Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen Klaus Werner Astronomie und Astrophysik SS 2010 Klaus Werner Institut für Astronomie und Astrophysik Kepler Center for Astro and Particle Physics Universität Tübingen Tübingen, 15. Dez. 2004 12. April 2010 6m Kaukasus 1 Vorbemerkungen Diese Vorlesung ist das Basismodul Astronomie für BaMa-Studenten und die Einführung in die Astronomie für Diplom-Studenten Vorlesungs-Skript: Nach jeder Vorlesung werden Kopien der Overheadfolien und Powerpoint-Präsentationen in einem Ordner in der Physikbibliothek verfügbar gemacht (Gebäude C, 4. Stock) Powerpoint-Präsentationen sind online verfügbar: http://astro.unituebingen.de/ Vorlesungen Vorlesungsskripte K.Werner Bereich ist password-geschützt, User: Ein Password: Student Vorlesungstermin: wie angekündigt, Mo.+Do. 10-12 Uhr. Terminverschiebung verhandelbar, aber (fast) unmöglich Keine Pause während Doppelstunde vorgesehen Während der Vorlesung: Zwischenfragen erlaubt und erwünscht! Keine Hemmungen! In Teilnehmerliste eintragen (Vorlesungsevaluation) Grundsätzliche Fragen Ihrerseits? Übungen zum Basismodul Astronomie Obligatorisch für Studenten, die einen Leistungsnachweis brauchen (BaMa-Studiengänge). Freiwillige Teilnehmer willkommen. Beginn: erst nächste Woche, Freitag, 23.04., 13:15 im D7H33; heute: Verteilung des ersten Übungsblatts Dauer: etwa 90 Minuten Übungsaufgaben: Abgabe jeweils Montag in der Vorlesung Scheinkriterium: jedes Übungsblatt bearbeitet; Mindestpunktzahl Benoteter Schein nach Klausur oder mündl. Prüfung Details werden in der ersten Übungsstunde besprochen. Literaturauswahl Weigert, Wendker, Wisotzki: Astronomie und Astrophysik 5. Auflage, Wiley-VCH 2009, ca. 60 Karttunen et al.: Fundamental Astronomy 5. Auflage, Springer 2007, ca. 65 Unsöld, Baschek: Der neue Kosmos 7. Auflage, Springer 2002 (korr. Nachdruck 2004), ca. 55 Bennett et al.: Astronomie 5. Auflage, Pearson Studium 2009, ca. 80 Inhalt der Vorlesung 0. Einleitung I. Historisches II. Klassische Astronomie: Grundlagen III. Klassische Astronomie: Himmelsmechanik IV. Der Mond V. Die Planeten und ihre Monde VI. Astronomische Instrumente VII. Zustandsgrößen der Sterne VIII. Physik der Sternatmosphären IX. Die Sonnenatmosphäre X. Aufbau und Energieerzeugung der Sterne XI. Sternentwicklung XII. Veränderliche Sterne XIII. Interstellare Materie XIV. Aufbau der Galaxis XV. Galaxien XVI. Kosmologie 0. Einleitung 0.1 Astronomie/Astrophysik: Eine interdisziplinäre Wissenschaft In der Astronomie spielen viele Teilbereiche der Physik eine Rolle. Starke Durchdringung der klassischen Astronomie durch die Physik im 20. Jh. Astrophysik Astronomie und Astrophysik begrifflich kaum mehr trennbar, praktisch synonym Übersicht: Verflechtungen Astronomie Physik Beziehungen zwischen Astronomie und anderen Wissenschaften 1
Atom- und Molekülphysik Atomphysik Grundlegend für Astronomie: Analyse elektromagnetischer Strahlung von kosmischen Objekten. Notwendig: Atomare Daten für Spektrallinien: - Linienidentifikation (Herkunft vieler Linien noch unbekannt) - Übergangswahrscheinlichkeiten für Stoß- und Strahlungsprozesse - Atome in extremen Zuständen: hohe Dichten und starke Magnetfelder Daten nur mit erheblichem experimentellen und theoretischen Aufwand zu gewinnen Bedeutung der Atomphysik nicht nur wichtig für Diagnostik: Der Zustand der Materie (Plasma) wird bestimmt durch Prozesse wie Ionisation & Rekombination, Molekülbildung und Dissoziation Plasmaphysik Sehr enge Verbindung mit Astronomie, da fast gesamte Materie im Kosmos im Plasmazustand vorliegt. Beispiele für astrophysikalische Phänomene, die nur mit Kenntnis der Plasmaphysik verstanden werden können: Plasmaphysik - Sonnenaktivität - Aktivität in Galaxienkernen - Bildung von Jets - Beschleunigung der Teilchen der kosmischen Strahlung Plasmaphysik Hydrodynamik und Gasdynamik In der Physikausbildung häufig vernachlässigt, aber von zentraler Bedeutung für die Astrophysik. Beispiele: - Prozess der Sternentstehung - Physik der Akkretionsscheiben - Supernovaexplosionen - Sternverschmelzungen 2
Hydrodynamik/Gasdynamik Hydrodynamik/Gasdynamik Kernphysik Kernphysik Zwei Beispiele für notwendige kernphysikalische Erkenntnisse: - Aufbau und Entwicklung von Sternen; Kernfusion (Wirkungsquerschnitte, meist im Labor nicht messbar); Erzeugung instabiler Kerne bei SN-Explosionen (z.t. im Labor nicht herstellbar) - Innerer Aufbau von kompakten Sternen, z.b. Neutronensterne. Extreme Dichten Frage nach der Zustandsgleichung der Materie Auch von Interesse bei kernphysikalischen Experimenten (LHC, CERN) Kernphysik Kernphysik 3
Elementarteilchenphysik Elementarteilchenphysik - Von fundamentaler Bedeutung für Theorie der Entstehung des Kosmos und Frühphasen seiner Entwicklung - Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie; 95% des Kosmos besteht aus unbekannten Formen von Materie und Energie Astroteilchenphysik Allgemeine Relativitätstheorie Allgemeine Relativitätstheorie Offensichtlich bedeutend für Kosmologie, aber auch für: Theorie der Gravitationslinsen (Bestimmung der Hubble-Konstanten) Struktur kompakter Objekte (Neutronensterne) Erzeugung von Gravitationswellen Keine andere physikalische Theorie ist bzgl. experimenteller Überprüfung so stark auf die Astronomie angewiesen wie die ART. Allgemeine Relativitätstheorie Starke Verflechtung zw. Astrophysik und Physik auch erkennbar an Verleihung von Physik-Nobelpreisen an Astrophysiker 1936 Hess: Entdeckung der kosmischen Strahlung 1967 Bethe: Energieerzeugung in Sternen durch Kernfusion 1974 Ryle & Hewish: radioastronomische Techniken bzw. Entdeckung von Pulsaren 1978 Penzias & Wilson: Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung 1983 Chandrasekhar & Fowler: Aufbau und Entwicklung von Sternen bzw. Entstehung der chem. Elemente 1993 Hulse & Taylor: Entdeckung eines Binärpulsars: indirekter Nachweis von Gravitationswellen 2002 Davis (Nachweis von Sonnenneutrinos), Koshiba (Nachweis Neutrinos von Supernova 1987A), Giacconi (erstes Röntgen- Weltraumteleskop) 2006 Smoot & Mather: Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung (201x experimenteller Nachweis von Gravitationswellen?) 4
Beziehungen zwischen Astronomie und anderen Wissenschaften Nummerische Mathematik Mathematik - engste Beziehung seit dem Altertum, bis heute wichtig: Astrophysikalische Theorien haben of komplexe mathematische Struktur (z.b. ART) - von zentraler Bedeutung: nummerische Mathematik zur Simulation von kosmischen Systemen auf dem Computer. Chemie Komplexe (organische) Moleküle im interstellaren Raum. Problem: sehr geringe Teilchendichten, im Labor nicht realisierbar; daher theoretische q.m. Berechnungen wichtig. Astrochemie Chemie Nachgewiesene interstellare Moleküle Zahl der Atome Biologie Geowissenschaften/ Biologie Zahlreiche Planeten um andere Sterne entdeckt. Welche Voraussetzungen für organische Chemie und Entstehung von Leben müssen gegeben sein? Astrobiologie Geowissenschaften - Planetenkunde - Asteroseismologie (Helio-Seismologie und Seismologie der Sterne): Untersuchung der inneren Struktur der Sterne Saturnmond Titan 5
Geowissenschaften/ Biologie Geowissenschaften/ Seismologie Technik Technik Stürmische Entwicklung der astrophysikalischen Forschung geht Hand in Hand mit rasanter technischer Entwicklung. Beispiele: - Entwicklung von Beobachtungsinstrumenten in allen Wellenlängenbereichen (Weltraumteleskope) - Neutrino-Astronomie (Detektoren) - Gravitationswellenastronomie - Detektoren für kosmische Teilchenstrahlung Instrumente und Detektoren auch anderweitig einsetzbar (z.b. Röntgendetektoren für die Medizin) Hubble Space Telescope Astrophysik liefert auch Grundlagenkenntnisse für andere technischwissenschaftliche Anwendungen, z.b. - Kernfusion Missbrauchsgefahr! Z.B. Strahlungstransport und Opazitäten in Sternen Simulationen von Nuklearexplosionen Technik ORFEUS UV-Teleskop, 2 Flüge mit US-Raumfähren (1991, 1996) Bau unter Tübinger Führung Aussetzen von ORFEUS aus der Shuttle-Ladebucht Technik 6
Explosionsartige thermonukleare Verbrennung von Wasserstoff im weißen Zwerg Explosionsartige thermonukleare Verbrennung von Wasserstoff im weißen Zwerg Missbrauchsgefahr! H/He Schichtung Aufstieg einer Helium-Aschen- Blase H/He Schichtung Aufstieg einer Helium-Aschen- Blase Geschwindigkeit Geschwindigkeit Herwig, Freytag, & Werner (2006) Herwig, Freytag, & Werner (2006) Philosophie und Religion Heutiges Weltbild ohne Beiträge der Astronomie nicht vorstellbar. Beispiele: Kosmologie - Entstehung der Welt aus dem Nichts? (Theorie des inflationären Universums) Entstehung des Lebens (extrasolare Planeten) - Stellung und Rolle des Menschen im Kosmos Kosten der Astronomie Astronomie ist Grundlagenforschung. Wie viel Geld soll dafür ausgegeben werden? Den Wert muss jede Kultur/Gesellschaft für sich selbst entscheiden. Investitionen: Bislang nicht astronomisch, aber: Tendenz steigend Großforschung Bündelung von Aktivitäten auf internationaler Ebene: - Forschungsorganisationen (ESO - European Southern Observatory) - Verbünde für spezielle Großteleskope, z.b. Hubble-Weltraumteleskop (NASA + ESA) In Deutschland: Etwa 30 Institute, zumeist an Universitäten, aber auch Max-Planck-Institute und einige weitere außeruniversitäre Einrichtungen Etwa 530 Wissenschaftler, 400 Doktoranden, 200 Diplomanden, 400 Techniker, 90 Verwaltungsangestellte Ca. 200 Diplom- und 80 Doktorarbeiten werden jährlich abgeschlossen 0.2 Die Dimensionen des Weltalls Planetensystem im Maßstab 1:10 9 (1000 km entspr. 1mm) Sonne 1.4 m Durchmesser Merkur Erbse in 60 m Entfernung von Sonne Venus Haselnuss in 110 m Erde in 150 m Mars Erbse in 230 m Jupiter Kohlkopf in 800 m Saturn in 1,4 km Uranus Mandarine in 3 km Neptun in 4,5 km Nächster Stern in 40.000 km Entfernungen in Lichtjahren Nächster Stern 4,4 Zentrum der Galaxis 25.000 Magellansche Wolken 190.000 Andromedagalaxie 2,5 Millionen Quasare 13 Milliarden Größe der Sterne Sonne: 700.000 km Radius (grob 100 Erdradien; Erde: 6400 km) Roter Riese: 10.000 Erdradien Weißer Zwerg: 100 Erdradien Neutronenstern: 1/500 Erdradius (ca. 13 km) Masse eines weißen Zwergs: ~1 Sonnenmasse mittlere Dichte ca. 1 Millionen mal höher als in Sonne 1 cm 3 Materie wiegt etwa 1 Tonne Entwicklungszeitskala astronomischer Forschung Planetensystem 17. Jh. Sterne 1830 Galaxien 1920 Quasare 1960 Gammablitze 1998 Dunkle Materie, dunkle Energie? 7
0.3 Teilgebiete der modernen Astrophysik Aufteilung nach Objekten Planetenforschung Sonnenphysik Sterne Interstellares Medium Milchstraße und Galaxien Galaxienhaufen Universum (Kosmologie) nach Beobachtungstechnik Radioastronomie Millimeter & Infrarot Optische Astronomie UV-Astronomie Röntgenastronomie Gammastrahlung (Unterscheidung nach Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung) und: Kosmische (Teilchen-) Strahlung Neutrinoastronomie. Gravitationswellenastronomie Trumpf: multi-wavelength und multi-messenger Astronomie 8