Astronomie und Astrophysik (eBook)

Lutz Wisotzki promovierte 1991 an der Universität Hamburg im Fach Astrophysik. Bis 1999 war er wissenschaftlicher Assistent an der Hamburger Sternwarte und danach bis 2002 Oberassistent an der Universität Potsdam. Seit 2002 leitet er die Forschungsabteilung Galaxien & Quasare des Astrophysikalischen Instituts Potsdam und lehrt Astrophysik an der Universität Potsdam. Er war Gastwissenschaftler an der Europäischen Südsternwarte, am Royal Observatory Edinburgh und am Massachusetts Institute of Technology. Seine Forschungsinteressen gelten Galaxien und Quasaren, dem intergalaktischen Medium und dem Gravitationslinseneffekt. Alfred Weigert (1927-1992) Heinrich J. Wendker (1938-2008)

Astronomie und Astrophysik: Ein Grundkurs 5
Inhaltsverzeichnis 7
Vorwort zur Fünften Auflage 17
Aus dem Vorwort zur Ersten Auflage 19
1 Bewegung von Himmelskörpern 21
1.1 Gravitation 21
1.2 Das Zweikörperproblem 22
1.2.1 Keplersche Gesetze 22
1.2.2 Bahnbestimmung 26
1.2.3 Kreisbahnen 27
1.2.4 Entweichgeschwindigkeit 27
1.2.5 Gezeitenkräfte 28
1.3 Mehr- und Vielteilchensysteme 29
1.3.1 Reduziertes Dreikörperproblem 29
1.3.2 Störungsrechung 31
1.3.3 Energieerhaltung und Virialsatz 32
1.4 Zur allgemeinen Relativitätstheorie 34
1.4.1 Grundzüge 34
1.4.2 Starke Gravitationsfelder 36
1.5 Koordinatensysteme 37
1.5.1 Das Horizontsystem 38
1.5.2 Äquatorialsysteme 38
1.5.3 Das Ekliptikalsystem 41
1.5.4 Das Galaktische System 41
1.5.5 Präzession und Nutation 42
1.5.6 Koordinaten-Änderung durch Präzession 44
1.6 Astronomie und Zeit 45
1.6.1 Die Sternzeit 45
1.6.2 Die wahre Sonnenzeit 45
1.6.3 Die mittlere Sonnenzeit 46
1.6.4 Ortszeit – Zonenzeit – Weltzeit 48
1.6.5 Das Jahr 48
1.6.6 Präzisionszeitmessungen 50
1.7 Sternörter 51
1.7.1 Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen 51
1.7.2 Die Messung von Sternörtern 51
1.7.3 Die Aberration des Lichts 53
1.8 Die Parallaxe 54
1.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 1 56
2 Strahlung 59
2.1 Das elektromagnetische Spektrum 59
2.2 Astrophysikalische Messgrößen 60
2.2.1 Intensität und Strahlungsstrom 61
2.2.2 Die astronomische Magnitudenskala 62
2.2.3 Helligkeitssysteme 64
2.2.4 Farben 66
2.2.5 Weitere Messgrößen 67
2.3 Elementare Strahlungsprozesse 68
2.3.1 Emission und Absorption 68
2.3.2 Hohlraumstrahlung 70
2.3.3 Spektrallinien 73
2.3.4 Synchrotronstrahlung 74
2.4 Kosmische Teilchen und Gravitationswellen 75
2.4.1 Kosmische Strahlung und Teilchenströme 76
2.4.2 Neutrinos 77
2.4.3 Gravitationswellen 77
2.5 Ausbreitung von Strahlung 78
2.5.1 Absorption in Materie 78
2.5.2 Strahlungstransport 79
2.5.3 Dopplereffekt 81
2.6 Auswirkungen der Erdatmosphäre 81
2.6.1 Atmosphärische Transmission 82
2.6.2 Refraktion 83
2.6.3 Streuung 84
2.6.4 Szintillation und „Seeing“ 85
2.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 2 86
3 Astronomische Instrumente 89
3.1 Teleskope 89
3.1.1 Grundlagen 89
3.1.2 Beugung 93
3.1.3 Abbildungsfehler 94
3.1.4 Auflösungsvermögen 95
3.1.5 Astronomische Teleskope 97
3.1.6 Spezielle Teleskoptypen 99
3.2 Detektoren 100
3.3 Beobachtungstechniken 103
3.3.1 Photometrie 103
3.3.2 Spektroskopie 105
3.3.3 Adaptive Optik 108
3.3.4 Interferometrie 110
3.3.5 Elektronische Bildverarbeitung 113
3.4 Observatorien 114
3.4.1 Bodengebundene Sternwarten 114
3.4.2 Radioobservatorien 116
3.4.3 Observatorien im Weltraum 117
3.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 3 119
4 Das Sonnensystem 121
4.1 Mitglieder und Dimensionen des Systems 121
4.2 Bahnbewegungen 123
4.2.1 Bahnen der Planeten 123
4.2.2 Die Erdbahn 125
4.2.3 Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge 126
4.3 Das System Erde-Mond 128
4.3.1 Bewegung um die Erde 128
4.3.2 Bewegung um die Sonne 130
4.3.3 Rotation des Mondes 131
4.3.4 Finsternisse 131
4.4 Physik der Planeten 133
4.4.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen 134
4.4.2 Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären 138
4.4.3 Gesamtaufbau 138
4.4.4 Auswirkung von Rotation 141
4.4.5 Oberflächenformen terrestrischer Planeten 143
4.5 Monde 145
4.5.1 Stabilität im Gezeitenfeld 145
4.5.2 Eigenschaften von Monden im Sonnensystem 147
4.6 Kleine Körper im Sonnensystem 148
4.6.1 Zwergplaneten und Plutoiden 148
4.6.2 Asteroiden 149
4.6.3 Trans-Neptun-Objekte 150
4.6.4 Kometen 150
4.7 Zur Entstehung des Sonnensystems 153
4.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 4 155
5 Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen 157
5.1 Strahlungsleistung 157
5.1.1 Leuchtkraft 157
5.1.2 Absolute Helligkeit 158
5.1.3 Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur 159
5.2 Radius, Masse und hieraus abgeleitete Größen 160
5.2.1 Sternradius 160
5.2.2 Sternmasse 162
5.2.3 Mittlere Dichte und Schwerebeschleunigung 164
5.3 Sternspektren und Spektralklassifikation 165
5.3.1 Definition der Spektralklassen 166
5.3.2 Leuchtkraftklassen 171
5.3.3 Praxis der Spektralklassifikation 172
5.4 Rotation der Sterne 174
5.5 Beziehungen zwischen verschiedenen Messgrößen 177
5.5.1 Hertzsprung-Russell-Diagramm 177
5.5.2 Farben-Helligkeits-Diagramm 180
5.5.3 Masse-Leuchtkraft- und Masse-Radius-Beziehung für Hauptreihensterne 182
5.6 Veränderliche Sterne 184
5.7 Doppelsterne und Mehrfachsysteme 186
5.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 5 188
6 Die Außenschichten von Sonne und Sternen 191
6.1 Die Außenschichten der Sonne 191
6.1.1 Die Photosphäre 191
6.1.2 Die Chromosphäre 193
6.1.3 Die Übergangsregion zur Korona 194
6.1.4 Die solare Korona 195
6.1.5 Der Sonnenwind 197
6.2 Die Aktivität der Sonne 199
6.2.1 Sonnenflecken 199
6.2.2 Eruptionen 201
6.2.3 Radio- und Röntgenstrahlung der Sonne 202
6.2.4 Das Magnetfeld der Sonne 203
6.3 Sternaktivität 205
6.3.1 Phänomene 205
6.3.2 Stellare Dipolfelder 207
6.4 Physik der Sternatmosphären 207
6.4.1 Schichtung einer Sternatmosphäre 207
6.4.2 Modellatmosphären 210
6.5 Analyse von Sternspektren 212
6.5.1 Absorptionsquerschnitt und Linienverbreiterung 212
6.5.2 Anregung und Ionisation 214
6.5.3 Absorptionskoeffizient und Sternspektren 216
6.5.4 Stärke von Absorptionslinien 217
6.5.5 Die chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären 220
6.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 6 223
7 Innerer Aufbau der Sterne 225
7.1 Grundgleichungen des Sternaufbaus 225
7.1.1 Massenverteilung 226
7.1.2 Mechanisches Gleichgewicht und Virialsatz 227
7.1.3 Energiesatz 228
7.1.4 Energietransport 230
7.1.5 Gesamtproblem 231
7.2 Materialfunktionen 232
7.2.1 Die Zustandsgleichung 232
7.2.2 Der Absorptionskoeffizient 234
7.3 Nukleare Energieerzeugung 235
7.3.1 Wasserstoffbrennen 237
7.3.2 Heliumbrennen 238
7.3.3 Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumbrennen 239
7.4 Einfache Sternmodelle 241
7.4.1 Sternmodell für eine Sonnenmasse 241
7.4.2 Hauptreihensterne 243
7.4.3 Braune Zwerge 246
7.4.4 Sterne mit Konvektion und die Hayashi-Linie 246
7.4.5 Weiße Zwerge 248
7.5 Beobachtungen des Inneren von Sternen 250
7.5.1 Helio- und Asteroseismologie 250
7.5.2 Solare und stellare Neutrinos 251
7.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 7 253
8 Sternentstehung und Sternentwicklung 255
8.1 Sternentstehung 255
8.1.1 Voraussetzungen für gravitativen Kollaps 255
8.1.2 Ablauf des Kollaps 257
8.1.3 Protosterne und Akkretionsscheiben 258
8.1.4 Entwicklung bis zur Hauptreihe 260
8.2 Hauptreihensterne 262
8.2.1 Energiereservoire und Zeitskalen 262
8.2.2 Sternentwicklung auf der Hauptreihe 264
8.3 Von der Hauptreihe zum Riesenast 265
8.3.1 Heliumbrennen 265
8.3.2 Rote Riesen 268
8.3.3 Vergleich mit Beobachtungen 270
8.3.4 Pulsationsveränderliche 273
8.4 Spätstadien der Sternentwicklung 276
8.5 Endprodukte der Sternentwicklung 278
8.5.1 Weiße Zwerge 278
8.5.2 Supernovae 279
8.5.3 Neutronensterne und Pulsare 282
8.5.4 Schwarze Löcher 285
8.6 Enge Doppelsternsysteme 286
8.6.1 Äquipotentialflächen 286
8.6.2 Massentransfer und Akkretionsscheiben 287
8.6.3 Akkretionsscheiben um Weiße Zwerge 289
8.6.4 Röntgendoppelsterne 290
8.6.5 Zur Entwicklung enger Doppelsternsysteme 292
8.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 8 293
9 Extrasolare Planetensysteme 295
9.1 Die Suche nach extrasolaren Planeten 295
9.2 Nachweis von Exoplaneten: Radialgeschwindigkeiten 296
9.2.1 Beschreibung der Methode 297
9.2.2 Planeten auf exzentrischen Bahnen 299
9.2.3 Systeme mit mehreren Planeten 301
9.3 Weitere Methoden zum Nachweis von Exoplaneten 302
9.3.1 Sternbedeckungen 302
9.3.2 Astrometrische Suche 303
9.3.3 Direkte Abbildung von Planeten 304
9.3.4 Mikro-Gravitationslinseneffekt 305
9.3.5 Planeten um Pulsare 306
9.4 Eigenschaften von Exoplaneten 306
9.4.1 Verteilung der Bahnparameter 307
9.4.2 Massen, Radien und Dichten 308
9.4.3 Temperaturen, Atmosphären, Oberflächen 309
9.4.4 Eigenschaften der Zentralsterne 310
9.4.5 Protoplanetare Scheiben 311
9.5 Entstehung von Planetensystemen 312
9.5.1 Bildung protoplanetarer Scheiben 312
9.5.2 Planetesimale 313
9.5.3 Entstehung der Planeten 315
9.5.4 Entwicklung von Planetensystemen 316
9.6 Leben im Weltall? 317
9.6.1 Entwicklung von Leben auf der Erde 317
9.6.2 Habitable Zonen in Planetensystemen 318
9.6.3 Suche nach extraterrestrischem Leben 320
9.6.4 Zur Wahrscheinlichkeit extrasolaren Lebens: Die Drake-Formel 322
9.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 9 323
10 Interstellare Materie 325
10.1 Physikalische Besonderheiten des ISM 325
10.1.1 Thermodynamisches Ungleichgewicht 325
10.1.2 Druckgleichgewicht 327
10.1.3 Phasen des interstellaren Mediums 329
10.2 Das kühle interstellare Gas 330
10.2.1 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs 330
10.2.2 Metalle im neutralen ISM 332
10.2.3 Molekülwolken 333
10.3 Das warme ISM 336
10.3.1 H ii-Regionen 336
10.3.2 Planetarische Nebel 340
10.3.3 Diffuses warmes Gas 341
10.4 Das heiße interstellare Medium 342
10.4.1 Nachweis des heißen Gases 342
10.4.2 Supernovae und interstellare Stoßfronten 342
10.5 Interstellarer Staub 345
10.5.1 Interstellare Extinktion 345
10.5.2 Thermische Strahlung des Staubs 348
10.5.3 Herkunft und Zusammensetzung des Staubes 349
10.6 Interstellare Kühlprozesse 350
10.7 Der Materiekreislauf 351
10.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 10 352
11 Das Milchstraßensystem 355
11.1 Struktur der Milchstraße 355
11.1.1 Koordinaten und Geschwindigkeiten 357
11.2 Entfernungsbestimmung 358
11.2.1 Trigonometrische Parallaxen 358
11.2.2 Dynamische Parallaxen 359
11.2.3 Entfernung von Sternhaufen 360
11.2.4 Standardkerzen 361
11.3 Stellarstatistik 362
11.3.1 Sterne der Sonnenumgebung 363
11.3.2 Leuchtkraftfunktion 364
11.3.3 Massenfunktion der Sterne 365
11.3.4 Anzahl-Helligkeits-Relation 367
11.3.5 Sternzählungen und Extinktion 369
11.4 Rotation der Milchstraße 370
11.4.1 Differentielle Rotation 370
11.4.2 Die Rotationskurve der Milchstraße 374
11.4.3 Massenverteilung der Milchstraße 376
11.4.4 Stöße zwischen Sternen 378
11.5 Komponenten des Milchstraßensystems 381
11.5.1 Die galaktische Scheibe und die Spiralarme 381
11.5.2 Der galaktische Halo 384
11.5.3 Das Zentralellipsoid (Bulge) 384
11.5.4 Das galaktische Zentrum 385
11.6 Sternhaufen 389
11.6.1 Offene Sternhaufen 389
11.6.2 Kugelsternhaufen 391
11.7 Sternpopulationen 392
11.8 Zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße 394
11.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 11 396
12 Galaxien 399
12.1 Extragalaktische Entfernungsbestimmung 399
12.1.1 Standardkerzen 400
12.1.2 Die extragalaktische Entfernungsleiter 402
12.1.3 Die Hubble-Beziehung 403
12.2 Klassifikation von Galaxien 405
12.3 Hubble-Schema 406
12.3.1 Erweiterte Galaxienklassifikation 408
12.4 Globale Eigenschaften 409
12.4.1 Lineardimensionen und Leuchtkräfte 409
12.4.2 Farben und Spektren 411
12.4.3 Massen 413
12.5 Dynamischer Aufbau von Galaxien 414
12.5.1 Strukturen 414
12.5.2 Rotationskurven von Spiralgalaxien 416
12.5.3 Spiralarme 418
12.5.4 Balkenspiralen 419
12.5.5 Elliptische Galaxien 420
12.5.6 Skalierungsrelationen für Galaxien 422
12.5.7 Schwarze Löcher in Galaxienzentren 423
12.6 Zeitliche Entwicklung von Galaxien 424
12.6.1 Verlauf der Sternentstehung 424
12.6.2 Materiekreislauf und chemische Entwicklung 426
12.6.3 Leuchtkraftentwicklung 427
12.6.4 Wechselwirkung zwischen Galaxien 427
12.6.5 Galaxienverschmelzung 429
12.6.6 Galaxien im jungen Universum 431
12.7 Aktive Galaxienkerne und Quasare 432
12.7.1 Seyfert-Galaxien 433
12.7.2 Radiogalaxien 433
12.7.3 Quasare 435
12.7.4 Der extragalaktische Röntgenhintergrund 437
12.7.5 Struktur von aktiven Galaxienkernen 438
12.7.6 Energieerzeugung durch Akkretion 440
12.7.7 Eddington-Leuchtkraft und Massenwachstum 441
12.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 12 443
13 Die Verteilung der Materie im Universum 445
13.1 Die Lokale Gruppe 445
13.2 Die räumliche Verteilung von Galaxien 448
13.2.1 Galaxienkataloge 448
13.2.2 Gruppen, Haufen und Superhaufen 448
13.2.3 Großräumige Struktur der Galaxienverteilung 450
13.3 Galaxienstatistik 453
13.3.1 Anzahldichte und radiale Verteilung von Galaxien 453
13.3.2 Leuchtkraftfunktion 454
13.3.3 Entwicklung der Galaxienpopulation 456
13.4 Galaxienhaufen 457
13.4.1 Charakterisierung von Haufen 457
13.4.2 Dynamik von Galaxienhaufen 460
13.4.3 Massenbestimmung 461
13.4.4 Zur Entwicklung von Galaxien in Haufen 463
13.5 Dunkle Materie 464
13.5.1 Das intergalaktische Medium 465
13.5.2 Gravitationslinsen 466
13.5.3 Nicht-baryonische Dunkle Materie 470
13.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 13 472
14 Kosmologie 473
14.1 Das empirische Fundament der Kosmologie 473
14.1.1 Die Expansion des Universums 473
14.1.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung 475
14.1.3 Olbers’ Paradox 477
14.1.4 Das kosmologische Prinzip 478
14.2 Weltmodelle 478
14.2.1 Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik 479
14.2.2 Raumkrümmung 480
14.2.3 Grundgleichungen der Kosmologie 482
14.2.4 Rotverschiebung und Distanzen 486
14.3 Kosmologische Parameter 488
14.3.1 Expansionsrate und kritische Dichte 488
14.3.2 Materiedichte 489
14.3.3 Strahlungsdichte 490
14.3.4 Raumkrümmung 490
14.3.5 Das Alter des Universums 491
14.3.6 Dunkle Energie 491
14.4 Der Urknall und das frühe Universum 494
14.4.1 Bausteine des Kosmos 494
14.4.2 Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter 495
14.4.3 Die Temperatur des Universums 497
14.4.4 Der Hochenergiekosmos Inflation
14.4.5 Entstehung der leichten Elemente 502
14.4.6 Die Entkopplung von Strahlung und Materie 503
14.5 Die Entstehung von Galaxien 504
14.5.1 Fluktuationen der Hintergrundstrahlung 505
14.5.2 Wachstum von Dichtekontrasten 506
14.5.3 Strukturbildung im Universum 508
14.5.4 Kollaps und Galaxienentstehung 510
14.5.5 Die ersten Sterne 511
14.6 Die Zukunft des Weltalls 513
14.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 14 515
Farbtafeln 517
Anhang A 533
A.1 Physikalische Konstanten und Einheiten 533
A.2 Astronomische Daten 534
A.2.1 Körper des Sonnensystems 534
A.2.2 Entfernungen und kosmologische Parameter 535
A.2.3 Charakteristische Größen von Sternen 536
A.3 Lösungen der Übungsaufgaben 538
Anhang B: Weiterführende Literatur 545
Anhang C: Astronomische Seiten im Internet 549
Anhang D: Abbildungs- und Quellennachweis 551
Register 553

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