Astronomie und Astrophysik: ein Grundkurs
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|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | Deutsch |
| Veröffentlicht: |
Weinheim
Wiley-VCH
2006
|
| Ausgabe: | 4., völlig überarb. und erw. Aufl., 1. Nachdr. |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch Physik
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| Schlagwörter: | |
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| Umfang: | XVI, 424 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3527403582 |
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Vorwort
ХШ
1 Bewegung von Himmelskörpern 1
1.1 Gravitationsphysik............................... 1
1.1.1 Das Gravitationsfeld.......................... 1
1.1.2 Das Zweikörperproblem - Keplersche Gesetze............ 2
1.1.3 Bahnbestimmung und Bahngeschwindigkeit ............. 5
1.1.4 Roche-Grenze ............................. 6
1.1.5 Bemerkung zu Vielteilchensystemen ................. 7
1.1.6 Starke Gravitationsfelder ....................... 7
1.2 Koordinatensysteme .............................. 8
1.2.1 Das Horizontsystem.......................... 9
1.2.2 Äquatorialsysteme........................... 10
1.2.3 Das Ekliptikalsystem ......................... 12
1.2.4 Das Galaktische System........................ 12
1.3 Bewegung der Erdachse und Koordinatensysteme............... 12
1.3.1 Lunisolar-Präzession.......................... 13
1.3.2 Die astronomische
Nutation
...................... 14
1.3.3 Die Planetenpräzession ........................ 14
1.3.4 Koordinaten-Änderung durch Präzession............... 15
1.4 Astronomie und Zeit.............................. 16
1.4.1 Die Sternzeit.............................. 16
1.4.2 Die wahre Sonnenzeit ......................... 16
1.4.3 Die mittlere Sonnenzeit ........................ 17
1.4.4 Ortszeit - Zonenzeit - Weltzeit .................... 18
1.4.5 Das Jahr ................................ 19
1.4.6 Präzisionszeitmessungen........................ 20
1.5 Sternörter.................................... 21
1.5.1 Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen ............. 21
1.5.2 Die Messung von Sternörtern ..................... 21
1.5.3 Die Aberration des Lichts....................... 23
1.6 Die Parallaxe.................................. 24
2 Strahlung 27
2.1 Das elektromagnetische Spektrum....................... 27
2.2 Astrophysikalische Messgrößen........................ 28
2.2.1 Intensität und Strahlungsstrom . .................... 28
2.2.2 Die astronomische Magnitudenskala.................. 30
VI
Inhaltsverzeichnis
2.2.3 Helligkeitssysteme........................... 31
2.2.4 Farben ................................. 33
2.2.5 Weitere Messgrößen.......................... 33
2.3 Elementare Strahlungsprozesse......................... 34
2.3.1 Emission und Absorption........................ 34
2.3.2 Hohlraumstrahlung........................... 36
2.3.3 Spektrallinien .............................. 39
2.3.4 Synchrotronstrahlung.......................... 40
2.4 Kosmische Teilchen und Gravitationswellen.................. 41
2.4.1 Kosmische Strahlung und Teilchenströme............... 41
2.4.2 Neutrinos................................ 42
2.4.3 Gravitationswellen........................... 42
2.5 Ausbreitung von Strahlung........................... 43
2.5.1 Absorption in Materie......................... 43
2.5.2 Strahlungstransport........................... 44
2.5.3 Dopplereffekt.............................. 45
2.6 Auswirkungen der Erdatmosphäre....................... 46
2.6.1 Atmosphärische Transmission..................... 46
2.6.2 Refraktion ............................... 47
2.6.3 Streuung ................................ 49
2.6.4
Szintillation
und
„Seeing
....................... 49
3 Astronomische Instrumente 51
3.1 Teleskope.................................... 51
3.1.1 Grundlagen............................... 51
3.1.2 Beugung................................ 54
3.1.3 Abbildungsfehler............................ 55
3.1.4 Auflösungsvermögen.......................... 56
3.1.5 Astronomische Teleskope ....................... 57
3.1.6 Spezielle Teleskoptypen........................ 58
3.2 Detektoren.................................... 60
3.3 Beobachtungstechniken............................. 62
3.3.1 Photometrie............................... 62
3.3.2 Spektroskopie.............................. 63
3.3.3
Adaptive
Optik............................. 66
3.3.4
Interferometrie
............................. 67
3.3.5 Elektronische Bildverarbeitung .................... 69
3.4 Observatorien.................................. 70
4 Das Sonnensystem 73
4.1 Mitglieder und Dimensionen des Systems................... 73
4.2 Bahnbewegungen................................ 74
4.2Л
Planetenbahnen ............................ 74
4.2.2 Die Erdbahn.............................. 76
4.2.3 Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge.......... 77
Inhaltsverzeichnis
VII
4.3 Das System Erde-Mond ............................ 78
4.3.1 Bewegung um die Erde ........................ 79
4.3.2 Bewegung um die Sonne........................ 80
4.3.3 Rotation des Mondes ......................... 81
4.3.4 Finsternisse .............................. 82
4.4 Physik der Planeten............................... 83
4.4.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen ............. 84
4.4.2 Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären.......... 87
4.4.3 Gesamtaufbau ............................. 87
4.4.4 Oberflächenformen terrestrischer Planeten .............. 91
4.5 Monde ..................................... 93
4.6 Kleine Körper im Sonnensystem........................ 94
4.6.1 Asteroiden............................... 94
4.6.2 Kometen................................ 95
4.6.3 Trans-Neptun-Objekte......................... 97
4.7 Zur Entstehung des Sonnensystems ...................... 98
4.7.1 Forderungen an die Kosmogonie ................... 99
4.7.2 Von der protoplanetaren Scheibe zu Planetesimalen ......... 99
4.7.3 Entstehung der Planeten........................ 101
4.7.4 Katastrophenszenarien......................... 102
4.7.5 Extrasolare Planeten.......................... 103
5 Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen 105
5.1 Strahlungsleistung ............................... 105
5.1.1 Die Leuchtkraft ............................ 105
5.1.2 Absolute Helligkeiten ......................... 106
5.1.3 Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur............... 106
5.2 Radius, Masse und hieraus abgeleitete Größen ................ 107
5.2.1 Sternradien............................... 107
5.2.2 Masse der Sterne............................ 109
5.2.3 Mittlere Dichte, Schwerebeschleunigung............... 111
5.3 Spektralklassifikation.............................. 112
5.3.1 Definition der Spektralklassen..................... 112
5.3.2 Leuchtkraftklassen........................... 117
5.3.3 Praxis der Spektralklassifikation.................... 118
5.4 Rotation der Sterne............................... 121
5.5 Korrelationen zwischen verschiedenen Messgrößen.............. 123
5.5.1 Hertzsprang-Russell-Diagramm und Farbdiagramme......... 124
5.5.2 Beziehungen zwischen
R, L
und
M
für Hauptreihensterne...... 127
5.5.3 Übersicht über charakteristische Größen von Sternen......... 128
5.6 Veränderliche Sterne.............................. 128
5.7 Doppelsteme und Mehrfachsysteme...................... 133
5.7.1 Häufigkeiten.............................. 133
5.7.2 Hierarchie ............................... 133
5.7.3 Bedeckungsveränderliche....................... 134
VIH
Inhaltsverzeichnis
6 Die Außenschichten von Sonne und Sternen 135
6.1 Die Außenschichten der Sonne......................... 135
6.1.1 Die Photosphäre............................ 135
6.1.2 Die Chromosphäre........................... 137
6.1.3 Die Korona............................... 138
6.1.4 Der Sonnenwind............................ 140
6.2 Die Aktivität der Sonne ............................ 141
6.2.1 Sonnenflecken............................. 142
6.2.2 Andere Aktivitätserscheinungen.................... 145
6.2.3 Radio-und Röntgenstrahlung ..................... 146
6.2.4 Aktivität bei anderen Sternen ..................... 148
6.3 Stellare Magnetfelder.............................. 149
6.3.1 Ionisiertes Plasma und Magnetfelder ................. 149
6.3.2 Stellare Dipolfelder .......................... 150
6.3.3 Magnetfeld als Energiereservoir.................... 151
6.4 Physik der Sternatmosphären ......................... 151
6.4.1 Schichtung einer Sternatmosphäre................... 151
6.4.2 Modellatmosphären .......................... 154
6.5 Analyse von Sternspektren........................... 155
6.5.1 Prinzipielles zur Spektralanalyse ................... 155
6.5.2 Absorptionsquerschnitt ........................ 155
6.5.3 Anregung und Ionisation........................ 157
6.5.4 Absorptionskoeffizient und Sternspektren............... 159
6.5.5 Die chemische Zusammensetzung der Sternatmosphären....... 160
7 Innerer Aufbau der Sterne 163
7.1 Grundgleichungen des Sternaufbaues ..................... 163
7.1.1 Grundlagen............................... 163
7.1.2 Massenverteilung ........................... 164
7.1.3 Mechanisches Gleichgewicht ..................... 164
7.1.4 Energiesatz............................... 164
7.1.5 Energietransport............................ 166
7.1.6 Gesamtproblem ............................ 167
7.2 Materialfunktionen............................... 168
7.2.1 Die Zustandsgieichung......................... 168
7.2.2 Der Absorptionskoeffizient ...................... 169
7.3 Nukleare Energieerzeugung .......................... 170
7.3.1 Wasserstoffbrennen .......................... 172
7.3.2 Heliumbrennen............................. 173
7.3.3 Kohlenstoff-, Sauerstoff-und Siliziumbrennen ............ 174
7.4 Einfache Sternmodelle............................. 175
7.4.1 Sternmodell für eine Sonnenmasse .................. 175
7.4.2 Hauptreihensterne ........................... 176
7.4.3 Weiße Zwerge ............................. 178
7.4.4 Sterne mit
Konvektion
und die Hayashi-Linie............. 179
Inhaltsverzeichnis
ЇХ
7.4.5 Solare und stellare Neutrinos ..................... 181
7.4.6
Helio-
und Asteroseismologie..................... 181
8 Sternentstehung und Sternentwicklung 183
8.1 Energiereservoire und Zeitskalen ....................... 183
8.2 Stern-und Planetenentstehung......................... 185
8.2.1 Gravitativer Kollaps.......................... 185
8.2.2 Von Protosternen zu Protoplaneten .................. 186
8.2.3 Vorhauptreihensterae ......................... 188
8.2.4 Grenzmassen.............................. 188
8.2.5 Braune Zwerge............................. 189
8.3 Vom Wasserstoffbrennen zum Heliumbrennen ................ 190
8.3.1 Heliumbrennen............................. 192
8.3.2 Pulsationsveränderliche ........................ 195
8.4 Endstadien der Sternentwicklung ....................... 200
8.4.1 Späte Phasen der Stementwicklung.................. 200
8.4.2 Weiße Zwerge ............................. 201
8.4.3 Supernovae............................... 202
8.4.4 Neutronensterne............................ 205
8.4.5 Pulsare................................. 206
8.4.6 Schwarze Löcher............................ 208
8.5 Entwicklung in engen Doppelsternsystemen.................. 209
8.5.1 Bedeckungsveränderliche ....................... 209
8.5.2 Äquipotentialflächen.......................... 211
8.5.3 Massenaustausch............................ 213
8.5.4 Novae und Zwergnovae ........................ 214
8.5.5 Röntgendoppelsterne.......................... 215
9 Das Milchstraßensystem 217
9.1 Entfernungsbestimmung............................ 217
9.1.1 Trigonometrische Parallaxen...................... 217
9.1.2 Photometrische Parallaxen....................... 218
9.1.3 Sternhaufenparallaxen......................... 219
9.1.4 Weitere Verfahren ........................... 219
9.2 Stellarstatistik.................................. 220
9.2.1 Leuchtkraftfunktion .......................... 220
9.2.2 Massenfunktion der Sterne....................... 222
9.2.3 Anzahl-Helligkeits-Relation...................... 222
9.2.4 Sternzählungen und Extinktion..................... 224
9.3 Sterne der Sonnenumgebung.......................... 225
9.4 Sternhaufen................................... 226
9.4.1 Offene Sternhaufen........................... 226
9.4.2 Assoziationen.............................. 227
9.4.3 Kugelsternhaufen............................ 228
9.5 Rotation der Milchstraße............................ 229
χ
Inhaltsverzeichnis
9.6 Komponenten des Milchstraßensystems.................... 234
9.6.1 Die galaktische Scheibe und die Spiralarme.............. 234
9.6.2 Der galaktische
Halo
.......................... 237
9.6.3 Das Zentralellipsoid.......................... 238
9.6.4 Das galaktische Zentrum........................ 238
9.7 Die Sternpopulationen ............................. 241
9.8 Zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße............... 243
10 Interstellare Materie 245
10.1 Globale Eigenschaften und Phasen des ISM.................. 246
10.2 Diffuse Wolken................................. 248
10.2.1 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs.............. 248
10.2.2 Beobachtungsergebnisse........................ 249
10.3 Molekülwolken................................. 251
10.3.1 Übersicht über die Ergebnisse..................... 253
10.3.2 Maser-und Antimaseraktivität..................... 255
10.4 Emissionsnebel................................. 256
10.4.1 Strahlung klassischer
Η
n-Regionen.................. 256
10.4.2 Ausdehnung und Temperatur von
Η
П
-Regionen ........... 258
10.4.3 Zeitliche Entwicklung von
Η
II-Gebieten............... 260
10.4.4 Besondere Emissionsnebel....................... 261
10.5 Röntgen-und Synchrotronstrahlung des ISM ................. 263
10.5.1 Interstellare Stoßfronten........................ 263
10.5.2 Diffuse Röntgenstrahlung....................... 264
10.5.3 Synchrotronstrahlung ......................... 264
10.6 Interstellarer Staub............................... 265
10.6.1 Interstellare Extinktion......................... 266
10.6.2 Thermische Strahlung......................... 268
10.6.3 Herkunft und Zusammensetzung des Staubes............. 269
10.7 Kühlfunktion und Materiekreislauf des ISM.................. 270
11 Galaxien 273
11.1 Extragalaktische Entfernungsbestimmung................... 273
11.1.1 Standardkerzen............................. 274
11.1.2 Die extragalaktische Entfernungsleiter................. 275
11.1.3 Die Hubble-Beziehung......................... 276
11.2 Klassifikation von Galaxien........................... 278
11.3 Globale Eigenschaften............................. 281
11.3.1 Lineardimensionen und Leuchtkräfte................. 281
11.3.2 Farben und Spektren.......................... 282
11.3.3 Massen................................. 285
11.4 Dynamischer Aufbau von Galaxien....................... 285
11.4.1 Zur Dynamik von Sternsystemen.................... 285
11.4.2 Rotationskurven von Spiralgalaxien.................. 288
11.4.3 Spiralstruktur.............................. 290
11.4.4 Balkenspiralen............................. 292
Inhaltsverzeichnis
XI
11.4.5 Elliptische Galaxien.......................... 292
11.4.6 Schwarze Löcher in Galaxienzentren ................. 294
11.5 Zeitliche Entwicklung von Galaxien...................... 295
11.5.1 Verlauf der Sternentstehung...................... 295
11.5.2 Materiekreislauf und chemische Entwicklung............. 296
11.5.3 Leuchtkraftentwicklung........................ 297
11.5.4 Wechselwirkung zwischen Galaxien.................. 297
11.5.5 Galaxien im jungen Universum .................... 300
11.6 Aktive Galaxienkerne und Quasare....................... 302
11.6.1 Seyfert-Galaxien............................ 302
11.6.2 Radiogalaxien ............................. 303
11.6.3 Quasare................................. 304
11.6.4 Der extragalaktische Röntgenhintergrund............... 306
11.6.5 Struktur von aktiven Galaxienkernen.................. 306
11.6.6 Energieerzeugung durch Akkretion.................. 308
11.6.7 Die kosmische Entwicklung der Quasare ............... 310
12 Die Verteilung der Materie im Universum 311
12.1 Die Umgebung der Milchstraße......................... 311
12.1.1 Die Lokale Gruppe........................... 311
12.2 Die räumliche Verteilung von Galaxien..................... 313
12.2.1 Galaxienkataloge............................ 313
12.2.2 Gruppen, Haufen, Superhaufen..................... 313
12.2.3 Großräumige Struktur der Galaxienverteilung............. 315
12.3 Galaxienstatistik ................................ 317
12.3.1 Anzahldichte und radiale Verteilung von Galaxien .......... 317
12.3.2 Leuchtkraftfunktion .......................... 319
12.3.3 Entwicklung der Galaxienpopulation ................. 320
12.4 Galaxienhaufen................................. 321
12.4.1 Charakterisierung von Haufen..................... 321
12.4.2 Masse und Stabilität.......................... 322
12.4.3 Zur Entwicklung von Galaxien in Haufen............... 325
12.5 Dunkle Materie................................. 326
12.5.1 Das intergalaktische Medium ..................... 326
12.5.2 Gravitationslinsen ........................... 327
12.5.3 Nicht-baryonische Dunkle Materie................... 329
13 Kosmologie 331
13.1 Das empirische Fundament der Kosmologie.................. 331
13.1.1 Die Expansion des Universums .................... 331
13.1.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung.................. 332
13.1.3 Olbers Paradox ............................ 335
13.1.4 Das kosmologische Prinzip....................... 335
13.2 Weltmodelle................................... 336
13.2.1 Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik........ 336
jj
Inhaltsverzeichnis
13.2.2 Zur allgemeinen Relativitätstheorie.................. 338
13.2.3 Grandgleichungen der Kosmologie .................. 341
13.2.4 Rotverschiebung und Distanzen.................... 345
13.3
Kosmologische
Parameter ........................... 346
13.3.1 Expansionsrate und kritische Dichte.................. 347
13.3.2 Materiedichte.............................. 347
13.3.3 Strahlungsdichte............................ 348
13.3.4 Raumkrümmung............................ 348
13.3.5 Die
kosmologische
Konstante..................... 348
13.3.6 Das Alter des Universums....................... 350
13.4 Der Urknall und das frühe Universum..................... 351
13.4.1 Bausteine des Kosmos......................... 351
13.4.2 Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter........... 352
13.4.3 Die Temperatur des Universums.................... 354
13.4.4 Der Hochenergiekosmos; Inflation................... 355
13.4.5 Entstehung der leichten Elemente................... 356
13.4.6 Die Entkopplung von Strahlung und Materie ............. 358
13.5 Die Entstehung von Galaxien.......................... 359
13.5.1 Fluktuationen der Hintergrundstrahlung................ 360
13.5.2 Wachstum von Dichtekontrasten.................... 361
13.5.3 Strukturbildung im Universum..................... 363
13.5.4 Kollaps und Galaxienentstehung.................... 365
13.5.5 Die ersten Sterne............................ 366
13.6 Die Zukunft des Weltalls............................ 367
14 Leben im Weltall? 369
14.1 Suche nach Leben ............................... 369
14.1.1 Entwicklung von Leben auf der Erde ................. 370
14.1.2 Suche nach Leben im Sonnensystem ................. 370
14.1.3 Beobachtungsnachweis extrasolarer Zivilisationen.......... 371
14.2 Zur Wahrscheinlichkeit extrasolaren Lebens: Die Drake-Formel ....... 372
14.3 Bemerkungen zur Raumfahrt.......................... 373
14.4 Das anthropische Prinzip............................ 375
Farbtafeln 377
Anhang 393
Physikalische Konstanten, Einheiten und Notationen ................ 393
Astronomische Daten................................. 394
Übungsaufgaben ................................... 395
Lösungen der Übungsaufgaben............................ 403
Literatur............................ 406
Abbildungs- und Quellennachweis......................... 409
Register 4JJ
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