Reise von der Erde bis ans Ende des Weltraums

Reise von der Erde bis
ans Ende des Weltraums
Grundlagen der Astronomie
Dr. Christian Reimers
Institut für Astronomie
Universität Wien
[email protected]
Reise von der Erde bis …
• Orientierung am Himmel
• Welt der Planeten
• Welt der Sterne
• Welt der Galaxien
Orientierung am Himmel
Orientierung am Himmel
Orientierung am Himmel
• Koordinatensysteme: dient der Positionsangabe von Punkten im
Raum. Der Fachbegriff der Koordinate, in der Bedeutung
„Lageangabe“, wurde im 18. Jahrhundert aus dem Wort Ordinate
(von lateinisch (linea) ordinata, „geordnet(e Linie)“) gebildet.
Das Ziel astronomischer Koordinatensysteme ist die
Stellung am Himmel (2 Zahlen) bzw. die Lage im Raum (3
Zahlen) eines astronomischen Objekts zu beschreiben.
• Polarkoordinaten: definieren eine Achse, die die Pole markiert (definiert
wiederum eine Bezugsebene) und eine Nullrichtung (in der
Bezugsebene)
– Länge (Winkelabstand von der Nullrichtung in der Bezugsebene)
– Breite (Höhenwinkel über der Bezugsebene)
– Radiuskoordinate für den Abstand
–
–
–
–
Horizontalsystem
Äquatorialsystem
Ekliptikalsystem
Galaktisches System
Orientierung am Himmel
• Horizontalsystem:
– Achse / Pole:
• „Lotrichtung“ / Zenit oder Scheitelpunkt & Nadir oder Fußpunkt
– Bezugsebene:
• Horizontalebene: Die vom Horizont aufgespannte Ebene ist die Horizontebene oder
Horizontalebene; sie steht rechtwinklig zur Zenit- oder Lotrichtung.
– Meridian: halber Längenkreis von Pol zu Pol / Meridianebene
http://www.greier-greiner.at/hc/navi.htm: Horizontalsystem
Azimut Az oder a / Höhe h
Orientierung am Himmel
• Horizontalsystem: Horizont (1)
Der Horizont (griech. ορίζοντας „der Gesichtskreis“) ist die Grenzlinie zwischen der sichtbaren
Erde und dem Himmel. Der Begriff Horizont wurde von Philipp von Zesen (1619-1689, Dichter
und Schriftsteller) durch den Ausdruck Gesichtskreis eingedeutscht.
Kugelabschnitt (Kugelsegment, Kugelkappe, Kugelkalotte)
R
α
a
h
Horizontlinie
R
w
α
R
d
(→ Geogebra-Modell)
Orientierung am Himmel
• Horizontalsystem: Horizont (2)
EUMETSAT/Meteosat 2
Mmahaffie: Containerschiff
JAXA/Kaguya
NASA/ISS
Orientierung am Himmel
• Äquatorialsystem:
– Achse / Pole:
• Rotationsachse der Erde / Nord- & Südpol
– Bezugsebene:
• Äquatorebene oder Aquatorialebene: Die Rotationsachse eines
Astronomischen Objekts definiert als Normale im Zentrum eine Ebene.
• Der Äquator ist die Schnittlinie der Äquatorebene mit der – im Allgemeinen
idealisierten – Oberfläche. Die Projektion des Äquators auf die Himmelssphäre
ist der Himmelsäquator.
http://www.greier-greiner.at/hc/navi.htm: Äquatorsystem (ruhend)
Deklination δ / Stundenwinkel t
http://www.greier-greiner.at/hc/navi.htm: Äquatorsystem (rotierend)
Deklination δ / Rektaszension α
Orientierung am Himmel
• Ekliptikalsystem:
– Achse / Pole:
• Normale auf Ekliptik / Nord- & Südpol der Ekliptik
– Bezugsebene:
• Ekliptik: Die Ekliptik ist die Projektion der scheinbaren Bahn der Sonne im
Verlauf eines Jahres auf die Himmelskugel.
• Die Ekliptik ist ein Großkreis am Himmel, das heißt, sie definiert eine Ebene,
in der sowohl der Mittelpunkt der Erde als auch der Mittelpunkt der Sonne
liegen. Diese Ebene ist damit die Bahnebene der Erde um die Sonne und wird
auch Ekliptikebene oder Ekliptikalebene genannt. Der Winkel zwischen
Äquatorebene und Ekliptikebene ist die Schiefe der Ekliptik ε (Erdneigung
oder auch Obliquität).
http://www.greier-greiner.at/hc/navi.htm: Ekliptiksystem
Ekliptikale Breite β / Ekliptikale Länge λ
http://www.greier-greiner.at/hc/navi.htm: Schiefe der Ekliptik
Orientierung am Himmel
• Galaktisches System:
– Achse / Pole:
• Normale auf Galaktische Ebene / Galakt. Nord- & Südpol
– Bezugsebene:
• Galaktische Ebene: Bezugsebene des galaktische Koordinatensystems ist
die Ebene der Milchstraße, Nullpunkt ist die Sonne.
Die galaktische Länge wird ausgehend vom galaktischen Zentrum
α = 17h 42.4min und δ = -28.92° gezählt, die galaktische Ebene ist um
62,6° gegenüber dem Himmelsäquator und ca. 57° gegen die Ekliptikebene
geneigt.
Galaktisches System
Galaktische Breite β / Galaktische Länge l
NASA/COBE: Infrarotaufnahme des gesamten Himmels
Bläulich: Emission von Staubteilchen im Sonnensystem
Orientierung am Himmel
Fragen?
Orientierung am Himmel
Objekte im Weltraum
• Welt der Planeten / Planetensystem
Welt der Planeten
Welt der Planeten
• Was ist ein Planet?
– Auf Grund der phyikalischen Eigenschaften Plutos wurde am
24. August 2006 die Planetendefinition von der IAU
(Internationale Astronomische Union) geändert.
– Definition Planet: Objekte, die sich auf einer Bahn um
einen Stern befinden, über eine ausreichende Masse
verfügen, um durch ihre Eigengravitation eine annähernd
runde Form zu bilden, die Umgebungen seiner Bahnen
bereinigt hat und selbst keine Sterne sind.
– Definition Zwergplanet: Objekte, die sich auf einer Bahn
um einen Stern befinden, über eine ausreichende Masse
verfügen, um durch ihre Eigengravitation eine annähernd
runde Form zu bilden, die Umgebungen seiner Bahnen nicht
bereinigt hat und keine Satelliten (Monde) sind.
– Pluto hat die Umgebung seiner Bahn NICHT bereinigt und
gilt daher nicht mehr als Planet.
Welt der Planeten
• Planetenbahn ist im Raum durch
6 Parameter festgelegt
–
–
–
–
a = Große Halbachse der Bahn, z.B. in [AU]
e = Exzentrizität der Ellipse mit e2 = 1-b2/a2
i = Bahnneigung gegen die Ekliptik in [°]
Ω = Argument des Knotens: Winkel in [°]
zwischen aufgsteigendem Knoten und
Frühlingspunkt
– ω = Argument der Periapsis (=Perihelium) in
[°], Winkel zwischen Knotenlinie und Scheitel
der Bahnellipse
– M = mittlere Anomalie in [º] zu einem
Zeitpunkt, Winkel zwischen Punkt auf der
Bahn bezogen auf die Periapsis
(→ Interaktives JavaApplet der Bahnen
ausgewählter Objekte im Sonnensystem)
Welt der Planeten
• Erd- & Mondbahn
– 1. Keplersches Gesetz
• Ellipse:
Perigäum/Perihel –
Apogäum/Aphel
• Libration
(→ Film des Mondes)
Perihel: 2.-4. Jänner;
147,099 Mio. km
APOD 2007 July 9
APOD 2007 September 2
APOD 2007 October 25
Aphel: 3.-6. Juli;
152,096 Mio. km
Welt der Planeten
• Daten wichtiger Objekte im Planetensystem:
– Bahnelemente und physikalische Kenngrößen
– Planeten: Besonderheiten (→ Planeten unseres Sonnensystems)
Welt der Planeten
• Rotationsachsen
• Magnetfelder
Welt der Planeten
• Atmosphären
Welt der Planeten
• Ringe um Planeten
Bestehen aus zahlreichen Staub-/Gesteins-/Eisteilchen, deren
Größe von der eines Sandkorns bis zu der eines Wohnhauses
reicht. Dabei können Ausmaß, Zusammensetzung und Helligkeit
vollkommen verschieden sein. Mehrere Ringe um einen Planeten
bilden ein konzentrisches Ringsystem.
Welt der Planeten
• Planeteneinteilung
Welt der Planeten
• Innere Planeten / Gesteinsplaneten (1)
- Merkur
NASA/MESSENGER; APOD 2008 January 26
NASA/MESSENGER; APOD 2008 November 3
Mariner 10: NASA/Calvin J. Hamilton
Venera 13: Venusoberfläche
- Venus
Welt der Planeten
• Innere Planeten / Gesteinsplaneten (2)
- Erde / Mond
Apollo 17: Erde
Apollo 15: Panorama der Mondoberfläche
Mond; 3.476 km
Apollo 16: Mondabgewandte Seite
Welt der Planeten
• Innere Planeten / Gesteinsplaneten (3)
- Mars / Phobos & Deimos
MER-A „Spirit“: Gesteinsanalyse
Vikong 2: Mars
MER-A „Spirit“: Sonnenuntergang
MRO/Phobos: 26,8 × 22,0 × 18,4 km
Viking/Deimos: 15,0 × 12,2 × 10,4 km
Welt der Planeten
• Äußere Planeten / Gasriesen (1)
– Jupiter / 63 Monde
Galileo: Io; 3643,2 km; aktiver (Schwefel-)Vulkanismus
HST: Jupiter und Ganymed (größter Mond im Sonnensystem
mit 5262,4 km)
Galileo: Europa; 3121,6 km; 10-15km Eiskruste; 90km Ozean?
Welt der Planeten
• Äußere Planeten / Gasriesen (2)
– Saturn / 60 Monde
Cassini: Hyperion; 360 × 280 × 225 km;
am stärksten unregelmäßig geformten Körper
Cassini: Saturn und Erde
Cassini: Enceladus; 504 km; Wassergeysire
Cassini: Titan; 5150 km; zweitgrößte
Mond im Sonnensystem; dichte Atmosphäre
Huygens: Titanoberfläche;
14.01.2005
Welt der Planeten
• Äußere Planeten / Eisriesen (1)
– Uranus / 27 Monde
Voyager 2: Ariel; 1158 km; gebundene Rotation
Voyager 2: Uranus
Voyager 2: Miranda; 471,6 km km; extreme Verwerfungen
Canyon Verona Rupes bis zu 20 km
Welt der Planeten
• Äußere Planeten / Eisriesen (2)
– Neptun / 13 Monde
Voyager2: Neptun und Triton
Voyager2: Neptun; „großer dunkler Fleck“
Voyager2: Triton; 2707 km; Stickstoffgeysire
Welt der Planeten
•
•
•
•
•
Kometen – „schmutzige Schneebälle“ (1)
Gravitative Störungen durch Planeten und
kometares Ausgasen wesentlich
Kurzperiodische Kometen: P<200 Jahre
– Umlaufzeit: 2 - 200 Jahre
– Bahnenneigung: i ≤ 20°
– Exzentrizität: e ~ 0.5
– Ursprung: Kuiper-Gürtel
Langperiodische Kometen
– Umlaufzeit:102 - 108 Jahre
– Bahnen: nahezu isotrop
– Exzentrizität: e ≤ 1
– Ursprung: Oort‘sche Kometenwolke
Aufbau
– Kern: Durchmesser: mehrere km; Masse: 1012-1015 kg
Wassereis, Kohlendioxid, Methan und Staubteilchen
mit 1cm - 0.1µm; Annäherung an Sonne: Eis sublimiert
– Koma: 50.000 - 150.000 km; entweichendes Materie
tritt in Wechselwirkung mit Sonnenwind
– Schweif: Gas und Staub entwickeln im Sonnenwind
unterschiedliche Dynamik; Bildung von Knoten, Ecken,
Schleifen im Ionenschweif durch Magnetfelder
Hale-Bopp, 7. März 1997
Welt der Planeten
• Kometen – „schmutzige Schneebälle“ (2)
Gasschweif
Flugrichtung
Koma
zur Sonne
Comet Hale Bopp
Staubschweif
Comet Holmes
Stardust: Wild 2; 5 km
Giotto: Halley; 15,3 x 7,2 x 7,2 km
Comet McNaught
Deep Impact: Tempel 1; 7,6 x 4,9 km
Welt der Planeten
• Kleinplaneten / Asteroiden (1)
– Reste des frühen Sonnensystems
– Große Planeten durch Akkretion
aus Planetesimalen
– Innerer Rand bei 2.06 AU durch
4:1 Resonanz mit Jupiter, nur
instabile Orbits, Mars verursacht
weitere Störungen
– Kirkwood-Gaps: Resonanzen mit
Jupiter
– Schätzung: mehrere Millionen, 220
größer als 100 km Ø
– Gesamtmasse der Astroiden: 3.03.6 1021 kg (etwa 4% der
Mondmasse)
• Trojaner
– in Jupiterbahn: L4: 1632; L5: 1283
– in Neptunbahn: 6
Objekte im Asteroidengürtel und in Jupiterbahn (Trojaner)
• Erdnahe Objekte
(engl. Near-Earth object;
NEO), auch Erdbahnkreuzer
– kreuzen die Erdbahn
Welt der Planeten
• Kleinplaneten / Asteroiden (2)
NEAR „Shoemaker“: Eros; 33 x 13 x 13 km
MUSES-C „Hayabusa“: Itokawa; 535 x 294 x 209 m
Welt der Planeten
• Zwergplaneten
– Ceres (975 x 909 km)
– Pluto (2390 km); Charon
(1207 km)
– Eris (2400 km)
HST: Pluto und seine Monde
HST: Ceres
HST: Pluto und Charon
Welt der Planeten
• Kuiper-Belt-Objekte
– Große Anzahl von Körpern jenseits der
Neptunbahn (30 AU) von Gerald P.
Kuiper (1951) diskutiert, basierend
auf Bahnen von langperiodischen
Kometen
– Abstände zwischen 30 AU und 50 AU,
äußerer Rand durch 2:1 Resonanz mit
Neptun bedingt
– Klassifikation nach NeptunResonanzen
– Bislang (Mai 2007) 800 entdeckt
– Schätzung liefern bis zu 200 Millionen
Objekte, etwa 35 000 Objekte mit
mehr als 100 km Durchmesser
– Masse etwa 100-fach verglichen mit
Asteroiden-Gürtel
Welt der Planeten
• Meteoriden: Ein Meteorid ist ein kleines Objekt in unserem
Sonnensystem. Es misst von einigen Millimetern bis zu einigen
Meter. Tritt ein Meteorid in die Erdatmosphäre ein, kann es zu
Leuchterscheinungen kommen, dann wird er als Meteor bezeichnet.
Gelangt er bis an die Erdoberfläche nennt man das Objekt Meteorit.
• Meteore / Bolide (Feuerkugel):
– Leuchterscheinungen am Himmel
– allg. Sprachgebrauch: Sternschnuppen
Phasen eines Meteor-Ereignisses
– Mehrmals im Jahr können Meteorschauer wie die Perseiden oder
Leoniden an bestimmten Tagen beobachtet werden. Dabei handelt es
sich um Staub- und Gesteinsreste eines zerbrochenen Kometen, die in
der Luft auf Grund der Reibung verglühen.
• Meteoriten:
– extraterrestrische Fremdkörper, die
durch die Atmosphäre auf die Erdoberfläche gelangt sind
Ybbsitz-Meteorit
Barringer Krater, Arizona
– bestehen häufig aus Eis, Eisen oder Nickel beziehungsweise Silikaten
– Hilfsmittel für die Untersuchung der Entstehung und des Aufbaus von
extraterrestrischen Körpern
Welt der Planeten
• Extrasolare Planeten (1)
– Supererden: schwer wie die Erde, aber
leichter als der Planet Uranus
– Hot Jupiter: Masse entspricht etwa der des
Jupiter oder übersteigt diese
– Derzeit: 228 Planeten gefunden
– Bedingungen für Leben
• Habitable Zonen (bewohnbare Zone)
• Bahnstabilität
• Zeitliche Entwicklung des Zentralsterns (lang
genug, zu heiß/kalt)
• Schwerkraft
• Atmosphäre (Struktur, Zusammensetzung,
Ozonschicht)
• Temperaturbereich: 0 - 100 Grad Celsius
• Existenz von flüssigem Wasser
• Monde - Gezeiten?
• Magnetfeld (Schutz vor kosmischer Strahlung)
Welt der Planeten
•
Extrasolare Planeten (2)
– Intelligentes Leben? Drake Formel:
Arecibo-Radioteleskop: 305 Meter
R* mittlere Sternentstehungsrate pro Jahr in unserer Galaxie
fp Anteil an Sternen mit Planetensystem
ne Anzahl der Planeten in der Ökosphäre
fl Planeten mit Leben
fi Planeten mit intelligentem Leben
fc Interstellare Kommunikation
Botschaft an ausßerirdische Intelligenzen
L Lebensdauer einer technischen Zivilisation
Da die Lebensdauer von Sternen begrenzt ist, ist auch die Lebensdauer
einer Zivilisation im jeweiligen Sonnensystem begrenzt.
•
•
•
Gemäßigtes Modell: Eine Zivilisation in unserer Milchstraße.
Optimistisches Modell: 100 Zivilisationen in unserer Milchstraße, 5000
Lichtjahre mittlerer Abstand zweier sendender Zivilisationen.
Enthusiastisches Modell: 4.000.000 Zivilisationen in unserer Milchstraße,
150 Lichtjahre mittlerer Abstand zweier sendender Zivilisationen.
Objekte im Weltraum
• Welt der Planeten / Planetensystem
Fragen?
Welt der Planeten
Welt der Sterne
• Welt der Sterne (I)
Welt der Sterne
Welt der Sterne
• Was ist ein Stern?
Als Stern (lat. stella, ahd. sterno) wird eine massereiche, selbstleuchtende
Gaskugel bezeichnet.
Sternparameter: M, chem. Zusammensetzung
M
aber: Massenverlust, chem. Reaktionen
X,Y,Z
L
Schwerkraft = Druckkräfte
R
Sternaufbau: P(r), ρ(r), T(r), Ausbildung /
Lage / Ausdehnung von Konvektionszonen
Teff
Sternentwicklung: R(t), L(t), T(t)
auf versch. Zeitskalen: tdyn << ttherm << tnuk
Leuchtkraft L MV
L = A F = 4 π R2 σ Teff4
Temperatur T Spektraltyp/Farbe
A ... Fläche; F ... gesamter Strahlungsstrom an der Sternoberfläche; R … Sternradius;
Teff ... Effektivtemperatur, aufgrund des Stefan-Boltzmannschen Strahlungsgesetz
Welt der Planeten
• Sonne als nächster Stern (1)
• Durchmesser: 1,3914 × 106 km
(109-fache Erddurchmesser)
• Masse: 1,989 × 1030 kg
(333.000-fache Erdmasse)
• Leuchtkraft: 3,846 × 1026 W
• Oberflächentemperatur: 5800 K
• Energiegewinnung: durch
zentrale Wasserstofffusion
• Sterntyp: Gelber Zwerg der Spektralklasse G2V
• Auswirkungen auf die Erde:
Schematischer Aufbau
– 99,98 % Energiebeitrag zum Erdklima (Rest: geothermale
Energie)
– Gezeiten gehen zu einem Drittel auf die Schwerkraft der Sonne
zurück
Welt der Planeten
• Sonne als nächster Stern (2)
• Sonnenaktivität: Sonnenflecken, Protuberanzen, Flares, CMEs,
Sonnenwind
• Interaktion mit Erdmagnetosphäre / Erdatmoshäre:
Polarlichter
NASA: Polarlicht vom Space Shuttle aus
NASA&ESA/SOHO: MDI Continuum
NASA&ESA/SOHO: 284 nm (EUV); APOD 2007 December 3
• IYA2009-Aktion „Solarscopes für Schulen“:
http://www.uni-graz.at/igam-sophy/solarscope/solarscope.htm
Welt der Sterne
• Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) (1)
– Zwergsterne / Sonnenähnliche Sterne / Rote Riesen /
Massereiche Sterne (z.B. LBV für Luminous Blue Variables) / ...
Welt der Sterne
• Braune Zwerge
– kompaktes astronomisches
Objekt, mit einer Masse zwischen
13 und 75 Jupitermassen
– massereicher als planetare
Gasriesen und masseärmer als
stellare Rote Zwerge
– > 13 Jupitermassen:
Deuteriumfusion
– > 65 Jupitermassen:
Lithiumfusion bei 2 Mio. Kelvin
– < 13 Jupitermassen:
Planeten / Hot Jupiter
Welt der Sterne
• Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) (2)
– Sternentwicklung vorrangig durch Masse des Sterns bestimmt
nach Gautschy (2001): HRD
Welt der Sterne
• Sternentstehung (1) / Sternentstehungsgebiete
– Interstellare Wolken (Bsp.: Orionnebel): höhere Dichten und
geringere Temperaturen; Fragmentation
– Globulen: Dichtere Region innerhalb von HII-Regionen, M~10-20
M, R~0.1-2pc, etwa 105 Globulen in unserer Milchstraße
HST: Orion-Nebel M42
HST (2002): Globulen in IC2944
Welt der Sterne
• Sternentstehung (2)
– Herbig Haro Objekte / Stellare Jets
• Stellare Winde und Aktivität von jungen
Sternen
• Jets entlang der Rotationsachse, v~100
km/s, Kollimation (Fokussierung):
Mechanismus durch WW von
zirkumstellarer Scheibe, Rotation und
Magnetfeldern, Details nahe am Stern
ungeklärt
• Keine kontinuierliche Abströmung im Jet,
gleichzeitige Akkretion in der Äquatorebene
HST: HH111
HST: HH47
Welt der Sterne
• Sternentstehung (3)
– Protostellare Scheiben / Proplyds
• Kollaps mit Drehimpuls führt
unweigerlich zur Bildung einer Scheibe
• Akkretion von Material auf den
Zentralkörper
• Wachstum von Staubteilchen zu sog.
Planetesimalen, Wachstum der
Planetenkerne
• Gasakkretion führt zu jupiter-artigen
Gasplaneten, MPlanet ≥11ME
HST: Proplyds im Orion-Nebel
HST: Stellare Scheiben im Orion-Nebel
Protostellare Scheibe, schematisch
HST: HH30, Protostellare Scheibe mit Jet
Welt der Sterne
• Sternentstehung (4)
– HII-Regionen: Interstellare Wolken mit jungen, heißen, blauen
Sterne die den Nebel ionisieren
– Offene Sternhaufen: alle Sterne besitzen ein ähnliches Alter;
gemeinsam vor kurzer Zeit aus interstellarer Wolke entstanden;
lösen sie sich meistens mit der Zeit auf
KPNO: M33 in Hα
NOAO: M7
nach Sandage 1957: Altersbestimmung der
Sternhaufen durch Sternentwicklung
(Abknickpunkt)
Welt der Sterne
• Endstadien (1)
– Supernovae: Explodierende Sterne
Sterne mit 8..20 M: Roter Riese Supernova Neutronenstern oder
Schwarzes Loch
– Supernovaüberreste:
Abgeschleuderte Sternhülle
Brennzonen massereicher Sterne
HST: NGC 4526 & SN 1994D
ESO/VLT: N70 in LMC
Welt der Sterne
• Endstadien (2)
– Planetarische Nebel: Allmählich abgestoßene Sternhülle wird
vom Zentralobjekt zum Leuchten angeregt
• Sterne mit 1..8 M: Roter Riese (AGB) Planetarischer
Nebel Weißer Zwerg
GALEX: Massenverlust von Mira (Roter Riese; 1,2 Sonnenmassen)
IAC: IC 1295
HST: NGC 2818
Zwei-Wind Modell
Langsamer Wind-Halo
des früheren Roten Riesen
~10 km/s
Schneller Wind
Äußere
Stoßwelle
~ 2000 km/s
ZentralStern
Heiße
Windblase
Expandierende
PN-Schale ~25 km/s
Innere Stoßwelle
Kwok, 1982
Kahn & West, 1985
Welt der Sterne
• Endstadien (3) / exotische Objekte
– Weiße Zwerge: „auskühlende Sternkerne“
• Masse: ≤ 1,44 M
• Radius: ~ 0,013 R = 9 000 km
• Oberflächentemperatur: 4 000 bis 60 000 K
• Zentraldichte: ~ 15 t pro cm3
HST: Weiße Zwerge im Kugelsternhaufen M4
Welt der Sterne
• Endstadien (4) / exotische Objekte
– Neutronensterne: „entartete Sterne“
• Masse: 0,4 bis ~ 4 M
• Radius: wenige 10 km
• Dichte: 107 bis 1010 t pro cm3
• Starke Magnetfelder (Magnetare, Pulsare)
HST: Pulsar in M1 (Krebsnebel)
• Millisekunden-Pulsare
Abschätzung über Drehimpulserhaltung (Punktmasse im Abstand r):
Masse bleibt ungefähr konstant
Rotationsdauer der Sonne: 25,38 Tage = 91368 Sekungen
Radius der Sonne: 695700 km
typischer Radius eines Neutronensterns: 20 km
Welt der Sterne
• Endstadien (5) / exotische Objekte
– Schwarze Löcher
Art
Masse
Größe
• Masse: > 3 M
Supermassereiches SL
~10.000–109 MSonne
~0,001–10 AE
• Radius: wenige km
• Dichte: Singularität
Mittelschweres SL
~1000 MSonne
~103 km = RErde
Stellares SL
~10 MSonne
~30 km
Primordiales SL
bis zu ~MMond
bis zu ~0,1 mm
• Hineinstürzende Materie ist für immer verloren
• Schwarzschildradius (Ereignishorizont):
Abschätzung (nichtrelativistisch):
Kinetische Energie = potentielle Energie
F
Fluchtgeschw.
= Lichtgeschwindigkeit
HST: Schwarzes Loch im Zentrum
der Galaxie NGC 4261
(2,9 km für 1 M)
• Eigenschaften: Masse, Drehimpuls, elektrische Ladung
• „Spagettisierung“ durch „steilen Potentialtopf“
Welt der Sterne
• Gamma Ray Bursts (GRBs)
– Gammablitze; verlöschen innerhalb weniger Sekunden
– GRBs sind großräumig im gesamten Kosmos verteilt, extragalaktischen
Ursprungs und finden in Galaxien statt
– GRBs haben meistens eine Rotverschiebung >1
– Derzeitige Erklärung:
• Core-Collapse Supernova (Hypernova): Der Gravitationskollaps des
Vorläufersterns, eines Kollapsars, mündet dabei direkt in der Bildung eines
rotierenden stellaren Schwarzen Loches.
• Neutronensternkollisionen für kurze Gammablitze
HST: GRB000301c
Welt der Sterne
• Materiekreislauf
Welt der Sterne
• Welt der Sterne (I)
Welt der Sterne
Fragen?
Objekte im Weltraum
• Welt der Galaxien (I)
Welt der Galaxien
Welt der Galaxien
• Was ist eine Galaxie?
Bezeichnet eine gravitativ gebundene große Ansammlung von Materie
wie Sternen und Planetensystemen, Gasnebeln, Staubwolken und
sonstigen Objekten.
– Beispiel: Milchstraße
•
•
•
•
Interstellare Wolken / Gas / Staub
Sterne / Sternhaufen
Planeten / Monde / Kleinkörper
Elektromagnetische Strahlung /
Teilchenstrahlung
Tony Hallas: APOD 2008 January 24; Andromeda-Galaxie
Larry Landolfi: APOD 2007 October 20; Molchstraße
Welt der Galaxien
• Galaxienklassifikation
•
•
•
•
Spiralgalaxien / Balkenspiralgalaxien
Elliptische Galaxien
Irreguläre Galaxien
Zwerggalaxien
Welt der Galaxien
• Galaxienaufbau
– Elliptische Galaxien: Kern / Hülle
– Spiralgalaxien: bulge / Spiralarme und Staub
– Zusammen besitzen sie einen Halo aus dunkler Materie
HST: (Balken-)Spiralgalaxie NGC 1300
HST: Elliptische Galaxie NGC 1316
Welt der Galaxien
• Kugelsternhaufen: um jede Galaxie, älteste Objekte
– 147 Kugelsternhaufen in unserer Milchstrasse
– Befinden sich im Galaxienhalo
– 104 bis 106 Sterne
Verteilung der Kugelsternhaufen um unsere Galaxis
HST: M80
Welt der Galaxien
• Wechselwirkende Galaxien
– Verformungen („Warps“, etc.) / Gezeitenarme
HST/M51
HST: Cartwheel Galaxy
HST: Stephan's Quintett
Welt der Galaxien
• Aktive Galaxien
– AGN / Seyfert Galaxien
– Starburst Galaxien
– Quasare
Subaru/M82
HST: NGC 7742
Chandra: 3C273
Welt der Galaxien
• Galaxienhaufen und Voids
– Galaxienhaufen: dutzende bis
tausende Mitglieder, gravitativ
gebundenes heißes Gas (z.B. Lokale
Gruppe, Virgo Haufen)
– Superhaufen: Ansammlungen von
Galaxienhaufen sind auf Skalen von
etwa 100 Mpc zusammengefasst;
größte Strukturen im Universum
– Voids: Große Leerräume mit signifikant
geringer Galaxiendichte
2dF Galaxy Redshift Survey
DSS: Virgo Galaxienhaufen
Welt der Galaxien
• Gravitationslinsen
– Lichtablenkung an massereichen Objekten
Geometrie bei einer Gravitationslinse
HST: CL0024+1654; Abbild einer entfernten Galaxie
VLA: MG1131+0456; Einsteinring
HST: 2237+030; Einsteinkreuz
Welt der Galaxien
• Dunkle Materie
– Neben der leuchtenden Materie existiert noch andere Materie, die
keine Strahlung aussendet => nur indirekter Nachweis möglich:
gravitative Wechselwirkung
– Auch wenn man normale nicht leuchtende Materie mitberücksichtigt
bleibt ein überwiegender Teil der Materie unbekannter Natur!
– Hinweise auf ihre Existenz
• Bewegung von Kugelsternhaufen im Halo
von Galaxien
• Rotationskurven von Spiralgalaxien
( Interaktives Modell)
• Gravitationslinsen erlauben eine direkte
Messung der gravitativen Masse
HST/NASA: Riess et al 2001
• Dunkle Materie in Galaxienhaufen als gravitative Masse notwenig, da
Galaxien zu hohe Geschwindigkeiten aufweisen
• Dunkle Energie
– Beschleunigte Expansion des Universums
– Untersuchung: Galaxienhaufenverteilung, entfernte Supernovae
Welt der Galaxien
• Entwicklung des Universums
– Urknall vor 13,7 ± 0,2 Milliarden Jahren
– Hintergrundstrahlung: 380.000 Jahre nach Urknall; Rekombination
setzt ein => Universum wird „durchsichtig“
– Entstehung erster Sterne: ~200 Mio. Jahre nach dem Urknall
– Entstehung erster Galaxien: bereits < 1 Mrd. Jahre nach dem Urknall
• Aus Galaxienbausteinen / Protogalaxien
nach Univ. Chicago
WMAP-Team: 2003
HST: Galaxien im frühen Universum
Welt der Galaxien
• Das Ende des Universums
– Voraussetzung: Expansion setzt sich beschleunigt fort
– Mittlere Dichte nimmt im Lauf der Zeit ab, Sternentstehung endet,
keine Galaxienwechselwirkungen mehr
– Alter > 1015 Jahre: Verlöschen der Weißen Zwerge, eventuell
Bildung von Schwarzen Löchern
– Alter > 1070 Jahre: Zerstrahlen der Schwarzen Löcher durch die
Hawking-Strahlung
– Alter > 10120 Jahre: keine Aktivität, keine Photonen, sog. Dunkle
Ära des Universums
Time-Magazine: June 2001
Objekte im Weltraum
• Welt der Galaxien (I)
Fragen?
Welt der Galaxien
Reise von der Erde bis …
• Materialien finden Sie ...
– eLearning-Materialien: PDFs (Planeten), JavaApplets
(Sonnensystem), etc.
http://www.cosmosportal.eu
– PPT-Präsentation als PDF-Dokument:
http://www.univie.ac.at/astroid/astroseminar20090227.pdf
• Kontakt: [email protected]
• Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit