Bau und Physik der Galaxis
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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 Inhalt Einleitender Überblick I 13 Positionen, Bewegungen und Entfernungen der Sterne — Begriffe und Methoden Örter und Bewegungen 1.1 Astronomische Koordinatensysteme 1.2 Zeitliche Änderungen der Sternkoordinaten 1.3 Raumgeschwindigkeiten und Sonnenbewegung 1.4 Das Fundamentale Astronomische Koordinatensystem 1.5 Extragalaktisch verankertes Bezugssystem, Radioastrometrie 40 40 46 55 59 63 2 Entfernungen 2.1 Primäre Methoden 2.2 Sekundäre Methoden 67 67 76 II 1 Aufbau und Kinematik des Sternsystems Scheinbare Verteilung der Sterne 1.1 Allgemeine Sternzählungen, integriertes Sternlicht 1.2 Scheinbare Verteilung der einzelnen Sterntypen 1.3 Verteilung der Flächenhelligkeit der Milchstraße im Sichtbaren und im Infrarot 82 82 86 1 88 2 Methoden der Stellarstatistik 2.1 Verteilungsfunktionen, Dichteanalyse 2.2 Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung 2.3 Methoden zur Ableitung der Leuchtkraftfunktion 91 91 97 100 3 Das Sternfeld der Sonnenumgebung 3.1 Leuchtkraftfunktion und räumliche Verteilung der Sterne 3.2 Bewegungen der Sterne der Sonnenumgebung 103 103 117 4 Großräumige Verteilung der Sterne 4.1 OB-Sterne, junge offene Sternhaufen und OB-Assoziationen 4.2 Kugelförmige Sternhaufen, RR Lyrae-Sterne und Cepheiden 4.3 Sterne im galaktischen Halo, zentraler Bulge 4.4 Modell der Galaxis und Sternzählungen 4.5 Flächenhelligkeit in der Milchstraße und galaktische Struktur 133 134 139 152 157 160 9 Inhalt 5 Großräumige Bewegung der Sterne 5.1 Scherung, Drehung und Dilatation des Geschwindigkeitsfeldes . . . . 5.2 Rotation der galaktischen Scheibe 5.3 Kinematik der sphäroidal verteilten Objekte 166 166 171 175 6 Zusammenfassende Übersicht, Sternpopulationen 6.1 Untersysteme 6.2 Sternpopulationen und Entwicklung der Galaxis 177 177 178 III Interstellare Phänomene 1 Das allgemein verbreitete Medium 1.1 Interstellare Extinktion 1.2 Interstellare Polarisation 1.3 Reflexionsnebel und Galaktisches Streulicht, thermische Staubemission 1.4 Interstellare Absorptionslinien in Sternspektren 1.5 Die 21 cm-Radiolinie des interstellaren Wasserstoffs 1.6 Linienemission interstellarer CO-Moleküle 1.7 Kontinuierliche Radioemission 1.8 Faradayrotation im interstellaren Magnetfeld und Dispersion der Strahlung diskreter Radioquellen 1.9 Interstellares Strahlungsfeld, Röntgen- und Gammastrahlung, Kosmische Teilchenstrahlung 2 Interstellare Wolken 2.1 Diffuse Emissionsnebel: Optische Erscheinung 2.2 Kontinuierliche Radioemission von HII-Regionen 2.3 Radio-Rekombinationslinien von HII-Regionen 2.4 Infrarotemission in den Bereichen von H II-Regionen 2.5 Dunkelwolken: Optische Daten 2.6 Dunkelwolken hoher Extinktion und IR-Quellen 2.7 Molekülwolken 2.8 Maser-Punktquellen 2.9 Interstellare Wolken und Sternentstehung 184 184 194 199 205 213 223 225 230 233 244 245 255 262 264 270 273 275 282 284 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 Inhalt 2 Zustand des interstellaren Gases 2.1 Ionisation 2.2 Bildung und Dissoziation interstellarer Moleküle 2.3 Wärmehaushalt und kinetische Temperatur des Gases 2.4 Zustand von Molekülwolken und HII-Regionen 2.5 Elementhäufigkeiten im interstellaren Gas 320 320 331 338 350 362 3 Die 3.1 3.2 3.3 373 373 378 interstellaren Staubteilchen Optik kleiner fester Partikel Natur der interstellaren Staubteilchen 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 1 Dynamik der Galaxis Stellardynamik 1.1 Problemstellung, Grundgleichungen 1.2 Nahe Sternbegegnungen, Relaxation 1.3 Stellardynamik unter Berücksichtigung von „Stößen" 1.4 Stoßfreie Dynamik des galaktischen Sternsystems 1.5 Die Massenverteilung in der Galaxis 436 436 441 445 448 463 2 Gravitative Theorie der Spiralstruktur 2.1 Problemstellung und Überblick 2.2 Spiralförmige Dichtewellen 474 474 476 3 Dynamik des interstellaren Gases 3.1 Problemstellung und Grundlagen 3.2 Dynamisches Gleichgewicht des Gases 3.3 Stoßfronten im interstellaren Gas 3.4 Kondensation des Gases und galaktische Evolution 487 487 494 502 510 11 Inhalt 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 Lateinische Sternbildnamen Ergänzende und weiterführende Literatur Quellen-Nachweis der Tabellen Abbildungsnachweis Sachregister 12 538 540 541 557 559 565
