Arnold Hanslmeier 3. Auflage

Arnold Hanslmeier
Einführung
in Astronomie
und Astrophysik
3. Auflage
Einführung in Astronomie und Astrophysik
Arnold Hanslmeier
Einführung in Astronomie
und Astrophysik
3. Auflage
Arnold Hanslmeier
Institut für Physik
Universität Graz
Graz, Österreich
ISBN 978-3-642-37699-3
DOI 10.1007/978-3-642-37700-6
ISBN 978-3-642-37700-6 (eBook)
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benutzt werden dürften.
Planung und Lektorat: Dr. Vera Spillner, Dr. Meike Barth
Redaktion: Dr. Michael Zillgitt
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer
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Vorwort
Dieses Buch erscheint bereits in der dritten Auflage. Durch neue Instrumente, Satellitenmissionen und stark verbesserte Computerleistung ist es möglich, Astronomie auf nahezu allen Wellenlängen zu betreiben, also das gesamte elektromagnetische Spektrum eines astronomischen Objektes zu untersuchen. Die Schwerpunkte der modernen Astrophysik liegen auf den Gebieten der Erforschung des frühen Universums sowie der Untersuchung extrasolarer Planetensysteme. In diesen beiden Schwerpunkten hat sich unser
Wissen enorm erweitert, aber auch in anderen Gebieten der Astrophysik. Die vorliegende
dritte Auflage umfasst 17 Kapitel von der klassischen Astronomie über die Geschichte der
Astronomie bis hin zur Sonnenphysik und Astrophysik der Sterne und Galaxien. Den Abschluss bilden die Kapitel Kosmologie, Astrobiologie und mathematische Methoden. Die
dritte Auflage wurde durchgehend farbig gestaltet was einerseits die Schönheit kosmischer
Objekte unterstreicht, andererseits auch der besseren Illustration von Forschungsergebnissen dient.
Ich möchte vor allem meiner Lebenspartnerin Anita für ihr Interesse und Diskussionen,
sowie meinen Kindern Roland, Christina und Alina für Geduld und Verständnis danken,
da ich viele Abende mit dem Schreiben des Manuskripts vor dem PC verbracht habe. Ich
danke auch allen Kolleginnen und Kollegen für die Fachkommentare, Korrekturen und
Tipps beim Erstellen des Manuskripts in LaTex, insbesondere den Studierenden meiner
Vorlesungen. Frau Dr. Vera Spiller und Frau Dr. Meike Barth von Springer Spektrum danke
ich sehr für die Korrekturen und zahlreichen Anregungen sowie für die hervorragende
Zusammenarbeit.
Oktober 2013, Arnold Hanslmeier
V
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Sphärische Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Horizontsystem . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Äquatorsystem . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Ekliptiksystem . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Galaktisches System . . . . . . . . . . . . . .
2.1.5 Transformationen der Systeme . . . . . .
2.2
Die Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Definitionen, Sonnenzeit und Sternzeit .
2.2.2 Kalender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Der Stern von Bethlehem . . . . . . . . . .
2.3
Sternpositionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Refraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Aberration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Parallaxe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4 Präzession, Nutation . . . . . . . . . . . . .
2.3.5 Sternkataloge . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.6 Lichtablenkung und Exoplaneten . . . . .
2.4
Orts- und Zeitbestimmung . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Geographische Breite Φ . . . . . . . . . . .
2.4.2 Zeitbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Moderne Navigationssysteme . . . . . . .
2.5
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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29
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31
32
3
Geschichte der Astronomie . . . . . . . . . . . . . .
3.1
Astronomie der Vor- und Frühgeschichte
3.1.1 Ägypten, Mesopotamien . . . . .
3.1.2 China . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Mittel- und Nordamerika . . . . .
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VII
VIII
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56
57
Himmelsmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1
Mond- und Planetenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Ephemeridenrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Scheinbare Planetenbahnen am Himmel . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Periheldrehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Mondbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.5 Gezeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6 Vergleich Gezeitenkraft des Mondes mit Kapillarwirkung in
Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Zweikörperproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Drehimpuls, Flächensatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Bahnform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Energiesatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Drittes Keplergesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3
N-Körperproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Das allgemeine N-Körperproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Das allgemeine Dreikörperproblem . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Eingeschränktes Dreikörperproblem . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4
Vielteilchensystme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Virialsatz und Entfernung einer interstellaren Gaswolke . . .
4.4.2 Ergodisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
Raumflug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1 Entweichgeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2 Raketenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3 Satellit im Erdorbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.2
3.3
3.4
4
3.1.4 Altes Europa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Astronomie der Griechen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Philosophische Überlegungen . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Erste Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Astronomie im Mittelalter und in früher Neuzeit . . . . . . . .
3.3.1 Astronomie der Araber . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.2 Mittelalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3 Geozentrisch → heliozentrisch . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Kepler, Galilei, Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.5 Himmelsmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Moderne Astrophysik und Kosmologie . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Die Entdeckung weiterer Objekte im Sonnensystem
3.4.2 Astrophysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Das Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 Schlussbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Astronomische Instrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1
Teleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 Abbildungsfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.2 Teleskoptypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.3 Teleskopmontierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.4 Robotische Teleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2
Moderne optische Teleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Moderne erdgebundene Teleskope . . . . . . . . . .
5.2.2 Das Hubble-Space-Teleskop und andere Projekte
5.3
Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 Menschliches Auge, Photographie . . . . . . . . . .
5.3.2 CCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.3 CMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.4 Back-Illuminated Sensor . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.5 Speckle-Interferometrie . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.6 Bildkorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
Nicht-optische Teleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Radioteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 Infrarotteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3 Röntgenteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5
Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1 Allgemeines zur Spektroskopie . . . . . . . . . . . .
5.5.2 Typen von Spektrographen . . . . . . . . . . . . . . .
5.6
Strahlung und Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.1 Das elektromagnetische Spektrum . . . . . . . . . .
5.6.2 Thermische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3 Emissions- und Absorptionslinien . . . . . . . . . .
5.6.4 Polarisiertes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.5 Magnetfelder und Strahlung . . . . . . . . . . . . . .
5.6.6 Einstein-Koeffizienten . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.7 Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.6
4.7
4.8
5
4.5.4 Einflüsse auf Satellitenbahnen .
Resonanzen im Planetensystem . . . . . .
4.6.1 Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2 Resonanzen im Sonnensystem .
4.6.3 Migration von Planeten . . . . .
Finsternisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.1 Mondfinsternisse . . . . . . . . . .
4.7.2 Sonnenfinsternisse . . . . . . . . .
4.7.3 Planetentransits . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IX
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6
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Physik der Körper des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . .
6.1
Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2
Eigenschaften der Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Rotationsdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Massenverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.3 Albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.4 Spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.5 Globaler Energiehaushalt . . . . . . . . . . . .
6.2.6 Hydrostatisches Gleichgewicht . . . . . . . .
6.2.7 Stabilität eines Satelliten, Roche-Grenze . .
6.2.8 Planetenatmosphären . . . . . . . . . . . . . . .
6.3
Die Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Aufbau der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2 Geologische und biologische Entwicklung
6.3.3 Erdmagnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.4 Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4
Der Mond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.2 Entstehung des Mondes . . . . . . . . . . . . .
6.4.3 Das Mondinnere . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5
Merkur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6
Venus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.1 Oberfläche der Venus . . . . . . . . . . . . . . .
6.6.2 Atmosphäre der Venus . . . . . . . . . . . . . .
6.6.3 Venus und der Klimawandel auf der Erde .
6.7
Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.1 Allgemeine Daten . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.2 Marsoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.3 Marsatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7.4 Mars – Terraforming? . . . . . . . . . . . . . .
6.7.5 Marsmonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8
Jupiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.1 Allgemeine Eigenschaften . . . . . . . . . . . .
6.8.2 Jupiteratmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8.3 Magnetosphäre des Jupiter . . . . . . . . . . .
6.8.4 Jupiterringe und Jupitermonde . . . . . . . .
6.9
Saturn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.1 Allgemeine Daten . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.2 Saturnringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.9.3 Saturnmonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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183
184
184
187
190
191
195
195
196
197
Inhaltsverzeichnis
6.10
6.11
6.12
6.13
6.14
6.15
6.16
7
XI
Uranus und Neptun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.10.1 Entdeckung und allgemeine Eigenschaften . .
6.10.2 Ringe und Satelliten von Uranus und Neptun
Zwergplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.11.1 Pluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.11.2 Ceres und weitere Zwergplaneten . . . . . . . .
Asteroiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.1 Benennung und Typen . . . . . . . . . . . . . . . .
6.12.2 Verteilung der Asteroiden . . . . . . . . . . . . . .
6.12.3 NEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kometen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.13.1 Kuipergürtel und Oort’sche Wolke . . . . . . . .
6.13.2 Sungrazer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Meteoroiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.14.1 Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.14.2 Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.14.3 Interplanetare Materie . . . . . . . . . . . . . . . .
Entstehung des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . .
6.15.1 Extrasolare Planetensysteme . . . . . . . . . . . .
6.15.2 Theorien der Entstehung . . . . . . . . . . . . . .
6.15.3 Protoplanetarer Nebel . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1
Grunddaten und Koordinaten . . . . . . . .
7.1.1 Grunddaten . . . . . . . . . . . . . .
7.1.2 Koordinaten . . . . . . . . . . . . . .
7.1.3 Entfernung . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.4 Sonnenmasse . . . . . . . . . . . . .
7.1.5 Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.6 Leuchtkraft . . . . . . . . . . . . . . .
7.1.7 Effektive Temperatur . . . . . . . .
7.1.8 Sonnenbeobachtung . . . . . . . .
7.2
Der Aufbau der Sonne, die ruhige Sonne
7.2.1 Sonneninneres . . . . . . . . . . . .
7.2.2 Photosphäre . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3 Chromosphäre . . . . . . . . . . . .
7.2.4 Korona . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3
Die aktive Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.1 Sonnenflecken . . . . . . . . . . . .
7.3.2 Fackeln . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.3 Protuberanzen . . . . . . . . . . . .
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239
241
241
245
247
XII
Inhaltsverzeichnis
7.4
7.5
7.6
7.7
8
7.3.4 Flares und koronale Massenauswürfe . . . . . . .
7.3.5 Die Radiostrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3.6 Röntgenstrahlung der Korona . . . . . . . . . . . .
Solarterrestrische Beziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.1 Der Sonnenaktivitätszyklus . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Zeitreihen, Periodenanalyse . . . . . . . . . . . . .
7.4.3 Die solare Irradianz . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Helioseismologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.1 Mathematische Beschreibung . . . . . . . . . . . .
7.5.2 Beobachtungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetohydrodynamik der Sonne . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.1 Maxwell-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.2 Induktionsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.3 Plasmagleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.4 Bewegung eines Teilchens in einem Magnetfeld
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zustandsgrößen der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1
Entfernung, Helligkeiten . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1 Scheinbare Helligkeit . . . . . . . . . . . . .
8.1.2 Entfernung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.3 Absolute Helligkeit, Entfernungsmodul
8.1.4 Bolometrische Helligkeit . . . . . . . . . .
8.2
Sternradien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.2.1 Sterninterferometer . . . . . . . . . . . . . .
8.2.2 Sternbedeckungen durch den Mond . . .
8.2.3 Bedeckungsveränderliche Sterne . . . . .
8.2.4 Speckle-Interferometrie . . . . . . . . . . .
8.2.5 Microlensing . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3
Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Drittes Keplergesetz . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2 Gravitationsrotverschiebung . . . . . . . .
8.3.3 Microlensing . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.4 Abgeleitete Größen . . . . . . . . . . . . . .
8.4
Sterntemperaturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1 Sterne als Schwarze Körper . . . . . . . . .
8.4.2 Weitere Temperaturbegriffe . . . . . . . .
8.5
Klassifikation der Sterne, HRD . . . . . . . . . . . .
8.5.1 Spektralklassifikation . . . . . . . . . . . . .
8.5.2 Das Hertzsprung-Russell-Diagramm . .
8.5.3 Leuchtkraftklassen . . . . . . . . . . . . . . .
8.5.4 Balmersprung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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297
299
Inhaltsverzeichnis
8.6
8.7
8.8
9
XIII
8.5.5 Sternpopulation und FHD . . . . . . .
8.5.6 Die Masse-Leuchtkraft-Beziehung . .
Rotation und Magnetfelder . . . . . . . . . . . . .
8.6.1 Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.6.2 Magnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . .
Besondere Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.1 Helle Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.7.2 Algol und Bedeckungsveränderliche
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sternatmosphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.1
Quantenmechanische Beschreibung . . . . . .
9.1.1 Beschreibung eines Teilchens . . . .
9.1.2 Schrödingergleichung . . . . . . . . .
9.1.3 Wellenfunktionen für Wasserstoff .
9.1.4 Quantenzahlen . . . . . . . . . . . . . .
9.1.5 Elektronenkonfigurationen . . . . . .
9.1.6 Wasserstoff-Feinstruktur . . . . . . .
9.1.7 Komplexe Atome . . . . . . . . . . . . .
9.2
Anregung und Ionisation . . . . . . . . . . . . .
9.2.1 Thermodynamisches Gleichgewicht
9.2.2 Boltzmannformel . . . . . . . . . . . .
9.2.3 Saha-Gleichung . . . . . . . . . . . . . .
9.3
Strahlungstransport . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Lösungen der Transportgleichung .
9.4
Absorptionskoeffizienten . . . . . . . . . . . . .
9.4.1 Kontinuierliche Absorption . . . . .
9.4.2 Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4.3 Theorie der Absorptionslinien . . . .
9.5
Linienprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.1 Dämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.2 Dopplerverbreiterung . . . . . . . . .
9.5.3 Voigtprofil . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6
Analyse von Sternspektren . . . . . . . . . . . .
9.6.1 Wachstumskurven . . . . . . . . . . . .
9.6.2 Quantitative Spektralanalyse . . . . .
9.7
Sternatmosphärenmodelle . . . . . . . . . . . .
9.7.1 Vergleich: Sonne und Wega . . . . . .
9.7.2 Numerische Lösungen . . . . . . . . .
9.8
Asteroseismologie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8.1 Beobachtungen . . . . . . . . . . . . . .
9.8.2 Typen von Wellen . . . . . . . . . . . .
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337
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337
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341
341
342
XIV
Inhaltsverzeichnis
9.9
10
11
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Sternaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1 Physikalische Grundgesetze des Sternaufbaus . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.1 Hydrostatisches Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.2 Bewegungsgleichung bei sphärischer Symmetrie . . . . . . . . .
10.1.3 Hydrostatisches Gleichgewicht nach der Allgemeinen Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.4 Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.5 Entartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.6 Zusammenfassung: Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Energietransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.2 Strahlungstransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3 Opazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1 Energieerzeugung durch Kontraktion . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.2 Thermonukleare Energieerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Spezielle Sternmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.1 Polytrope Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.2 Homologe Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
347
347
347
350
Sternentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1 Sternentstehung und -entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.1 Protosterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.2 Kollaps eines sonnenähnlichen Sterns . . . . . . . .
11.1.3 Das Alter der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.4 Entwicklung eines Sterns mit einer Sonnenmasse .
11.2 Vergleich der Sternentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.1 Massearme Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.2 Massereiche Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3 Weiße Zwerge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.1 Allgemeine Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.2 Allgemeine Relativitätstheorie und Weiße Zwerge
11.3.3 Magnetfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.4 Braune Zwerge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4 Neutronensterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.1 Bildung von Neutronensternen . . . . . . . . . . . . .
11.4.2 Pulsare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5 Supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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364
369
371
371
374
375
Inhaltsverzeichnis
XV
11.5.1 Klassifizierung . . . . . . . . . . . . .
11.5.2 Kernsynthese während einer SN .
11.5.3 Beobachtete Supernovae . . . . . . .
11.6 Schwarze Löcher . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.2 Kandidaten für Schwarze Löcher .
11.6.3 Quantentheorie Schwarzer Löcher
11.6.4 Akkretion . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7 Gamma Ray Bursts . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.1 Eigenschaften der GRB . . . . . . . .
11.7.2 Erklärung der GRB . . . . . . . . . .
11.8 Veränderliche Sterne . . . . . . . . . . . . . . .
11.8.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . .
11.8.2 Pulsationsveränderliche . . . . . . .
11.8.3 Halbregelmäßig Veränderliche . .
11.8.4 Eruptive Veränderliche . . . . . . . .
11.8.5 Pekuliare Sterne . . . . . . . . . . . .
11.8.6 Planetarische Nebel . . . . . . . . . .
11.8.7 Sternaktivität . . . . . . . . . . . . . .
11.9 Masseverlust von Sternen . . . . . . . . . . . .
11.9.1 Ableitung nach Parker . . . . . . . .
11.9.2 Antrieb von Sternenwinden . . . .
11.10 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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12
Interstellare Materie . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1 Entdeckung, allgemeine Eigenschaften
12.2 Interstellarer Staub . . . . . . . . . . . . .
12.2.1 Extinktion . . . . . . . . . . . . .
12.2.2 Streuung . . . . . . . . . . . . . .
12.2.3 Polarisation . . . . . . . . . . . .
12.3 Interstellares Gas . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.1 Neutraler Wasserstoff . . . . . .
12.4 Emissionsnebel, H-II-Regionen . . . . .
12.4.1 Besondere Emissionsnebel . .
12.4.2 Lichtechos . . . . . . . . . . . . .
12.5 Kosmische Strahlung . . . . . . . . . . . .
12.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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13
Die Galaxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.1 Entfernungsbestimmungsmethoden . . .
13.1.1 Trigonometrische Methoden . . .
13.1.2 Photometrische Standardkerzen
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XVI
Inhaltsverzeichnis
13.2
13.3
13.4
13.5
13.6
13.7
13.8
14
Der Aufbau unserer Milchstraße . . . . . . . . . . . . . .
13.2.1 Grober Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.2 Galaktische Koordinaten . . . . . . . . . . . . .
13.2.3 Verteilung der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.4 Galaxis: Komponenten . . . . . . . . . . . . . . .
13.2.5 Lokale Sonnenumgebung, Local Bubble . . .
13.2.6 Stelllarstatistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sternpopulationen und Dichtewellen . . . . . . . . . . .
13.3.1 Sternpopulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3.2 Dichtewellen, Spiralstruktur . . . . . . . . . . .
Rotation der Galaxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4.1 Radial- und Tangentialbewegung . . . . . . . .
13.4.2 Galaktische Rotation, LSR . . . . . . . . . . . .
13.4.3 Galaktische Rotationskurve . . . . . . . . . . .
Dunkle Materie in der Milchstraße . . . . . . . . . . . .
13.5.1 Die Natur der Dunklen Materie . . . . . . . . .
13.5.2 Galaktisches Microlensing . . . . . . . . . . . .
Galaktisches Zentrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.6.1 Definition des Zentrums . . . . . . . . . . . . .
13.6.2 Zentraler Sternhaufen und Schwarzes Loch .
Entwicklung der Galaxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Extragalaktische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1 Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.1 Verzeichnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.2 Hubble-Klassifikation . . . . . . . . . . . . . .
14.1.3 Andere Klassifikationen von Galaxien . . .
14.1.4 Elliptische Galaxien, E . . . . . . . . . . . . . .
14.1.5 Spiralgalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.6 Irreguläre Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . .
14.1.7 Verteilung auf die Typen . . . . . . . . . . . . .
14.1.8 Integrale Eigenschaften und Durchmesser .
14.1.9 Die Magellan’schen Wolken . . . . . . . . . . .
14.1.10 Populationssynthese . . . . . . . . . . . . . . .
14.2 Supermassive Schwarze Löcher . . . . . . . . . . . . . .
14.2.1 Detektion von SMBHs . . . . . . . . . . . . . .
14.2.2 SMBHs und Galaxieneigenschaften . . . . .
14.3 Aktive Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.1 Aktive Galaxienkerne . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.2 Radiogalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.3.3 Quasare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1 Expansion des Universums . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.1 Blick in die Vergangenheit . . . . . . . . .
15.1.2 Olbers-Paradoxon . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.3 Zählungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.4 Die Galaxienflucht . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.5 Homogenität und Isotropie . . . . . . . . .
15.1.6 Methoden der Entfernungsbestimmung
15.2 Newton’sche Kosmologie . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.1 Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.2 Bewegungsgleichung . . . . . . . . . . . . .
15.2.3 Energieerhaltung . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3 Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.3.1 Spezielle Relativitätstheorie . . . . . . . . .
15.3.2 Vierervektoren, Transformationen . . . .
15.3.3 Allgemeine Relativitätstheorie . . . . . . .
15.3.4 Materie und Raum-Zeit-Krümmung . .
15.3.5 Metrik des Raumes . . . . . . . . . . . . . .
15.3.6 Friedmann-Lemaître-Gleichungen . . . .
15.3.7 Gravitationswellen . . . . . . . . . . . . . . .
15.4 Dunkle Energie, beschleunigte Expansion . . . . .
15.4.1 Beobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.4.2 Dunkle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5 Das frühe Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.5.1 Urknall-Beobachtungshinweise . . . . . .
15.5.2 Sunyaev-Zel’dovich-Effekt . . . . . . . . . .
15.5.3 Akustische Oszillationen . . . . . . . . . .
15.5.4 Bildung der Teilchen . . . . . . . . . . . . .
15.5.5 Quarks und Quark-Gluonen-Plasma . .
15.5.6 Teilchenerzeugung . . . . . . . . . . . . . . .
15.6 Symmtriebrechung im frühen Universum . . . . .
15.6.1 Die vier Naturkräfte . . . . . . . . . . . . . .
15.6.2 Das frühe Universum . . . . . . . . . . . . .
15.6.3 Inflationäres Universum . . . . . . . . . . .
15.6.4 Stringtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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14.3.4 Galaxien mit hoher Rotverschiebung
14.3.5 Blazare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Galaxienhaufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4.1 Superhaufen . . . . . . . . . . . . . . . . .
14.4.2 Besondere Galaxienhaufen . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
XVII
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Astrobiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1 Habitable Zonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1.1 Was ist Leben? . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1.2 Leben auf der Erde . . . . . . . . . . . . .
16.1.3 Schutzschirme für Leben auf der Erde
16.1.4 Leben im Sonnensystem . . . . . . . . . .
16.2 Entdeckung extrasolarer Planetensysteme . . . .
16.2.1 Astrometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.2 Radialgeschwindigkeitsmethode . . . .
16.2.3 Lichtkurven, Transitbeobachtungen . .
16.2.4 Microlensing . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.5 Einstein-Beaming . . . . . . . . . . . . . .
16.2.6 Erdgebundene Beopbachtungen . . . .
16.3 Host Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.1 Hertzsprung-Russell-Diagramm . . . .
16.3.2 Habitable Zone . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.3 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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17
Mathematische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1 Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1.1 Mittelwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1.2 Verteilungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1.3 Momente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2 Kurvenfits und Korrelationsrechnung . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.1 Anpassen von Kurven, Methode kleinster Quadrate
17.2.2 Korrelationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3 Differenzialgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.1 Lineare Differenzialgleichungen erster Ordnung . .
17.3.2 Schwingungsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3.3 Partielle Differenzialgleichungen . . . . . . . . . . . . .
17.4 Numerische Mathematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.1 Interpolationspolynome . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.2 Dividierte Differenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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15.8
15.9
Paralleluniversum . . . . . .
15.7.1 Quantenschaum .
15.7.2 Quantenvakuum .
15.7.3 Die ersten Sterne .
15.7.4 Paralleluniversen .
Zeitskala . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . .
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Inhaltsverzeichnis
17.5
17.6
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17.8
18
XIX
17.4.3 Newton’sches Interpolationsverfahren . . . . . . . . . . . .
17.4.4 Interpolation mit ungleichmäßig verteilten Stützstellen .
17.4.5 Numerische Differenziation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.6 Numerische Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.4.7 Differenzialgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fouriermethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.5.1 Autokorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.5.2 Die Fast Fourier Transformation, FFT . . . . . . . . . . . .
17.5.3 Digitale Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.5.4 Fouriertransformationen in der Optik . . . . . . . . . . . .
Vektorrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.6.2 Gradient, Divergenz, Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.6.3 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Splines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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585
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589
591
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
18.1 Testfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
18.2 Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Allgemein . . . . . . . . . . . . . .
Literatur zu speziellen Themen
Zeitschriften . . . . . . . . . . . . .
Wichtige Internetadressen . . .
Software (professionelle) . . . .
Homepage des Verfassers: . . .
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Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
1
Einleitung
Astronomie ist eine der sich am schnellsten entwickelnden Wissenschaftsdisziplinen. Dieses Buch erscheint hiermit in der dritten Auflage und wurde in allen Kapiteln aktualisiert,
und es wurden auch neue Abschnitte hinzugefügt. Besonders schnell entwickelten sich
unsere Kenntnisse über unser Planetensystem sowie Exoplaneten, Fragen nach der großräumigen Struktur des Universums, dunkle Energie und dunkle Materie.
Dieses Buch behandelt Astronomie1 und Astrophysik. Weshalb die Unterscheidung?
Astronomie ist die Wissenschaft von den Sternen, Planeten, Galaxien. Typische Fragen der
Astronomie sind:
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Standortbestimmung: Wo befinden wir uns im Universum?
Sind wir allein im Universum?
Frage nach der Entstehung: Wie und wann ist das Universum entstanden?
Frage nach der Zukunft: Wie werden sich das Universum, die Erde, unsere Sonne etc.
weiterentwickeln?
Im Gegensatz zu allen anderen Naturwissenschaften kann man in der Astronomie mit
den Objekten der Forschung (Sterne, Galaxien, Universum) nicht direkt experimentieren.
Infolge der großen Entfernungen sind die einzigen Informationen, die wir von unseren Objekten auswerten, deren Strahlung und deren Position. Hier setzt speziell die Astrophysik
an: Mit welchen physikalischen Methoden und Gesetzen kann man diese Strahlung erklären bzw. interpretieren?
Betrachten wir das Licht eines Sterns. Es ist mehrere Billionen Kilometer zu uns unterwegs. Wir können es aber durch ein Prisma oder Gitter zerlegen. In der Physik gibt es
den bekannten Dopplereffekt. Nähert sich eine Strahlungsquelle dem Beobachter, dann erscheint das Licht blauverschoben, bei Entfernung hingegen rotverschoben. Deshalb kann
man durch Messung der Linien im zerlegten Licht (Spektrum) feststellen, ob sich der Stern
1
ασ τρoν griech. Stern.
A. Hanslmeier, Einführung in Astronomie und Astrophysik, DOI 10.1007/978-3-642-37700-6_1,
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014
1
2
1
Einleitung
von uns fort oder auf uns zu bewegt. Nach der Atomtheorie sendet jedes chemische Element ganz bestimmte Linien aus. Durch Vergleich des Sternspektrums mit uns bekannten
Spektren können wir die chemische Zusammensetzung des Sterns ermitteln. Aus der Farbe
eines Sterns (ein dunkelrot glühender Ofen ist „kühler“ als ein hellrot glühender) ermitteln
wir dessen Temperatur. Nun sind die Theoretiker gefragt. Die experimentelle Astrophysik
liefert die Werte für Zusammensetzung, Geschwindigkeiten, Temperatur, Druck usw. eines
Sterns, und man kann mittels einfacher Gleichungen ein Modell über den Aufbau und die
Atmosphäre eines Sterns aufstellen.
Die zweite Information über Sterne, die wir als passive Zuseher geliefert bekommen, ist
ihre Position am Himmel. Daraus folgen weitere wichtige Größen wie z. B. die Entfernung.
Diese Messungen werden für viele Sterne durchgeführt, und man findet, dass wir Teil eines
riesigen Systems sind, der Milchstraße oder Galaxis. Bald stellte sich heraus, dass es viele
Galaxien gibt und diese in Haufen angeordnet sind. Damit haben wir dann die großräumige
Struktur des Universums.
Genaue Positionsmessungen von Sternen bzw. Messungen von deren Positionsveränderungen führten auch zu bahnbrechenden neuen Erkenntnissen während der letzten beiden
Jahrzehnte. Es wurde bewiesen, dass sich im Zentrum unseres Milchstraßensystems ein
supermassives Schwarzes Loch mit mehreren Millionen Sonnenmassen befindet; dunkle,
nicht leuchtende Materie wurde nachgewiesen sowie zum erstenmal die Existenz von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems.
Derartige Fragestellungen klingen zunächst etwas abstrakt. Wozu das Ganze? Man sollte
nicht vergessen, dass sich Astronomie aus einem ganz einfachen Bedürfnis der Menschen
entwickelte: Einteilung der Zeit. Alle Kalender beruhen auf astronomischen Ereignissen:
Ein Tag ist eine Drehung der Erde um ihre Achse, ein Jahr ist ein Umlauf der Erde um
die Sonne. Die Sterne hatten für die alten Kulturvölker etwas Göttliches, Unveränderbares,
und selbst Einstein glaubte, als er Lösungen seiner Feldgleichungen fand, die ein instabiles Universum ergaben, dass hier irgendetwas nicht stimmen könne, und führte einen
mathematischen Trick ein, um die Lösung stabil zu bekommen. Dieses Bild hat sich grundlegend geändert. Sterne entstehen und vergehen; man kann dies an zahlreichen Beispielen
beobachten. Galaxien können zusammenstoßen. Das Universum ist vor ca. 13,6 Milliarden
Jahren entstanden, also keineswegs statisch.
Die Astrophysik behandelt Objekte verschiedener Ausdehnungen, Dichten und Temperaturen, wie in Tab. 1.1 und 1.2 gezeigt wird, und ist daher eine Wissenschaft, die sich mit
extremen physikalischen Bedingungen auseinandersetzt:
• extrem kühl (nahe absoluter Nullpunkt, interstellarer Staub) oder extrem heiß (im
Sterninneren bis zu 100 Millionen Kelvin);
• extrem dünnes (interstellare Materie) und extrem dichtes Plasma, Kristallisationszustände (z. B. in Neutronensternen);
• extrem hohe Energien; Entstehung der Teilchen und Elemente beim Urknall . . .