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 5 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 DerMond Mond-und Sonnenfinsternisse 10 10 12 15 17 19 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 35 35 36 36 37 38 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 Weltraumforschung Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge Astronomische Beobachtungen vom Weltraum aus Erkundung des Mondes Raumfahrtmissionen im Planetensystem 39 39 40 42 43 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Inhaltsverzeichnis VIII 3. Physikalische Beschaffenheit der Körper im Planetensystem 3.1 Globale Eigenschaften der Planeten und Satelliten 46 3.1.1 Möglichkeiten zur Erforschung der Planeten und Satelliten ... 46 3.1.2 Globaler Energiehaushalt der Planeten 48 innerer Aufbau und Stabilität 48 3 1 3 3.1.4 Aufbau der Planetenatmosphären 50 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 52 52 53 54 58 60 67 3.3 3.3.1 3.3.2 Planetoiden oder kleine Planeten (Asteroiden) Bahnen der Planetoiden Eigenschaften der Planetoiden 70 70 71 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 Die großen Planeten Jupiter Saturn Uranus Neptun 72 72 78 80 83 3.5 3.5.1 3.5.2 Pluto und transneptunische Kleinplaneten Pluto und Charon Transneptunische Kleinplaneten 85 85 86 3.6 3.6.1 3.6.2 Kometen Struktur, Spektren und chemische Zusammensetzung .* Entwicklung der Kometen 87 87 89 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 90 90 90 91 3.8 Interplanetare Materie 94 II. Strahlung, Instrumente und Beobachtungsverfahren 97 Entwicklung astronomischer Beobachtungsverfahren Historische Einführung in die Erschließung des elektromagnetischen Spektrums 4. Strahlung und Materie 98 4.1 Elektromagnetische Strahlung 101 4.2 4.2:1 4.2.2 Spezielle Relativitätstheorie Lorentztransformation. Dopplereffekt Relativistische Mechanik 102 103 103 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 Strahlungstheorie Phänomenologische Strahlungsgrößen Emission und Absorption. Strahlungstransportgleichung Thermodynamisches Gleichgewicht und Hohlraumstrahlung . 104 104 107 109 Inhaltsverzeichnis 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 Geschwindigk-eitsverteilung Thermische Anregung Thermische Ionisation Massenwirkungsgesetz 111 111 112 112 112 113 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 113 114 114 115 117 119 120 5.1 5.1.1 5.1.2 Teleskope und Detektoren im Optischen und Ultraviolett . Teleskope herkömmlicher Art :.. Auflösungsvermögen und Lichtstärke. Optische Interferometer Adaptive und aktive Optik. Großteleskope Optische Detektoren Spektrographen Weltraumteleskope 123 123 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.2 128 131 136 138 142 5.2.1 5.2.2 5.2.3 Teleskope und Detektoren für den Radio- und Infrarotbereich Radioteleskope Empfänger und Spektrometer für den Radiofrequenzbereich.. Beobachtungsverfahren im Infrarot 143 144 149 151 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 Instrumente der Hochenergieastronomie Teilchendetektoren Teleskope für die Kosmische Strahlung Gammastrahlenteleskope 153 153 155 156 5.4 Instrumente im Röntgenbereich und extremen Ultraviolett Detektoren und Spektrometer im Röntgenbereich Teleskope und Satelliten im Röntgenbereich Teleskope für das extreme Ultraviolett 5.4.1 5.4.2 5.4.3 III.Sonne und Sterne: Astrophysik des einzelnen Sterns , 158 159 159 161 163 Astronomie + Physik = Astrophysik Historische Einleitung 6. Entfernungen und Zustandsgrößen derSterne 164 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 Die Sonne Photosphärisches Spektrum. Mitte-Rand-Variation Energieverteilung Leuchtkraft und Effektivtemperatur 169 170 171 172 Inhaltsverzeichnis : 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 Entfernungen und Geschwindigkeiten der Sterne Trigonometrische Parallaxe Radialgeschwindigkeit und Eigenbewegung Stromparallaxe... Sternpositionen und Kataloge 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.4 Helligkeiten, Farben und Radien der Sterne 176 Scheinbare Helligkeit 176 Farbindex und Energieverteilung 177 Absolute Helligkeit 180 Bolometrische Helligkeit und Leuchtkraft 181 Sternradien 181 Klassifikation der Sternspektren. Hertzsprung-Russell-Diagramm 182 Spektraltyp 183 Hertzsprung-Russell-Diagramm. Leuchtkraftklasse 183 MK-Klassifikation 185 Zweifarbendiagramm 187 Rotation der Sterne 188 Doppelsterne und die Massen der Sterne 188 Visuelle Doppelsterne 189 Spektroskopische Doppelsterne. Bedeckungsveränderliche ... 190 Perioden und Rotation 190 Massen der Sterne 191 Enge Doppelsternsysteme 192 Pulsare in Doppelsternsystemen 193 Begleiter mit substellaren Massen: Braune Zwerge und Planeten 195 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 derSterne 173 173 174 174 175 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 198 198 201 204 205 207 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 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 208 208 211 213 215 217 218 220 7.3 Die Sonne: Chromosphäre und Korona. Strömungen, Magnetfelder und Aktivität Granulation und Konvektion Magnetfelder und Magnetohydrodynamik 223 223 224 7.3.1 7.3.2 Inhaltsverzeichnis XI 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.3.8 Sonnenflecke und Aktivitätszyklus. Magnetische Flußröhren . 226 Chromosphäre und Korona 230 Protuberanzen 236 Sonneneruptionen oder Flares 238 Sonnenwind 241 Oszillationen: Helioseismologie 245 7.4 Veränderliche Sterne. Strömungen, Magnetfelder und Aktivität bei Sternen Pulsierende Sterne. R Coronae Borealis-Sterne Magnetische oder Spektrum-Veränderliche. Ap-Sterne und Metalliniensterne Aktivität, Chromosphären und Koronen bei kühlen Sternen... Koronen, Sternwinde und Variabilität bei heißen Sternen Kataklysmische Veränderliche: Novae und Zwergnovae Röntgendoppelsterne: Akkretion auf Neutronensterne Supernovae und Pulsare Stellare Gammaquellen Gammaburster 1 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 derSterne 8.1 8.1.1 248 249 252 253 257 259 261 265 273 274 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 277 278 278 279 283 285 286 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 8.2.7 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 287 288 289 292 294 299 302 304 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 Endstadien der Sternentwicklung Braune Zwerge Zustandsgieichung elektronenentarteter Materie Aufbau der Weißen Zwerge Neutronensterne 306 306 307 308 309 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 310 311 312 313 316 316 Inhaltsverzeichnis XII IV. Sternsysteme. Kosmologie und Kosmogonie 319 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 320 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 330 Kugelhaufen in der Milchstraße 330 Metallhäufigkeit und Zweifarbendiagramm 332 Farben-Helligkeits-Diagramme und Alter der Kugelhaufen ... 332 Kugelhaufen in anderen Galaxien 335 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 338 338 338 340 341 342 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 Neutrales interstellares Gas Atomare interstellare Absorptionslinien Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs. HI-Wolken Interstellare Moleküllinien. Molekülwolken 343 343 345 347 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 Ionisiertes Gas: Leuchtende Gasnebel HII-Regionen Planetarische Nebel Supernovaüberreste Heißes interstellares Gas 350 350 355 356 362 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 Hochenergetische Komponenten Interstellare Magnetfelder Kosmische Strahlung Galaktische Gammastrahlung 363 363 364 370 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 372 373 375 377 378 380 383 11.1 Sterne und der Bau der Milchstraße 11.1.1 Galaktische Koordinaten 11.1.2 Sternzählungen 326 326 327 327 387 387 387 Inhaltsverzeichnis XIII 12. Galaxien und Galaxienhaufen 11.1.3 Raumgeschwindigkeiten der Sterne 11.1.4 Sternhaufen: Entfernungsbestimmung und Bau der Milchstraße 388 390 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 391 392 394 398 400 401 402 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 (/? < 1 0 pc) Innerster Bereich (R < lpc)mitSgrA* 406 406 407 409 410 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 413 413 416 420 421 422 427 430 12.2 Infrarot- und Starburst-Galaxien 12.2.1 Infrarotgalaxien 12.2.2 Starburst-Aktivität 434 434 436 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.6 437 437 440 441 446 453 455 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 LokaleGruppe Klassifikation und Massen der Galaxienhaufen Gas in Galaxienhaufen Wechselwirkung der Galaxien. Entwicklung der Galaxienhaufen 12.4.5 Superhaufen von Galaxien 459 459 460 462 464 465 12.5 Entstehung und Entwicklung der Galaxien 12.5.1 Entstehung der Galaxien und Galaxienhaufen 12.5.2 Intergalaktisches Medium und Lyman «-Systeme 466 468 470 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 472 473 478 13.1 13.1.1 13.1.2 13.1.3 13.1.4 Weltmodelle Fluchtbewegung der Galaxien Newtonsche Kosmologie Relativistische Kosmologie Materiekosmos 481 481 482 484 487 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 Beobachtete Parameter des heutigen Kosmos Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Strahlungskosmos Elemententstehung im Kosmos Olbers-Paradox 488 488 490 492 495 496 497 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 497 498 498 500 503 504 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 506 506 508 510 512 515 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 517 517 518 521 522 A.l Verschiedene Einheiten, Internationales Einheitensystem und Gaußsches System 529 A.2 Namen der Sternbilder 533 Ausgewählte Probleme 535 Literatur und Daten 543 Quellennachweis 551 Sachverzeichnis 557 Physikalische Fundamentalkonstanten (Hintere Einbandinnenseite) Astronomische Konstanten und Einheiten (Hintere Einbandinnenseite)
