Der neue Kosmos
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Albrecht Unsöld Bodo Baschek Der neue Kosmos I VII Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 1 1. Klassische Astronomie und das Planetensystem Sterne und Menschen: Beobachten und Denken Historische Einleitung in die klassische Astronomie 2. Klassische Astronomie 6 6 2.1 Koordinaten und Zeit: 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 Bewegungen von Sonne, Erde und Mond Die Himmelskugel. Astronomische Koordinatensysteme Die Bewegungen der Erde. Jahreszeiten und Tierkreis Die Zeit: Tag, Jahr und Kalender Der Mond Mond- und Sonnenfinsternisse 10 10 12 15 17 19 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Bahnbewegungen und Entfernungen im Planetensystem . Planetenbewegungen und Bahnelemente Kometen und Meteore Entfernungsbestimmungen, Dopplereffekt und Aberration ... 20 21 23 26 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 Mechanik und Gravitationstheorie Newtonsche Gesetze Impuls- oder Schwerpunktsatz Drehimpuls- oder Flächensatz Energiesatz Virialsatz Gravitationsgesetz. Gravitationsenergie 28 28 29 30 31 31 32 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 Himmelsmechanik Erstes und zweites Keplergesetz: Planetenbahnen Drittes Keplergesetz: Massenbestimmung Energiesatz und Entweichgeschwindigkeit Rotation und Trägheitsmoment Präzession Gezeiten Ptolemäisches und kopernikanisches Weltsystem 34 34 34 35 36 36 37 38 2.5 2.5.1 Weltraumforschung Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge Astronomische Beobachtungen vom Weltraum aus Erkundung des Mondes Raumfahrtmissionen im Planetensystem 39 2.5.2 2.5.3 2.5.4 39 40 42 43 I VII Inhaltsverzeichnis 1. Einführung 1 1. Klassische Astronomie und das Planetensystem 6 Sterne und Menschen: Beobachten und Denken Historische Einleitung in die klassische Astronomie 2. Klassische Astronomie 6 2.1 Koordinaten und Zeit: 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 Bewegungen von Sonne, Erde und Mond Die Himmelskugel. Astronomische Koordinatensysteme Die Bewegungen der Erde. Jahreszeiten und Tierkreis Die Zeit: Tag, Jahr und Kalender Der Mond Mond- und Sonnenfinsternisse 10 10 12 15 17 19 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Bahnbewegungen und Entfernungen im Planetensystem . Planetenbewegungen und Bahnelemente Kometen und Meteore Entfernungsbestimmungen, Dopplereffekt und Aberration ... 20 21 23 26 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 Mechanik und Gravitationstheorie Newtonsche Gesetze Impuls- oder Schwerpunktsatz Drehimpuls- oder Flächensatz Energiesatz Virialsatz Gravitationsgesetz. Gravitationsenergie 28 28 29 30 31 31 32 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 Himmelsmechanik Erstes und zweites Keplergesetz: Planetenbahnen Drittes Keplergesetz: Massenbestimmung Energiesatz und Entweichgeschwindigkeit Rotation und Trägheitsmoment Präzession Gezeiten Ptolemäisches und kopernikanisches Weltsystem 34 34 34 35 36 36 37 38 2.5 2.5.1 Weltraumforschung Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge Astronomische Beobachtungen vom Weltraum aus Erkundung des Mondes Raumfahrtmissionen im Planetensystem 39 2.5.2 2.5.3 2.5.4 39 40 42 43 VIII I 3. Physikalische Beschaffenheit der Körper im Planetensystem 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.4 Globale Eigenschaften der Planeten und Satelliten 47 Möglichkeiten zur Erforschung der Planeten und Satelliten .. 47 Globaler Energiehaushalt der Planeten 48 innerer Aufbau und Stabilität 49 Aufbau der Planetenatmosphären 51 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 Erde, Mond und erdähnliche Planeten Innerer Aufbau der erdähnlichen Planeten Radioaktive Altersbestimmungen. Erdgeschichte Magnetfelder. Plattentektonik Mondoberfläche Oberflächen der erdähnlichen Planeten Atmosphären der erdähnlichen Planeten 53 53 54 55 58 61 68 3.3 3.3.1 3.3.2 Planetoiden oder kleine Planeten (Asteroiden) Bahnen der Planetoiden Eigenschaften der Planetoiden 71 71 72 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 Die großen Planeten Jupiter Saturn Uranus Neptun 74 74 79 83 84 3.5 3.5.1 3.5.2 Pluto und transneptunische Objekte Pluto und Charon Transneptunische Objekte 87 87 88 3.6 3.6.1 3.6.2 Kometen Struktur, Spektren und chemische Zusammensetzung Entwicklung der Kometen 88 89 91 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 Meteore und Meteorite Meteorite und Einschlagkrater Meteore in der Erdatmosphäre Eigenschaften und Herkunft der Meteorite 91 91 92 92 3.8 Interplanetare Materie 96 3 1 3 II. Strahlung, Instrumente und Beobachtungsverfahren 100 Entwicklung astronomischer Beobachtungsverfahren Historische Einführung in die Erschließung des elektromagnetischen Spektrums 4. Strahlung und Materie 100 4.1 Elektromagnetische Strahlung 103 4.2 4.2.1 4.2.2 Spezielle Relativitätstheorie Lorentztransformation. Dopplereffekt Relativistische Mechanik 104 105 105 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 Strahlungstheorie Phänomenologische Strahlungsgrößen Emission und Absorption. Strahlungstransportgleichung Thermodynamisches Gleichgewicht und Hohlraumstrahlung 106 106 109 111 IX 5. Astronomische und astrophysikalische Instrumente 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 Materie im thermodynamischen Gleichgewicht Boltzmann-Statistik Geschwindigkeitsverteilung Thermische Anregung Thermische Ionisation Massenwirkungsgesetz 113 113 114 114 114 115 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Freie Weglänge Wirkungsquerschnitt und Reaktionsrate Stoß- und Strahlungsprozesse: Kinetische Gleichungen Atomare Elementarprozesse Extinktions-und Emissionskoeffizienten Energiereiche Photonen und Teilchen 116 116 116 117 118 121 122 5.1 5.1.1 5.1.2 Teleskope und Detektoren im Optischen und Ultraviolett . 125 Teleskope herkömmlicher Art 125 Auflösungsvermögen und Lichtstärke. Optische Interferometer 130 Adaptive und aktive Optik. Großteleskope 133 Optische Detektoren 138 Spektrographen 140 Weltraumteleskope 144 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 Teleskope und Detektoren für den Radio- und Infrarotbereich 145 Radioteleskope 146 Empfänger und Spektrometer für den Radiofrequenzbereich . 151 Beobachtungsverfahren im Infrarot 153 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 Instrumente der Hochenergieastronomie Teilchendetektoren Teleskope für die Kosmische Strahlung Gammastrahlenteleskope 155 155 157 158 5.4 Instrumente im Röntgenbereich und extremen Ultraviolett Detektoren und Spektrometer im Röntgenbereich Teleskope und Satelliten im Röntgenbereich Teleskope für das extreme Ultraviolett 160 161 161 163 5.4.1 5.4.2 5.4.3 III.Sonne und Sterne: Astrophysik des einzelnen Sterns 166 Astronomie + Physik = Astrophysik Historische Einleitung 6. Entfernungen und Zustandsgrößen der Sterne 166 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 Die Sonne Photosphärisches Spektrum. Mitte-Rand-Variation Energieverteilung Leuchtkraft und Effektivtemperatur 171 172 173 173 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.5.6 6.5.7 7. Spektren und Atmosphären der Sterne Entfernungen und Geschwindigkeiten der Sterne 175 Trigonometrische Parallaxe 175 Radialgeschwindigkeit und Eigenbewegung 176 Stromparallaxe 176 Sternpositionen und Kataloge 177 Helligkeiten, Farben und Radien der Sterne 178 Scheinbare Helligkeit 178 Farbindex und Energieverteilung 179 Absolute Helligkeit 182 Bolometrische Helligkeit und Leuchtkraft 183 Sternradien 183 Klassifikation der Sternspektren. Hertzsprung-Russell-Diagramm 184 Spektraltyp 185 Hertzsprung-Russell-Diagramm. Leuchtkraftklasse 185 MK-Klassifikation 187 Zweifarbendiagramm 189 Rotation der Sterne 190 Doppelsterne und die Massen der Sterne 190 Visuelle Doppelsterne 191 Spektroskopische Doppelsterne. Bedeckungsveränderliche .. 191 Perioden und Rotation 192 Massen der Sterne 193 Enge Doppelsternsysteme 194 Pulsare in Doppelsternsystemen 195 Begleiter mit substellaren Massen: Braune Zwerge und Exoplaneten 197 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 Spektren und Atome Grundbegriffe der Atomspektroskopie Anregung und Ionisation Linienabsorptionskoeffizient Verbreiterung der Spektrallinien Bemerkungen zur Molekülspektroskopie 200 200 203 206 207 209 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 7.3 Physik der Sternatmosphären Aufbau der Sternatmosphären Absorptionskoeffizienten in Sternatmosphären Modellatmosphären. Spektrale Energieverteilung Strahlungstransport in den Fraunhoferlinien Wachstumskurve Quantitative Analyse der Sternspektren Elementhäufigkeiten in der Sonne und den Sternen Die Sonne: Chromosphäre und Korona. Strömungen, Magnetfelder und Aktivität Granulation und Konvektion Magnetfelder und Magnetohydrodynamik 210 210 213 215 217 219 220 221 7.3.1 7.3.2 224 225 226 XI 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.3.8 Sonnenflecke und Aktivitätszyklus. Magnetische Flußröhren Chromosphäre und Korona Protuberanzen Sonneneruptionen oder Flares Sonnenwind Oszillationen: Helioseismologie 7.4 Veränderliche Sterne. Strömungen, Magnetfelder und Aktivität bei Sternen 250 Pulsierende Sterne. R Coronae Borealis-Sterne 251 Magnetische oder Spektrum-Veränderliche. Ap-Sterne und Metalliniensterne 254 Aktivität, Chromosphären und Koronen bei kühlen Sternen .. 255 Koronen, Sternwinde und Variabilität bei heißen Sternen 259 Kataklysmische Veränderliche: Novae und Zwergnovae 261 Röntgendoppelsterne: Akkretion auf Neutronensterne 263 Supernovae und Pulsare 267 Stellare Gammaquellen 275 Gammaburster 276 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.4.6 7.4.7 7.4.8 7.4.9 8. Aufbau und Entwicklung der Sterne 8.1 8.1.1 228 232 238 240 243 247 280 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 Grundgleichungen des Sternaufbaus Hydrostatisches Gleichgewicht und Zustandsgieichung der Materie Temperaturverteilung und Energietransport Energieerzeugung durch Kernreaktionen Gravitationsenergie und thermische Energie Stabilität der Sterne Grundgleichungssystem und allgemeine Folgerungen 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 8.2.7 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 Entwicklung der Sterne Hauptreihensterne: Zentrales Wasserstoffbrennen Aufbau der Sonne. Solare Neutrinos Vom Wasserstoff- zum Heliumbrennen Spätphasen der Sternentwicklung Nukleosynthese in Sternen Enge Doppelsternsysteme Physik der Akkretionsscheiben Endstadien der Sternentwicklung Braune Zwerge Zustandsgieichung elektronenentarteter Materie Aufbau der Weißen Zwerge Neutronensterne 290 291 292 295 297 302 305 307 309 309 310 311 312 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 Starke Gravitationsfelder Allgemeine Relativitätstheorie Kugelsymmetrische Felder im Vakuum Lichtablenkung und Gravitationslinsen Schwarze Löcher Gravitationswellen 313 314 315 316 319 319 280 281 282 286 288 289 Inhaltsverzeichnis XII IV. Sternsysteme. Kosmologie und Kosmogonie 322 Der Vorstoß ins Weltall Historische Einleitung in die Astronomie des 20. Jahrhunderts 9. Sternhaufen 10. Interstellare Materie und Sternentstehung 11. Aufbau und Dynamik des Milchstraßensystems 322 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 Offene Sternhaufen und Sternassoziationen Offene (galaktische) Sternhaufen Sternassoziationen Farben-Helligkeits-Diagramme und Alter offener Haufen .... 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 Kugelsternhaufen 332 Kugelhaufen in der Milchstraße 332 Metallhäufigkeit und Zweifarbendiagramm 333 Farben-Helligkeits-Diagramme und Alter der Kugelhaufen .. 334 Kugelhaufen in anderen Galaxien 337 10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4 10.1.5 Interstellarer Staub Dunkelwolken Interstellare Extinktion und Verfärbung Polarisation von Sternlicht durch interstellaren Staub Eigenschaften der Staubkörner Diffuse interstellare Absorptionsbänder 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 Neutrales interstellares Gas 345 Atomare interstellare Absorptionslinien 345 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs. HI-Wolken .... 347 Interstellare Moleküllinien. Molekülwolken 349 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 Ionisiertes Gas: Leuchtende Gasnebel H II-Regionen Planetarische Nebel Supernovaüberreste Heißes interstellares Gas 352 352 356 358 364 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 Hochenergetische Komponenten Interstellare Magnetfelder Kosmische Strahlung Galaktische Gammastrahlung 365 365 366 371 10.5 10.5.1 10.5.2 10.5.3 10.5.4 10.5.5 10.5.6 Frühe Entwicklung und Entstehung der Sterne Vor-Hauptreihensterne Sternentstehungsgebiete Gravitationsinstabilität und Fragmentation Entwicklung der Protosterne Strömungen in der Umgebung der Protosterne Stellarstatistik und Geburtsraten der Sterne 374 375 377 379 380 382 385 11.1 Sterne und der Bau der Milchstraße l l . l . l Galaktische Koordinaten 11.1.2 Sternzählungen 328 328 329 329 339 340 340 342 342 344 389 389 389 Inhaltsverzeichnis 12. Galaxien und Galaxienhaufen 11.1.3 Raumgeschwindigkeiten der Sterne 11.1.4 Sternhaufen: Entfernungsbestimmung und Bau der Milchstraße 390 391 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.2.6 Dynamik und Verteilung der Materie Rotation der galaktischen Scheibe Verteilung der interstellaren Materie Galaktische Bahnen der Sterne. Lokale Massendichte Massenverteilung in der Milchstraße Dynamik der Spiralarme Populationen und Elementhäufigkeiten 393 394 396 400 401 403 404 11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 Zentralbereich der Milchstraße Galaktischer Bulge (R < 3 kpc) Kernbereich des galaktischen Bulge (R < 300 pc) Zirkumnukleare Scheibe und Minispirale (R < 10 pc) Innerster Bereich (R< 1 pc) mit Sgr A* 408 408 409 411 412 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.1.4 12.1.5 12.1.6 12.1.7 Normale Galaxien Entfernungsbestimmung Klassifikation und absolute Helligkeiten Leuchtkraftfunktion Helligkeitsprofil und Durchmesser Dynamik und Massen Sternpopulationen und Elementhäufigkeiten Gas- und Staubverteilung 415 415 418 422 423 425 429 432 12.2 Infrarot- und Starburst-Galaxien 12.2.1 Infrarotgalaxien 12.2.2 Starburst-Aktivität 436 436 438 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.6 439 439 442 443 447 455 457 Radiogalaxien, Quasare und Aktivität in Galaxienkernen Synchrotronstrahlung Nichtthermische Radiostrahlung normaler Galaxien Radiogalaxien Quasare (Quasistellare Objekte) Seyfert-Galaxien Aktivität in Galaxienkernen 12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 Haufen und Superhaufen von Galaxien Lokale Gruppe Klassifikation und Massen der Galaxienhaufen Gas in Galaxienhaufen Wechselwirkung der Galaxien. Entwicklung der Galaxienhaufen 12.4.5 Superhaufen von Galaxien 461 461 462 464 466 467 12.5 Entstehung und Entwicklung der Galaxien 12.5.1 Entstehung der Galaxien und Galaxienhaufen 12.5.2 Intergalaktisches Medium und Lyman a-Systeme 469 470 473 Inhaltsverzeichnis XIV 13. Kosmologie: Der Kosmos als Ganzes 14. Kosmogonie des Sonnensystems Anhang 12.5.3 Wechselwirkende Galaxien 12.5.4 Entwicklung der Galaxien 12.5.5 Galaxien im frühen Universum 474 476 481 13.1 13.1.1 13.1.2 13.1.3 13.1.4 Weltmodelle Fluchtbewegung der Galaxien Newtonsche Kosmologie Relativistische Kosmologie Materiekosmos 484 484 485 487 490 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.2.4 13.2.5 13.2.6 Strahlung und Beobachtung. Elemententstehung im Kosmos Ausbreitung von Strahlung Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Strahlungskosmos Elemententstehung im Kosmos Beobachtete Parameter des heutigen Kosmos Olbers-Paradox 491 491 493 496 497 498 502 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.4 13.3.5 Evolution des Kosmos Planckzeit Fundamentale Teilchen und Wechselwirkungen Entwicklung des Kosmos nach dem Standardmodell Inflationärer Kosmos Andere Kosmologien 502 503 503 505 508 509 14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.1.4 14.1.5 Entstehung der Sonne und des Planetensystems Überblick über das Planetensystem Protoplanetare Scheibe und Entstehung der Planeten Entstehung der Meteorite Entstehung des Erde-Mond-Systems Planetensysteme bei anderen Sternen 511 511 513 515 517 520 14.2 14.2.1 14.2.2 14.2.3 14.2.4 Entwicklung der Erde und des Lebens Entwicklung der Atmosphäre und der Ozeane Molekularbiologische Grundlagen Präbiotische Moleküle Entwicklung der Lebewesen 522 522 523 526 528 A.l Verschiedene Einheiten, Internationales Einheitensystem und Gaußsches System 535 Namen der Sternbilder 539 A.2 Ausgewählte Probleme 541 Literatur und Daten 549 Quellennachweis 557 Sachverzeichnis 563 Physikalische Fundamentalkonstanten (Hintere Einbandinnenseite) Astronomische Konstanten und Einheiten (Hintere Einbandinnenseite)
