusion im Inneren der Sonne Die Proton-Proton-Kette Neutrino-Detektoren Solare Neutrinos - neue Ergebnisse von GALLEX 2.22 Sonnenenergie "statt" Kernkraft? DerMond 3.1 Geschichte der Mondbeobachtung 3.2 Die Mondphasen Mondfinsternis Gebundene Rotation 3.5 Gezeiten Frühere Mondbewegung in Sedimenten "gespeichert"? 3.7 Apollo-Raumflüge 3.8 Mondkrater Die Maria Entstehung der Mondoberfläche 3.11 Innerer Aufbau Die "Atmosphäre" des Mondes Der Ursprung des Mondes? Astronomische Observatorien auf dem Mond?. 4 Das Sonnensystem 4.1 Rückläufige Bewegung der Planeten? 4.2 Das Ptolemäische Weltbild Die Kopernikanische Revolution 4.4 Die Keplerschen Gesetze Hat auch Kepler gemogelt? Übersicht über unser Sonnensystem 4.7 Die Newtonsehen Gesetze der Mechanik VIII

8 Das Newtonsche Gravitationsgesetz "Chaotische" Planetenbahnen?... Saturn: Herr der Ringe Entstehung und Stabilität der Ringe 5 Die Sterne 5.1 Die Milchstraße. 5.2 "Hautfarbe" der Sterne 5.3 Sterne im "Prisma" Wieviel Watt hat ein Sternreaktor? 5.5 Entfernung der Sterne Hell, heller, am hellsten? Farben-Helligkeits-Diagramm 5.8 Sternradius "Okkultismus" bei Doppelsternen 5.10 Mehr Masse, größere Ausstrahlung! 5.11 Kernfusion mit Katalysator Sterne als Brutreaktoren Gravitationskollaps: Stellares "Notstrom-Aggregat" 5.14 Geburt der Sterne Entwicklungswege 5.16 Riesenstadium Sternhaufen Cepheiden als pulsierende "Standardkerzen" Pirouette mit Anhang? Weiße Zwerge 6.1 Der kleine Begleiter des Sirius Der Weg zum Zwerg - über eine "Schlankheitskur" 6.3 Entstehung der Sonne Von der Sonne zum Zwerg Novae: Wenn Zwerge "aus der Haut fahren" 6.6 Die Novae im Schwan Supernovae Kandidatenauswahl Stern-Katastrophen Supernova-Typen Die Felszeichnungen im Navaho-Cafion und der Crabnebel Überreste der Explosionswolke IX

9 7.6 Die Supernova von Extrasolare Neutrino-Astronomie Die Supernova 1987 A - der aktuelle Stand. 7.9 Röntgenstrahlung und Radioringe von SN 1993J 7.10 Supernovae als kosmische Leuchtfeuer? Pulsare und Neutronensterne 8.1 Der erste Radiopulsar: Signale von ET? 8.2 Pulsare:,,Leuchttürme" im All. 8.3 Anatomie eines Neutronensterns Rotierende Neutronensterne Magnetfeld eines rotierenden Neutronensterns. 8.6 Der Crab-Pulsar Röntgen- und Gamma-Pulsare Die genaueste Pulsar-Uhr Der DoppelsternpulsarPSR Die "Keplerbahn" des Doppelsternpulsars 8.11 Effekte der Raumzeit-Krümmung Gravitationswellen: Ein neues "Fenster" zum All? Einstein wäre begeistert Schwarze Löcher 9.1 Grenzradien im Universum Geschwindigkeitsbegrenzung im Kosmos Äquivalenzprinzip und Raumzeit-Krümmung 9.4 Raumzeit eines kollabierenden Sterns 9.5 Die Suche nach Schwarzen Löchern 9.6 Die Schwarzen Löcher im Schwan Rotierende Schwarze Löcher Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher Sagiuarius A*: Ein "arbeitsloses" Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße? Energiequelle aktiver Galaxienkerne und Quasare? 9.11 Schwarze Löcher als Gravitationslinsen? Literaturverzeichnis Namen- und Sachwortverzeichnis x

10 Kastenverzeichnis 1.1 Absolute Temperatur Vom rechtwinkligen Dreieck zur sphärischen Trigonometrie Vom rechtwinkligen Dreieck zur sphärischen Trigonometrie (Fortsetzung) Physik des KinderkreiseIs Physik des KinderkreiseIs (Fortsetzung) Relativistische Aberration Beugungsscheibchen und Rayleigh-Kriterium Strahlung des Schwarzen Körpers Magnetfeld und Synchrotronstrahlung Entstehung von Spektrallinien (Relativistischer) Doppler-Effekt Lichtablenkung durch die Raumzeit-Krümmung Gezeitenkräfte Ptolemäisches und kopernikanisches System: Ein "relativistischer" Vergleich "Gärtnerkonstruktion" der Ellipse Newtons Mondrechnung Ableitung der Keplerschen Gesetze Ableitung der Keplerschen Gesetze (Fortsetzung) Periheldrehung durch die Raumzeit-Krümmung Gitterspektrograph Effektive Oberftächentemperatur Scheinbare und absolute Helligkeiten Massen und Äquipotentialftächen von Doppelsternsystemen Innerer Aufbau: Gaskugeln im Gleichgewicht Energie eines Gravitationskollaps Zeitskalen bei der Sternentwicklung Grenzrnasse der Zwerge Grenzrnasse eines Neutronensterns Grenzrnasse eines Neutronensterns (Fortsetzung) Wieviel Watt hat ein Gravitationswellen-Sender? 216 XI

11 9.1 Schwarzschild-Radius Crash-Kurs in Spezieller Relativitätstheorie Crash-Kurs in Spezieller Relativitätstheorie (Fortsetzung) Kollaps eines erkalteten Sterns Kollaps eines erkalteten Sterns (Fortsetzung) Raumzeit eines rotierenden Schwarzen Loches 240 XII