Bau und Physik der Galaxis von Prof. Dr. Helmut Scheffler Landessternwarte Heidelberg-Königsstuhl und Universität Heidelberg und Prof. Dr. Hans Elsässer Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg und Universität Heidelberg 2., überarbeitete und erweiterte Auflage Wissenschaftsverlag Mannheim/Leipzig/Wien/ Zürich
Einleitender Überblick 13 I Positionen, Bewegungen und Entfernungen der Sterne Begriffe und Methoden 1 Örter und Bewegungen 40 1.1 Astronomische Koordinatensysteme 40 1.2 Zeitliche Änderungen der Sternkoordinaten 46 1.3 Raumgeschwindigkeiten und Sonnenbewegung 55 1.4 Das Fundamentale Astronomische Koordinatensystem 59 1.5 Extragalaktisch verankertes Bezugssystem, Radioastrometrie 63 2 Entfernungen 67 2.1 Primäre Methoden 67 2.2 Sekundäre Methoden 76 II Aufbau und Kinematik des Sternsystems 1 Scheinbare Verteilung der Sterne 82 1.1 Allgemeine Sternzählungen, integriertes Sternlicht 82 1.2 Scheinbare Verteilung der einzelnen Sterntypen 86 1.3 Verteilung der Flächenhelligkeit der Milchstraße im Sichtbaren und im Infrarot 88 2 Methoden der Stellarstatistik 91 2.1 Verteilungsfunktionen, Dichteanalyse 91 2.2 Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung 97 2.3 Methoden zur Ableitung der Leuchtkraftfunktion 100 3 Das Sternfeld der Sonnenumgebung 103 3.1 Leuchtkraftfunktion und räumliche Verteilung der Sterne 103 3.2 Bewegungen der Sterne der Sonnenumgebung 117 4 Großräumige Verteilung der Sterne 133 4.1 OB-Sterne, junge offene Sternhaufen und OB-Assoziationen 134 4.2 Kugelförmige Sternhaufen, RR Lyrae-Sterne und Cepheiden 139 4.3 Sterne im galaktischen Halo, zentraler Bulge 152 4.4 Modell der Galaxis und Sternzählungen 157 4.5 Flächenhelligkeit in der Milchstraße und galaktische Struktur 160 9
5 Großräumige Bewegung der Sterne 166 5.1 Scherung, Drehung und Dilatation des Geschwindigkeitsfeldes... 166 5.2 Rotation der galaktischen Scheibe 171 5.3 Kinematik der sphäroidal verteilten Objekte 175 6 Zusammenfassende Übersicht, Sternpopulationen 177 6.1 Untersysteme 177 6.2 Sternpopulationen und Entwicklung der Galaxis 178 III Interstellare Phänomene 1 Das allgemein verbreitete Medium 184 1.1 Interstellare Extinktion 184 1.2 Interstellare Polarisation 194 1.3 Reflexionsnebel und Galaktisches Streulicht, thermische Staubemission 199 1.4 Interstellare Absorptionslinien in Sternspektren 205 1.5 Die 21 cm-radiolinie des interstellaren Wasserstoffs 213 1.6 Linienemission interstellarer CO-Moleküle 223 1.7 Kontinuierliche Radioemission 225 1.8 Faradayrotation im interstellaren Magnetfeld und Dispersion der Strahlung diskreter Radioquellen 230 1.9 Interstellares Strahlungsfeld, Röntgen- und Gammastrahlung, Kosmische Teilchenstrahlung 233 2 Interstellare Wolken 244 2.1 Diffuse Emissionsnebel: Optische Erscheinung 245 2.2 Kontinuierliche Radioemission von HII-Regionen 255 2.3 Radio-Rekombinationslinien von HII-Regionen 262 2.4 Infrarotemission in den Bereichen von H II-Regionen 264 2.5 Dunkelwolken: Optische Daten 270 2.6 Dunkelwolken hoher Extinktion und IR-Quellen 273 2.7 Molekülwolken 275 2.8 Maser-Punktquellen 282 2.9 Interstellare Wolken und Sternentstehung 284 IV Physik der interstellaren Materie 1 Strahlung im interstellaren Gas 291 1.1 Strahlungstransport 291 1.2 Linienemission und -absorption unter interstellaren Bedingungen.. 294 1.3 Kontinuierliche Emission und Absorption 312 10
2 Zustand des interstellaren Gases 320 2.1 Ionisation 320 2.2 Bildung und Dissoziation interstellarer Moleküle 331 2.3 Wärmehaushalt und kinetische Temperatur des Gases 338 2.4 Zustand von Molekülwolken und HII-Regionen 350 2.5 Elementhäufigkeiten im interstellaren Gas 362 3 Die interstellaren Staubteilchen 373 3.1 Optik kleiner fester Partikel 373 3.2 Natur der interstellaren Staubteilchen 378 3.3 Wechselwirkungen mit dem Strahlungsfeld, dem Gas und dem Magnetfeld 387 4 Verteilung und Bewegung der interstellaren Materie 395 4.1 Verteilung und Wolkenstruktur des Staubes 396 4.2 Dichte und Wolkenstruktur des neutralen Wasserstoffs in der Sonnenumgebung 406 4.3 Der neutrale Wasserstoff großräumig 412 4.4 Großräumige Verteilung von HII-Regionen und Molekülwolken.. 421 4.5 Das galaktische Zentralgebiet 425 4.6 Galaktischer Gas-Halo 433 V Dynamik der Galaxis 1 Stellardynamik 436 1.1 Problemstellung, Grundgleichungen 436 1.2 Nahe Sternbegegnungen, Relaxation 441 1.3 Stellardynamik unter Berücksichtigung von Stößen" 445 1.4 Stoßfreie Dynamik des galaktischen Sternsystems 448 1.5 Die Massenverteilung in der Galaxis 463 2 Gravitative Theorie der Spiralstruktur 474 2.1 Problemstellung und Überblick 474 2.2 Spiralförmige Dichtewellen 476 3 Dynamik des interstellaren Gases 487 3.1 Problemstellung und Grundlagen 487 3.2 Dynamisches Gleichgewicht des Gases 494 3.3 Stoßfronten im interstellaren Gas 502 3.4 Kondensation des Gases und galaktische Evolution 510 11
Anhang A: Grundformeln für die Transformation astronomischer Koordinaten 527 Anhang B: Energiezustände und Übergänge von Molekülen 530 Anhang C: Karten zur graphischen Ermittlung von genäherten galaktischen Koordinaten 536 Astronomische und physikalische Konstanten 538 Lateinische Sternbildnamen 540 Ergänzende und weiterführende Literatur 541 Quellen-Nachweis der Tabellen 557 Abbildungsnachweis 559 Sachregister 565 12