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Geschichte der Astronomie
• Altertum:
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Kalender (Finsternisse)
Form der Erde
Distanz zum Mond und zur Sonne
Erddurchmesser
Planetenbewegung
Weltbild
• Mittelalter
– Weltbild
– Kepler-Gesetze
– Newton
– zur modernen Astrophysik
hervorragendes Buch: The Cambridge concise history of astronomy
Michael Hoskin (ed.)
Ekliptik und Wandersterne
Kalender
• Problem: 1 Jahr = 365.2422 Tage
• Aegypten: 1 Jahr = 365 Tage
Siriusaufgang verspätet sich mit den Jahren
nach 1460 = 365x4 Jahren ist Siriusaufgang rechtzeitig
 Julianischer Kalender: Schalttag alle 4 Jahre
• 1 Jahr = 365.25 Tage
 Gregorianischer Kalender: (Korrektur 10 Tage)

kein Schalttag falls:
J/100 ganzzahlig und J/400 nicht ganzzahlig
• Astronomisches Datum (JD: Julian Date)
• JD = 0 = 1.1.4713 v. Chr.
• JD(21.Sept.2011, 1100) = 2`456`189.95833
Sonnen- und Mondfinsternisse konnten vorausgesagt werden
Trennungsmythen
Nut und Geb: Himmel und Erde werden getrennt
Griechische Astronomie
(Mythen Philosophie empirische Wissenschaft)
500 v. Chr. Pythagoräer
Erde ist eine Kugel die sich täglich einmal dreht
400 v. Chr. Philolaus von Kroton
Deutung der Planetenbewegung: Zentralfeuer um das sich Sonne, Erde
und Planeten in konzentrischen Kreisen bewegen
350 v. Chr. Aristoteles
Erde ist rund, weil der Erdschatten bei Mond-Finsternissen kreisförmig ist
(Erde 3x grösser als Mond) #
265 v. Chr. Aristarch von Samos
Heliozentrisches Weltbild; Versuch Entfernung der Sonne und des
Mondes bei Halbmond zu messen &
220 v. Chr. Eratosthenes
Messung des Erdumfangs (39690 km) &
150 v. Chr. Hipparch
Scheinbare Geschwindigkeit der Sonne variabel, Entdeckung der
Präzession
150 n. Chr. Ptolemäus
(geozentr.) Epizyklentheorie für Planetenbahnen, fasst gesamtes
astronomisches Wissen zusammen
Beobachtung der Mondfinsterniss:
Erdschatten ist rund  Erde ist rund (Aristoteles)
Durchmesser Mond 1/2 Grad
Mond bewegt sich ca. 1/2 Grad/Std.
Totalitätsdauer einer zentralen Mondfinsterniss: ≈ 2 Stunden
Durchmesser Erdschatten ≈ 3 Monddurchmesser
Griechische Astronomie
• Erathostenes: Erdumfang
 Distanz: Erde-Mond
• Aristarch: Distanz Erde-Sonne
 Grösse des “Universums”
• Weltbild: Geozentrisches Weltbild war bei den Griechen
weit verbreitet
Erde in der Mitte
Mond, Sonne und 5 Planeten kreisen um die Erde
Sterne befinden sich an der äussersten Sphäre
(Ausnahme: Aristarch von Samos)
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Probleme mit dem antiken Weltbild:
Falsche Annahmen:
• geozentrisch
• Kreisbahnen
• gleichmässige Bewegung
A. Bewegung der Erde um Sonne
Näherung:
Erde nicht im Zentrum
des Kreises
Bewegung der Planeten:
innere Planeten immer nahe der Sonne
Bewegung der Planeten:
äussere Planeten zeigen
vorläufige und rückläufige
Bewegung
 Epizyklen
Epizyklen:
erste Approximation
zweite Approximation
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Weltbild von Ptolemäus (145 n. Chr)
Epizyklen bewegen sich entlang eines grossen
Kreises (Deferent)
Astronomie im Mittelalter
1054
Supernova (Krebs-Nebel)
Keine abendländische Dokumente (Sternhimmel ist eine perfekte und daher
unveränderliche Schöpfung)
vor 1500 System von Ptolemäus wird von Arabern gelehrt
Al Battani 858-928, Al Sufi 903-986, Alfons X von Kastilien 1226-1284 Alfonsische
Tafeln
1492 Kolumbus  Entdeckung von Amerika
1473-1542 Kopernikus
Kopernikanisches Weltbild (Aristarch), heliozentrisches Weltbild mit Kreisbahnen
und Epizyklen für Planeten
1546-1601 Tycho Brahe
Sternkatalog, Marsbahn (2‘), Supernova 1572, Kometenbahn durch PlanetenSpähren, Tychonisches Weltbild (Aegypter)
1600 Giordano Bruno wird in Rom verbrannt
„das All ist unendlich, mit unendliche vielen Welten mit eigenen Sonnen“
1608 Hans Lippershey
erfindet das Teleskop
1564 – 1642 Galileo Galilei
Verfechter der kopernikanischen Lehre (Inquisition), baut Fernrohr 1609,
Entdeckt Jupitermonde, Sonnenflecken, Venusphasen, Mondgebirge (Physik:
Gesetze des freien Falls und Pendelschwingungen)
1571 – 1630 Johannes Kepler
Findet die 3 Keplerschen Gesetze (Mars-Daten von Tycho), heliozentrisches
Weltbild mit Ellipsenbahnen
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Das
heliozentrische
Weltbild
Kopernikus:
De Revolutionibus
(Autograph 1543, Hinterseite
Blatt 9)
Tycho Brahe
1546-1601
Kepler:
Analyse der Marsdaten von
Tycho war der Schlüssel
zum Durchbruch
• elliptische Bahnen
• ungleichmässige
Bewegunggeschwindigkeit
Keplersche Gesetze
1. Planeten auf Ellipsenbahnen, Sonne in einem
Brennpunkt
2. Verbindungslinie Planet-Sonne überstreicht in
gleichen Zeiten gleiche Flächenstücke
3. P2/a3 = const.
a
Galileo Galilei
Entdeckt mit seinem
selbstgebauten Teleskop die
Jupitermonde
Bewegung der Monde entspricht
den Keplerschen Gesetzen
Distanzen im “Universum”
• Distanzen im Sonnensystem
(bisher: Erde-Sonne ~ 30 x Erde-Mond; Aristarch von
Samos um 250 v. Chr)
– Trigonometrische Bestimmung der Distanz zum Mars
• Marsopposition 1672
• Gleichzeitige Messung der Marsposition von Frankreich und
Franz. Guayana (Südamerika)
α
d
x
Mars
sin α ~ α = x/d = 6000 km / d
(α = 21”, d = 6x107 km = 0.4 AE)
• alle anderen Distanzen folgen aus Keplergesetz
a3Mars/P2Mars = a3Erde/P2Erde = const.
und d = aMars(tx) - aErde(tx)
3 Gleichungen und 3 Unbekannte: aMars, aErde, const (GMsun/4π2)
 für alle anderen Planeten folgt a aus: a3/P2 = const
Distanzen zu den Sternen
• Basis für die Triangulation ist die Erdbahn um die Sonne
Basislänge 1 AE = 1.5x108 km
AE = Astronomische Einheit
π
d
AE
Parallaxe (Winkel)
für π = 1‘‘ = 2π / (360x60x60) = 1/206265
ist d = AE/π = 3.094 x 1013 km
d
Die Distanz d(1“) = 3.094 x 1013 km ist
eine Einheitsdistanz in der Astronomie und
wird als parsec bezeichnet
•
Seit Tycho Brahe (um 1600) wurde versucht die Parallaxe zu den Sternen
zu messen
•
Bradley konnte um 1750 zeigen, dass die Sternparallaxen kleiner als 1’’
sind
(die Auflösung der Teleskope wird durch die Luftunruhe auf etwa 1’’ begrenzt).
– 1781 entdeckte William Herschel Uranus beim Versuch Sternparallaxen zu
messen
•
erst 1838 fand Struve die erste Sternparallaxe für Vega
p = 0.12” Distanz = 8 pc (25 Lj)
•
der nachste Stern “alpha Cen” (Dreifachsystem) hat einer Parallaxe von
0.75” (d=1.3pc)
•
•
•
Durchmesser unserer Milchstrasse ~ 30 kpc
Distanz zu nahen Galaxien ~ Mpc
Distanz zu Quasaren und fernen Galaxien ~ Gpc
•
Um 1995 hat der Satellit Hipparcos Sternparallaxen von etwa 100’000
Sternen gemessen (bis ca. d=150 pc)
nächstes Jahr startet der Satellit GAIA – er wird Sternparallaxen von 100
Mio. Sternen messen (exakte Struktur unserer Milchstrasse)
•
Physikalische Grundgesetze
Newtonsche Mechanik
Die 3 Newtonschen Gesetze der Mechanik (1687):
1) Trägheitsgesetz (Körper bleibt ohne Krafteinwirkung in
Ruhe oder gleichförmiger Bewegung)
2)
F=dp/dt (eine Kraft bewirkt eine zeitliche Veränderung des
Impulses in Richtung dieser Kraft)
3)
Fij = - Fji (Actio = Reactio)
•
Revolution für die Naturwissenschaften
 Mechanisches Weltbild
Die empirisch hergeleiteten Kepler-Gesetze
folgen exakt aus der Newtonschen Mechanik
Komet Halley (Periode 76 Jahre) als Beweis
•
•
Eigenschaften des Lichts
• Lichtgeschwindigkeit (300‘000 km/s)
• Erfindung der Pendeluhr (Huygens1659)
– Bestimmung von c mit den Jupitermonden
(Römer und Cassini 1675)
Beobachtung der Eintrittszeiten der Monde in den
Jupiterschatten ist um mehr als 10 Minuten verspätet während
der Konjunktion verglichen zur Opposition  Weglaufdifferenz
Sonne
• Absorptionlinien im Sonnenspektrum
(entdeckt von Frauenhofer 1814  Frauenhofer-Linien)
KH
CaII
G
CH
F
HI
b E
MgI FeII
D
NaI
C
HI
B
A
O2|terr O2|terr
Linienverzeichnis von Frauenhofer mit 567 Absorptionslinien (heute sind um die
100’000 Linien im Sonnenspektrum bekannt)
• Spektralanalyse
Kirchhoff und Bunsen (1859) zeigen, dass die D-Linien von Natrium
stammen
 Astrophysik: der physikalischer Zustand von astronomischen
Objekten kann untersucht werden
Dopplereffekt: Δλ / λ = v / c
ruhende Quelle:
v=0, Wellenlänge identisch
sich entfernende Quelle v>0, Wellenlänge grösser  Rotverschiebung
sich nähernde Quelle
v<0, Wellenlänge kleiner  Blauverschiebung
Abschied vom Heliozentrisches Weltbild:
Liegt die Sonne im Zentrum des Universums?
Holzschnitt von Thomas Wright (1750) zur Illustration der Milchstrassenstruktur
Sonne
Shapley zeigte um 1920, dass die Sonne ca. 10 kpc vom Zentrum der
räumlichen Verteilung der Kugelsternhaufen liegt (= Zentrum der Milchstrasse)
Galaktozentrisches Weltbild:
Liegt die Milchstrasse im Zentrum des Universums?
Sind Nebel (Spiralnebel) auch Milchstrassensysteme?
M51: William Parsons (Lord Rosse) endeckte 1845 die zum ersten Mal eine
Spiralstruktur eines “Nebels” ( Zeichnung links)
Rotverschiebung
CaII (Ca+)-Doublett in hellsten
Galaxien in Galaxienhaufen
Annahme:
gleiche absolute Helligkeit
(Standardkerzen)
• scheinbare Helligkeit ist ein grobes
Mass fuer Distanz
l ~ L / 4πd2 (1+z)2
Kosmologische Expansion
Distanz
• Edwin Hubble und andere entdeckten (um 1930), dass
sich entfernte Galaxien von uns weg bewegen (DopplerEffekt)
d=Hxv
H = 70 km/s / Mpc
Fluchtgeschwindigkeit
Das Universum ist homogen, isotrop und expandiert
“Zeitmaschinen”
HDF
Hubble Deep Field
2.5‘‘ x 2.5‘‘
(3x10-8 des Himmels)
~3000 Objekte
(~20 Sterne)
Das Licht der
entferntesten
Objekte wurde „nur“
2-5 Mia Jahre nach
dem Urknall
ausgesandt!
Fluktuationen (~0.001%) im Mikrowellenhintergrund