KOSMISCHE PERSPEKTIVEN

Studium Fundamentale 2012
KOSMISCHE PERSPEKTIVEN
Aus der Astronomie – eines der ältesten Wissenschaften der Menschheit – hat
sich ein multidisziplinär organisiertes Fachgebiet entwickelt, welches weltweit in
den Universitäten gelehrt wird und in das beträchtliche Steuermittel fließen, mit
denen wiederum nationale und internationale Großforschungseinrichtungen und
Forschungssonden finanziert werden.
• Es gibt mittlerweile 5 Teleskope der 10-Meter Klasse
• Ein Teleskop mit 9.2 Meter Öffnung
• 7 Teleskope der 8-Meter Klasse
• z.Z. sind 3 Teleskope >10 Meter Öffnung in Planung:
- Giant Magellan-Telescope: eff. Öffnung 21.4 Meter (700 Millionen $, 2019)
- Thirty Meter Telescope: eff. Öffnung 30 Meter (2018)
- European Extremely Large Telescope: eff. Öffnung 39.3 Meter (1.1 Milliarden €, 2018)
Dazu kommen eine große Zahl von Weltraumteleskopen wie z.B.
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Hubble-Weltraumteleskop
Herschel-Weltraumteleskop
Spitzer-Weltraumteleskop
Chandra-Weltraumteleskop
+ einige 100 Forschungssonden
Zukunftsmusik: Das ESO Extremely Large Telescope ...
Öffnung 39.3 Meter
Herschel-Weltraumteleskop: 3.5 Meter Spiegeldurchmesser, Preis 1.1 Milliarden Euro
CASSINI: Seit 2004 am Saturn Preis: 3.288 Milliarden Dollar
und hier in einer noch etwas anderen Perspektive …
Eigenschaften des Kosmos ...
Wie sieht ein „gewöhnlicher“ Ort im Kosmos aus?
groß – leer – kalt – dunkel
groß: Der von uns heute überschaubare Teil des Universums besitzt einen
Durchmesser von ~ 47 Milliarden Lichtjahre
Weltalter ~ 13.4 Milliarden Jahre
LOKALE HUBBLE BLASE
leer: Sterne / Galaxien sind nur einzelne Leuchttürme im Meer der Leere
und trotzdem gibt es mehr Sterne als die Zahl aller Sandkörner an allen Stränden
und in allen Wüsten der Erde zusammen
Gesamtzahl der Sterne: ~ 70 Tausend Millionen Millionen Millionen = 70 Trilliarden
=70 000 000 000 000 000 000 000 Sterne
(7𝑥1022 )
Zum Vergleich: Das „Weltalter“ beträgt ~1.43𝑥1017 Sekunden!
kalt: Die thermodynamische Strahlungstemperatur beträgt gegenwärtig 2.7 K
Eine Reise von unserem Sonnensystem bis zum Horizont unserer Welt
Stationen
Sonnensystem
Sonnenumgebung
Unsere Milchstraße
Die Lokale Gruppe
Der Virgo-Galaxienhaufen
Super-Galaxienhaufen
Lokale Hubble-Blase
Entfernungen im Sonnensystem: Modell - 10 Milliarden mal kleiner …
Sonne -> Grapefruit
Erde -> Kugelschreibermine
Jupiter -> Murmel
Sonne – Erde 16 m, Erde – Mond 4 cm, Sonne – Pluto 600 m,
1 Lichtjahr: 945 km (grob 1000 km)
Sonnensystem 2200 km
Bestandsaufnahme
Sonne
Durchmesser 109 x Erddurchmesser (1.39 Millionen km = 4.6 Lichtsekunden)
Masse 1.9 x 1030 kg (332 942 Erdmassen)
Dichte 1408 kg/m³
 enthält 99.9% der Gesamtmasse des gesamten Sonnensystems
Leuchtkraft 3.8 x 1026 W
Alter 4.57 Milliarden Jahre
endet in ca. 7.7 Milliarden Jahren als erdgroßer Weißer Zwerg mit 0.55 Sonnenmassen
 Dichte erreicht einen Wert von ~ 1 Tonne pro Kubikzentimeter
Planeten, Monde, Kuiperoide
Anzahl
Objektgruppe
8
Planeten
5
Zwergplaneten
~1500
Geschätzte Zahl
?
Kuiperoide / TNO‘s
70000 > 100 km
~477500 Hauptgruppen-Planetoiden
170
mehrere 10^6 > 1km
Monde (J 65, S 62, U 27, N 13)
1011 − 1012
Kometen
Staub (Zodiakallicht)
Abstände von der Sonne
Entfernung zur Sonne ( 1 Lichtminute = 18 Millionen km)
Erde
8.3 Lichtminuten
(~16 m)
Jupiter
43 Lichtminuten
(~77 m)
Pluto
5.4 Stunden
Sedna
Aktuell 12 Lichtstunden
(~600 m)
(wegen Ellipsenbahn maximal 5.18 Lichttage)
Unser Sonnensystem
Äußere Grenze
der Oortschen
Wolke:
100 000 AU
= 1.4 Lichtjahre
Nächster Stern
Proxima Centauri
4.2 Lichtjahre
Unser Modell
bis Jupiter 77 m
bis Pluto 600 m
bis Aphel Sedna 15 km
bis Außengrenze
Oortsche Wolke 1400 km
Sonnensystemgrenze 2200 km
nächster Stern 4200 km
Die Sonne befindet sich mit
einer Anzahl anderer Sterne
in einem weitgehend staubfreien
Raumgebiet – der „Lokalen Blase“
Entfernung zur Beteigeuze: 600 Lj
Antares:
590 Lj
ß CMa:
500 Lj
Sonne:
Entfernung vom Zentrum ~ 26000 Lichtjahre
Umlaufszeit ~ 230 Millionen Jahre (220 km/s)
Pistolenstern
„Blauer Hyperriese“
25000 Lj entfernt
1.7 Millionen mal
so hell wie die
Sonne (4 Lj Entfernung –Vollmond)
340 𝐷⊙
150 𝑀⊙
in 6 Sekunden
strahlt er soviel
Energie ab wie
die Sonne in
einem Jahr
Wäre mit freien
Auge noch in
mehr als 100000 Lj
Entfernung zu
sehen
Quintuplet Cluster
Jetzt wollen wir uns etwas in der Milchstraße umschauen …
Zweiarmige Balkenspirale
~ 300 Milliarden Sterne (0.3 % sonnenähnlich)
~ 1 Milliarde Sonnenmassen an Staub / Gas
Durchmesser ~ 100000 Lichtjahre
Bulge-Dicke ~ 16000 Lichtjahre
Scheibendicke ~ 3000 Lichtjahre
Wenn ein Stern genau 1€ kosten würde,
dann könnten mit dem Geldbetrag der
deutschen Staatsverschuldung
5.3 Milchstraßen erworben werden
(meine Schulden reichen gerade mal
für einen mittelprächtigen offenen
Sternhaufen)
Zentral-Black hole ~ 4 Millionen M(S), 850 R(E)
Wenn alle Sterne so groß wären wie die Sonne und man würde sie lückenlos
hintereinander anordnen, dann ergäbe sich eine Strecke von 44000 Lichtjahren Länge
Besondere Objekte in der Milchstraße
Offene Sternhaufen
Enthält 20 bis einige 1000 Sterne, die irgendwann einmal gemeinsam entstanden sind
Plejaden: ~1200 Sterne
~380 Lj entfernt
~125 My alt
NGC 3603
22000 Lj 2 Ma
Offene Sternhaufen enthalten Sterne, die alle ungefähr gleichzeitig entstanden
sind. Sie zerstreuen sich im Laufe der Zeit …
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~ 1000 katalogisierte offene Sternhaufen in unserer Milchstraße (~ 10 x mehr existieren)
sind in der galaktischen Ebene konzentriert
alte Sternhaufen befinden sich immer weit weg vom galaktischen Zentrum
temporäre Gebilde (hängt u.a. von der Masse der Sterne ab)
Sehr wichtig für die Astrophysik !
Hodge 301 Tarantelnebel
Gasnebel und Dunkelwolken
Eigenschaften der interstellaren Materie
• Sehr geringe Dichte – im Mittel etwa ein Atom pro cm³
• Milchstraße: 99% der Materie in Sternen gebunden, 1% interstellare Materie
• Das interstellare Gas hat sehr unterschiedliche Temperaturen, von ca. 10 K bis
zu einigen 10 Millionen K
• Bei den kühlsten Temperaturen (in den Kernen von Dunkelwolken) bilden sich
z.T. komplexe Moleküle wie 𝐻2 , 𝐻2 𝑂, 𝐶𝑂, 𝐶𝐻, 𝑂𝐻 und natürlich 𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻
• Die Molekülbildung erfolgt nicht direkt aus der Gasphase heraus, sondern
(katalytisch) auf der Oberfläche von Staubpartikel
Moleküle treten immer in besonders dichten (100 bis 106 Teilchen pro cm³) und
kühlen (10 – 50 K) Gaswolken auf → Molekülwolken
Kühle Molekülwolken neigen zu Instabilitäten  Gravitationskollaps
Sagittarius B2 – eine der größten Molekülwolken unserer Milchstraße
Enthält ~1027 Flaschen Himbeergeist ....
2009 – Entdeckung von Ameisensäureethylester,
welches dem Alkohol Himbeergeschmack verleiht
1350 Lj
In kalten Molekülwolken entstehen massearme Sterne
Planetarische Nebel und Supernova-Überreste
Ringnebel M57 im Sternbild Leier
2300 Lj 20000 a D 1.3 Lj
Planetarische Nebel entstehen, wenn Sterne in ihren späten Entwicklungsstadien
ihre Außenhülle abstoßen. Sie sind deshalb nur kurze Zeit zu beobachten.
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•
In der Milchstraße sind ~ 1500 Planetarische Nebel bekannt
Sie reichern die interstellare Materie mit „Metallen“ an (C, O, N, Ca)
Stellen expansive Hüllen von Sternen dar (nicht explosiv)
sind sehr kurzlebige Gebilde (~10000 Jahre)
Supernovaüberreste
6300 Lj
Warum sind Supernova-Überreste so interessant für die Forschung?
• SNR‘s wiederspiegeln in ihrer Struktur den inneren Aufbau ihres Vorläufersterns
• SNR‘s verteilen schwere Elemente und radioaktive Isotope im interstellaren Raum
• SNR‘s sind „Laboratorien“ zum Studium der Entstehung kosmischer Strahlung, der
Ausbreitung supersonischer hydrodynamischer Stoßwellen und der Staubbildung
• Sie kennzeichnen die Geburtsstätten von Neutronensternen und Schwarzen Löchern
Supernova-Überreste machen eine Entwicklung durch, an deren Ende ihre
volständige Assimilierung in der interstellaren Materie steht. Sie sind deshalb
ein wichtiges Glied im kosmischen Materiekreislauf.
Ihre Entwicklung hängt u.a. von folgenden Parametern ab:
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Typ der Supernova (I oder II), Aufbau des Progenitors
Zeitlicher Abstand von der Supernova-Explosion (Alter)
Umgebung (Dichte der interstellaren Materie)
von der gesamten freigesetzten Energie
Zweithellste Supernova (IIb) aller Zeiten (-22 mag absolut,
scheinbare Helligkeit Sonne -26 mag)
Wenn die Entfernungsangabe in
diesem Artikel stimmen würde,
wären wir alle tot ...
Lichtkurve -> 20 Sonnenmassen Ni erforderlich
progenitor -> über 100 Sonnenmassen
Kosmischer Materiekreislauf
Sterne entstehen aus interstellarer Materie
Sterne geben Materie an die
interstellare Materie ab
Die Metallizität der interstellaren Materie nimmt im
Mittel mit jeder Sterngeneration zu
Kugelsternhaufen
Kugelsternhaufen bilden ein sphärisches Halo um das Milchstraßensystem
- bestehen aus einigen Hunderttausend Sternen
- enthalten weder Gas noch Staub in merklichen Mengen
- alle Sterne sind sehr alt (typisch 12.7 Milliarden Jahre)
- metallarme Population II-Sterne, RR-Lyrae Veränderliche
- Sterne besitzen keine Planetensysteme
- manche haben im Kernbereich ein Schwarzes Loch (z.B. M 15, 20000 Sonnenmassen)
- über ihre Entstehung gibt es nur Mutmaßungen
Im Zentrum konzentrieren sich Röntgenquellen (47 Tuc)
12 Milchstraßenbegleiter
Entfernung 450000 Lichtjahre
Lokale Gruppe von Galaxien
Durchmesser 5 – 7 Millionen Lichtjahre
40 bekannte Mitglieder
Ausläufer des Virgo-Galaxienhaufens
Andromedanebel M31
Entfernung 2.5 Millionen Lichtjahre
(das am weitesten entfernte Objekt, welches man
mit freiem Auge wahrnehmen kann)
Scheibendurchmesser 150000 Lichtjahre
(Milchstraße 100000 Lichtjahre)
• 1 Billion Sterne (Milchstraße 300 Milliarden)
• ~ 500 Kugelsternhaufen katalogisiert
• Kern besteht aus zwei supermassiven Schwarzen Löchern (30 Millionen Sonnenmassen)
• Der Andromedanebel könnte in 4 bis 10 Milliarden Jahren mit der Milchstraße kollidieren
Das Hubble-Teleskop
kann die Kugelsternhaufen in M31 auflösen
M33 - Dreiecksnebel
Lokale Gruppe
Die lokale Gruppe (Durchmesser ~ 7 Millionen Lichtjahre) ist nur ein Ausläufer
des riesigen Virgo-Superhaufens (Durchmesser ~ 200 Millionen Lichtjahre)
Virgo-Haufen
~2000 Mitgl.
65 Mill. Lj
Jagdhundenebel M51
Und das ist eine Aufnahme von mir – mit dem 40 cm Spiegelteleskop der Zittauer VSTW
M81
Sombrero-Nebel: entält ein supermassives Schwarzes Loch von 109 𝑀⊙
In Galaxienhaufen kommt es oft zu gravitativen Wechselwirkungen unter den
Haufenmitgliedern
Galaxienhaufen
Gruppen: Ansammlung von bis zu 50 Galaxien in einem Raumbereich von 10 Millionen Lj
Haufen:
Ansammlung bis zu einigen 1000 Galaxien, einige 100 Millionen Lj Durchmesser
typisch 10^14 bis 10^15 Sonnenmassen
Superhaufen: Haufen von bis zu einigen Dutzend Galaxienhaufen
 130 Superhaufen katalogisiert
Galaxienhaufen und Superhaufen bilden im Kosmos eine schwammartige Struktur, wobei
sie die Wände um große Hohlräume, den Voids, bilden.
Mit der heutige Beobachtungstechnik kann man theoretisch ca. 50 Milliarden Galaxien
beobachten – im überschaubaren Kosmos könnten bis zu 10..100 mal mehr davon
existieren
-> Gesamtzahl der Sterne: ~ 70 Tausend Millionen Millionen Millionen = 70 Trilliarden
=70 000 000 000 000 000 000 000 Sterne
(7x1022 )
Hubble Deep Field North
Supercomputersimulation der
Galaxienverteilung im Universum
Die Strukturentwicklung hängt
empfindlich von der Präsenz von
„Dunkler Materie“ ab.
Karte Mikrowellenhintergrund – Nachglühen des Urknalls vor 13.7 Milliarden Jahren
Und zum Abschluß noch einen kleinen Film...
von Charles und Ray Eames (1977)
Vertiefendes Material sowie die PP-Präsentation (inkl. Film) finden Sie auf meinen
NATURWUNDER-Blog
http://wincontact32naturwunder.blogspot.de/
ACHTUNG: 24. April 2012: LANGE NACHT DER STERNE in der Zittauer VSTW
15.00 bis 17.00 Uhr Sonnenbeobachtung mit Spezialteleskop (macht Protuberanzen sichtbar)
Ab 19.30 Beobachtung von Sternen und Planeten (Jupiter, Venus, Mars, Saturn)
Wer weiterhin Interesse an Astronomie hat, in der Zittauer Volkssternwarte findet jeden
Mittwoch, 19 Uhr, eine Vortragsveranstaltung statt - Platz im Vortragsraum ist noch
genügend vorhanden ;-)
Öffentliche Beobachtung am Spiegelteleskop der Zittauer Volkssternwarte
jeden Donnerstag bei geeignetem Wetter (Sommerpause beachten).