Sterne und Weltraum
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Sterne und Weltraum Herausgeber Wilhelm Raith Autoren Hans Joachim Blome, Johannes Feitzinger, Josef Hoell, Wolfgang Priester, Helmut Scheffler, Fridtjof Speer W Walter de Gruyter DE G Berlin-New York 1997 Inhalt 1 Extraterrestrische Observatorien Fridtjof A.Speer 1 1.1 Einleitung 1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 Das Hubble-Teleskop Der Primärspiegel Das Stabilisierungssystem Die Instrumente Der optische Fehler Space Telescope Science Institute 6 11 13 14 18 22 1.3 Das Compton-Observatorium 23 1.4 1.4.1 1.4.2 Observatorien im Röntgenbereich Das Einstein-Observatorium Das große Röntgen-Observatorium AXAF 29 29 41 1.5 1.5.1 1.5.2 Observatorien im infraroten Spektralbereich Infrared Astronomical Satellite Space Infrared Telescope Facility 45 45 47 1.6 Observatorien der Zukunft 50 1.7 Fundamentale Fragen der Astrophysik 52 2 Sterne und interstellare Materie Helmut Scheffler 59 2.1 Einleitung 59 2.2 2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.2.4 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 Die Sternform der Materie Die Sonne, der nächste Stern Radius, Masse, Rotation Die Strahlung der Sonne Leuchtkraft und effektive Temperatur Fraunhofer-Linien und qualitative Analyse Phänomene der Sonnenatmosphäre Feinstruktur der Photosphäre Chromosphäre und Korona, Sonnenwind Solare Radiofrequenzstrahlung Sonnenaktivität und Magnetfelder Zustandsgrößen der Sterne Spektren und Spektralklassifikation Strahlungsstrom, Radius und effektive Temperatur Sternhelligkeiten und Leuchtkräfte 65 65 65 66 69 70 71 71 72 76 78 81 81 83 86 X Inhalt 2.2.3.4 2.2.3.5 2.2.4 2.2.4.1 2.2.4.2 2.2.4.3 2.2.4.4 2.2.5 2.2.5.1 2.2.5.2 2.2.5.3 2.2.5.4 2.2.6 2.2.6.1 2.2.6.2 2.2.6.3 2.2.6.4 2.2.6.5 Das Hertzsprung-Russell-Diagramm Sternmassen, Masse-Leuchtkraft-Beziehung, Rotation Physik der Sternatmosphären Quantitative Analyse von Sternspektren Modelle von Sternatmosphären Halbempirisches Modell der Sonnenatmosphäre Konvektionszone und Heizung der Sonnenkorona Innerer Aufbau und Entwicklung der Sterne Der Gleichgewichtszustand eines Sternes Energiequellen und Energiegleichgewicht Sternmodelle und Sternentwicklung Späte Entwicklungsphasen und Endstadien Veränderliche Sterne und andere Sondertypen Pulsierende Veränderliche Kataklysmische Veränderliche Supernovae und ihre Überreste Of-Sterne, Wolf-Rayet-Sterne und Planetarische Nebel Sterne in frühen Entwicklungsphasen 88 92 94 95 99 101 102 103 104 107 111 115 116 118 120 123 126 128 2.3 2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.1.3 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3 2.3.2.4 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2 2.3.3.3 2.3.4 2.3.4.1 2.3.4.2 2.3.4.3 Interstellare Materie Interstellarer Staub Interstellare Extinktion Streulicht und Wärmestrahlung von den Staubteilchen Interstellare Polarisation und galaktisches Magnetfeld Diffuse Wolken interstellaren Gases Interstellare Absorptionslinien in Sternspektren Die 21 cm-Linie des atomaren Wasserstoffs Modell des allgemein verbreiteten Mediums Kontinuierliche Radiofrequenzstrahlung und hochenergetische Teilchen HII-Regionen Diffuse Emissionsnebel Interpretation der optischen Beobachtungen Radioemission von HII-Regionen ; Molekülwolken und Sternentstehung Interstellare Moleküle Zustand der Molekülwolken Sternentstehung 130 130 130 135 136 138 138 141 144 146 148 148 150 153 157 157 159 160 2.4 Ausblick 164 3 Galaxien Johannes V. Feitzinger 173 3.1 3.1.1 3.1.2 Galaxien und Astrophysik Grundparameter der Galaxien Galaxienkataloge und Auswahleffekte 173 174 176 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.2.4 Klassifikation der Galaxien Normale Galaxien Zwerggalaxien Wechselwirkende Galaxien Dynamische Reibung und verschmelzende Galaxien Sondertypen 178 179 185 186 188 190 Inhalt XI 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 Der Aufbau der Galaxien . . Galaxiendurchmesser und Elliptizität Farben und Leuchtkräfte Interstellare Materie Massen Sternpopulationen Die physikalische Bedeutung der Galaxienklassifikation 192 192 195 201 205 208 211 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.3.1 3.4.4 3.4.5 Dynamik von Galaxien Einfache Potentiale und Kraftgesetze Sternbahnen Elliptische Systeme Balkenstrukturen Scheibengalaxien Dunkle Materie 217 218 222 226 229 231 242 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.2.1 3.5.2.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 Strukturbildung in Galaxien Energiegleichgewichte Spiralstruktur Dichtewellentheorie Stochastische Sternentstehung und Spiralstruktur Stern- und Gasdynamik in Balkensystemen Chemische Entwicklung in Galaxien Magnetfelder in Galaxien 245 246 250 252 256 261 264 267 3.6 3.6.1 3.6.2 Entfernungsbestimmung von Galaxien Die weite und die kurze kosmische Entfernungsskala Die Hubble-Konstante 271 274 276 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.7.4 Aktive Galaxien und Quasare Typenbeschreibungen und verallgemeinerte Klassifikation Jets Ursachen der Aktivität: Die zentrale Maschine Gravitationslinsen 279 280 283 285 289 3.8 3.8.1 3.8.2 3.8.3 3.8.4 3.8.5 Galaxien als Bausteine des Kosmos Morphologische Eigenschaften der Galaxienhaufen Dichteprofil, Größe, Masse Kühlströme Superhaufen und Leerräume Die Stetigkeit der kosmischen Expansion 291 292 294 297 299 30] 4 Kosmologie Hans Joachim Blome, Josef Hoell, Wolf gang Priester 311 4.1 Einleitung 311 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 Beobachtungsergebnisse Die Hubble-Beziehung Die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Die Dichte der leuchtenden Materie Die heutige mittlere baryonische Dichte Das Alter der Galaxis Die großräumige Struktur des Universums 313 313 317 320 323 328 330 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.5.1 4.3.5.2 4.3.5.3 4.3.6 4.3.6.1 4.3.6.2 4.3.6.3 4.3.7 4.3.8 4.3.9 4.3.10 Kosmologische Modelle Grundbegriffe der relativistischen Kosmologie Grundannahmen kosmologischer Modelle Die Grundgleichungen Der Strahlungskosmos Der Materiekosmos Das Standardmodell (A = 0) Friedmann-Lemaitre-Modelle Entfernungen im Kosmos Beobachtungsrelationen Die m(z)-Relation Die a(z)-Relation Zählungen Klassifizierung der kosmologischen Modelle Entwicklungsweg der kosmologischen Modelle Quasar-Spektren als Test für kosmologische Modelle Das Alter der Quasare 331 331 336 338 341 344 344 351 355 361 361 362 363 364 370 373 380 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6 4.4.7 Grenzen und Probleme der Kosmologie Anfangssingularität des kosmologischen Modells Kausalität und Horizonte im expandierenden Kosmos Isotropie und Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Homogenität und Entstehung der Galaxien Zur euklidischen Metrik des Weltraums Das Materie-Antimaterie-Problem Die kosmologische Konstante und das Quantenvakuum 382 382 385 385 386 387 388 388 4.5 Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung im Kosmos 392 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.6.7 4.6.8 4.6.9 Modell der kosmischen Entwicklung Quantenkosmos zur Planck-Zeit Inflationäre Expansion Der Zerfall des X-Bosons und das Problem der Antimaterie Hadronenära Leptonenära Elementsynthese im frühen Kosmos Rekombination des Plasmauniversums Galaxienentstehung Anthropisches Prinzip 394 394 396 399 400 400 402 404 405 408 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 Alternative Lösungen zur Urknallsingularität Das Problem der kosmischen Singularität Big Bounce. Die de-Sitter-Lösung als Modell für den frühen Kosmos Quantenkosmologie 410 410 411 420 Bildanhang Zahlenwerte und Tabellen Register 429 437 443
