Der neue Kosmos

Albrecht Unsöld
Bodo Baschek
Der neue Kosmos
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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)