Sterne und Weltraum Herausgeber Wilhelm Raith Autoren Hans Joachim Blome, Hilmar Duerbeck, Johannes V. Feitzinger, Josef Hoell, Wolfgang Priester, Helmut Scheffler, Fridtjof Speer 2., stark erweiterte und aktualisierte Auflage Walter de Gruyter 2002
Inhalt 1 Grundlagen der Astronomie... Hilmar W. Duerbeck 1.1 Kosmische Informationsträger... 1 1.1. 1 Der Strahlungsstrom... 1 1.1.2 Die spektrale Zusammensetzung... 3 1.1.3 Die Richtung, aus der Strahlung zu uns dringt... 4 1.2 Koordinatensysteme... 5 1.3 Sternpositionen... 10 1.4 Inertialsysteme... 13 1.5 Die Zeit in der Astronomie... 15 1.5.1 Atomzeit TAI... 15 1.5.1 Koordinierte Weltzeit UTC... 15 1.5.3 Ephemeridenzeit ET, Terrestrische Zeit TT und andere Zeitskalen... 16 1.6 Der Kalender......... 19 1.7 Astronomische Längenm... 21 1.8 Historischer Abriß der Astronomie... 23 1.9 Das Sonnensystem im Wandel... 27 1.10 Astronomische Forschung heute... 27 1.11 Informationsquellen und die Astronomie im Internet... 28 1.11.1 Zeitschriften... 28 1. 11.2 Astronomische Bibliographie/virtueIle Bibliothek... 29 1.11.3 Astronomische Datenarchive... 31 1.12 Astronomische Software... 33 1 2 Terrestrische Observatorien und Beobachtungstechniken... Hilmar W. Duerbeck 2.1 Atmosphärische Fenster für elektromagnetische Strahlung... 37 2.2 Optische Teleskope... 38 2.2.1 Das Auflösungsvermögen... 38 2.2.2 Die Lichtstärke... 40 2.2.3 Die Apertursynthese... 40 2.2.4 Realisationen optischer Teleskope... 41 2.3 Astronomische Photometrie... 49 2.3.1 Meßtechnische Grundlagen... 49 37
X Inhalt 2.3.2 2.3.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5 2.6 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.8 2.9 2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.10 2.11 2.12 2.12.1 2.12.2 2.13 Photometer..... 53 Anwendungen... 56 Astronomische Spektroskopie... 56 Meßtechnische Grundlagen..... 56 Spektroskope... 57 Anwendungen... 58 Optische Polarimetrie... 59 Infrarotastronomie... 62 Radioastronomie... 64 Das Radiofenster... 64 Realisationen von Radioteleskopen... 65 Empfänger für Radiostrahlung... 67 Anwendungen... 69 Radarastronomie... 69 Suche nach extraterrestrischer Intelligenz (SETI)...... 71 Neutrinoastronomie...... 74...... 78 Hochenergetische Gammastrahlung... 84 Gravitationsstrahlung... Allgemeines. Quellen. Meßziele... Detektoren... Ausblick...... 90 3 Extraterrestrische Observatorien... 93 Fridtjof Speer. Josef Hoell 3.1 Wissenschaftliche Satelliten... 93 3.1.1 Klassen von Extraterrestrischen Observatorien... 93 3.1.2 Die Satellitengruppe Great Observatories"... 98 3.1.3 Europäische Satellitenprojekte...... 100 3.2 Observatorien im Sichtbaren... 102 3.2.1 Das Hubble-Teleskop...... 102 3.2.1.1 Der Primärspiegel...... 108 3.2.1.2 Der optische Fehler...... 110 3.2.1.3 Das Stabilisierungssystem... 115 3.2.1.4 Die Instrumente..... 116 3.2.1.5 Instandhaltungsflüge... 119 3.2.1.6 Space Telescope Science Institute... 122 3.2.2 Der Astrometrie-Satellit Hipparcos... 124 3.3 Das Compton-Observatorium im Gammastrahlenbereich... 127 3.4 Observatorien im Röntgenbereich... 135
Inhalt XI 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.6 3.7 3.8 Das Einstein-Observatorium...... 135 Der Röntgensatellit ROSAT... 143 Das Chandra-Observatorium... 147 Das XMM Newton-Observatorium... 153 Observatorien im Infrarotbereich... Der Infrarot-Satellit IRAS... Das Infrarot-Observatorium ISO... 160 Das Infrarot-Teleskop SIRTF... 164 Der COBE-Satellit im Mikrowellenbereich... 167 Neue Pläne und Projekte...... 171 Fundamentale Fragen der Astrophysik... 176 4 Sterne und interstellare Materie.... 183 Helmut Scheffler, Johannes K Feitzinger 4.1 Einleitung... 183 4.2 Die Sternform der Materie...... 189 4.2.1 Die Sonne, der nächste Stern... 4.2.1.1 Radius, Masse, Rotation... 4.2.1.2 Die Strahlung der Sonne... 4.2.1.3 Leuchtkraft und effektive Temperatur... 4.2.1.4 Fraunhofer-Linien und qualitative Analyse... 4.2.2 Phänomene der Sonnenatmosphäre... 195 4.2.2.1 Feinstruktur der Photosphäre... 195 4.2.2.2 Chromospäre und Korona, Sonnenwind... 196 4.2.2.3 Solare Radiofrequenzstrahlung.... 200 4.2.2.4 Sonnenaktivität und Magnetfelder... 4.2.3 Zustandgrößen der Sterne... 4.2.3.1 Spektren und Spektralklassifikation... 4.2.3.2 Strahlungsstrom, Radius und effektive Temperatur... 4.2.3.3 Sternhelligkeiten und Leuchtkräfte... 4.2.3.4 Das Hertzsprung-Russell-Diagramm... 4.2.3.5 Sternmassen, Masse-Leuchtkraft-Beziehung, Rotation... 216 4.2.4 Physik der Sternatmosphären... 219 4.2.4.1 Quantitative Analyse von Sternspektren... 219 4.2.4.2 Modelle von Sternatmosphären...... 223 4.2.4.3 Halbempirisches Modell der Sonnenat... 225 4.2.4.4 Konvektionszone und Heizung der Sonnenkorona 4.2.5 Innerer Aufbau und Entwicklung der 4.2.5.1 Der Gleichgewichtszustand eines Sternes... 4.2.5.2 Energiequellen und Energiegleichgewicht... 4.2.5.3 Sternmodelle und Sternentwicklung.. 4.2.5.4 Späte Entwicklungsphasen und Endstadien... 240 4.2.6 Veränderliche Sterne und andere Sondertypen... 241 4.2.6.1 Pulsierende Veränderliche.... 243 4.2.6.2 Kataklysmische Veränderlic... 245 4.2.6.3 Supernovae und ihre Überr...... 247 4.2.6.4 Of-Sterne, Wolf-Rayet-Sterne und Planetarische Nebel...... 250
XI1 Inhalt 4.2.6.5 Sterne in frühen Entwicklungsphasen... 252 4.3 Interstellare Materie... 254 4.3.1 Interstellarer Staub.... 255 4.3.1.I Interstellare Extinktion...... 255 4.3.1.2 Streulicht und Wärmestrahlung von den Staubteilchen... 260 4.3.1.3 Interstellare Polarisation und galaktisches Magnetfeld... 261 4.3.2 Diffuse Wolken interstellaren Gases... 263 4.3.2.1 Interstellare Absorptionslinien in Sternspektren 4.3.2.2 Die 21 an-linie des atomaren Wasserstoffs... 4.3.2.3 Modell des allgemein verbreiteten Mediums.. 4.3.2.4 Kontinulierliche Radiofrequenzstrahlung und h 4.3.3 HII-Regionen... 4.3.3.1 Diffuse Emissionsnebel... 4.3.3.2 Interpretation der optischen Beobachtungen... 275 4.3.3.3 Radioemission von HII-Regionen... 279 4.3.4 Molekülwolken und Sternentst... 282 4.3.4.1 Interstellare Moleküle...... 282 4.3.4.2 Zustand der Molekülwolken......... 285 4.3.4.3 Sternentstehung...... 286 4.4 Ausblick...... 291 5 Galaxien...... 299 Johannes V. Feitzinger 5.1 Galaxien und Astrophysik... 299 5.1.1 Grundparameter der Galaxien...... 300 5.1.2 Galaxienkataloge und Auswahleffekte... 5.2 Klassifikation der Galaxien...... 304 5.2.1 Normale Galaxien... 5.2.2 Zwerggalaxien... 5.2.3 Wechselwirkende Galaxien... 5.2.3.1 Dynamische Reibung und verschmelzende Galaxien... 5.2.4 Sondertypen.... 5.3 Der Aufbau der Galaxien...... 318 5.3.1 Galaxiendurchmesser und Elliptizität. 5.3.2 Farben und Leuchtkräfte... 5.3.3 Interstellare Materie... 5.3.4 Massen... 5.3.5 Sternpopulationen... 334 5.3.6 Die physikalische Bedeutung der Galaxienklassifikation... 338 5.4 Dynamik von Galaxien... 5.4.1 Einfache Potentiale und Kraftgesetze... 5.4.2 Sternbahnen... 5.4.3 Elliptische Systeme... 5.4.3.1 Balkenstrukturen..... 356 5.4.4 Scheibengalaxien... 357 5.4.5 Dunkle Materie...... 370 5.5 Strukturbildung in Galaxien... 371
Inhalt XI11 5.5.1 5.5.2 5.5.2.1 5.5.2.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.8 5.8.1 5.8.2 5.8.3 5.8.4 5.8.5 Energiegleichgewichte..... 372 Spiralstruktur...... 377 Dichte Wellentheorie...... 378 Stochastische Sternents Stern- und Gasdynamik in Balkensystemen...... 388 Chemische Entwicklung in Galaxien...... 390 Magnetfelder in Galaxi Entferungsbestimmung von Galaxien... 397 Die weite und die kurz Die Hubble-Konstante Aktive Galaxien und Quasare... 406 Typenbeschreibungen u Jets...... 410 Ursachen der Aktivität... 412 Gravitationslinsen...... 416 Galaxien als Bausteine des Kosmos... 419 Morphologische Eigenschaften der Galaxienhaufen... 419 Dichteprofil, Größe, Masse........ 422 Kühlströme...... 425 Superhaufen und Leerräume... Die Stetigkeit der kosmischen Expansion... 6 Kosmologie... 439 Hans Joachim Biome, Josef Hoell, Wolfgang Priester 6.1 Einleitung... 439 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 Beobachtungsergebnisse...... 441 Die Hubble-Beziehung...... 441 Die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung... 445 Die Dichte der leuchtenden Materie...... 448 Dunkelmaterie... Die heutige mittlere baryonische Dichte... Die großräumige Struktur des Universums... Das Alter der Galaxis...... 461 6.3.6 Entfernungen im Kosmos...... 493 e..... 498... 501 6.3.9.2 Die a(z)-relation (Winkeldurchmesser - Rotverschiebung)
XIV Inhalt 6.3.9.3 6.3.9.4 6.3.9.5 6.3.9.6 6.3.10 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 6.4.8 6.4.9 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.5.6 6.5.7 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.7 6.8 Zählungen... 505 Analyse des Ly a-forest in Quasar-Spektren... 506 Temperaturfluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung... 510 Gravitationslinsen... 513 Das best-fit"-modell... 514 Standardmodell der kosmischen Entwicklung... 518 Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung im Kosmos... 518 Quantenkosmos zur Planck-Zeit... 521 Inflationäre Expansion... 523 Der Zerfall des X-Bosons und das Problem der Antimaterie... 526 Hadronenära... 527 Leptonenära...... 528 Elementsynthese im frühen Ko s... 530 Rekombination des Plasmauniversums... 532 Die Frühzeit des Materiekosmos... 533 Grenzen und Probleme der Kosmologie... Anfangssingularität des kosmologischen Modells... Kausalität und Horizonte im expandierenden Kosmos... 542 Isotropie und Mikrowellen-Hintergrundstrahlung... 542 Homogenität und Verteilung der Galaxien... 543 Zur euklidischen Metrik des Weltraums...... 544 Das Materie-Antimaterie-Problem...... 544 Die kosmologische Konstante und das Quantenvakuum... 546 Alternative Lösungen zur Urknallsingularität... 551 Eine de-sitter-lösung als Modell für den frühen Kosmos... 553 Quantentheorie und Gravitation... 560 Quantenkosmologie... 561 Stringkosmologie... 566 Anthropisches Prinzip... 569 Die Zukunft des Kosmos... 571 Bildanhang... 583 Zahlenwerte und Tabellen... 591 Register... 599