AstroEinf_I_11 - Hamburger Sternwarte
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Einführung in die * Astronomie & Astrophysik I Teil XI Marcus Brüggen Hamburger Sternwarte [email protected] * Folien basierend auf der Vorlesung von Prof. Banerjee und Prof.Hauschildt Themen • Aufbau • Atmosphären • Planetenoberflächen • Roche-Grenze Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 2 Innerer Aufbau der Erde Erkundung durch seismische Wellen: • P-Wellen ⟹ longitudinal • S-Wellen ⟹ transversal ⟹ S-Wellen laufen nicht durch flüssiges Material ⟹ aus Brechungsverhalten ⟹ Bestimmung des Erdinneren Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 3 Innerer Aufbau der Erde ⟹ Zwiebelstruktur: • Kruste • Mantel • Kern • Unterschiedliche chemische und Element-Zusammensetzung Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 4 Innerer Aufbau der Erde Junge, heiße Erde (flüssig) ⟹ leichte Elemente nach oben heutige Erde ⟹ kalte Kruste Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 5 Innerer Aufbau der Erde Zustandsdiagramm • fester innerer Kern? • flüssiger äusserer Kern? komplexe Zustandsgleichung • Schmelzpunkt hängt von T und P ab Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 6 Aufbau Gasriesen Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 7 Planeten: Aufbau Jupiter Modell: • dichte Atmosphäre (H2, He) • metallischer Wasserstoff/Helium im Inneren? (theoretische Vorhersage) • Erdähnlicher Kern (MKern ~ 13 M♁) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 8 Planeten: Atmosphäre Jupiter • ringförmige Streifen: Wolkenbänder • Zonen (hell) • Gürtel (dunkel) • Großer Roter Fleck Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 9 Planeten: Atmosphäre Jupiter äquatorparallele Streifen: • Zonen: warmes Gas steigt auf • Gürtel: kühleres Gas sinkt ab • gegenläufige “Windrichtung” Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 10 Planeten: Atmosphäre Jupiter Großer Roter Fleck: • bereits vor 300 Jahren entdeckt (1664 Robert Hooke) • Länge ca. 2 D♁ • Antizyklon/Wirbelsturm • Umgeben von Turbulenzen: Kelvin-Helmholtz-Instabilität Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 11 Planeten: Atmosphäre Jupiter Dritter roter Fleck • HST Mai 2008 Great Red Spot Third Red Spot Red Spot Jr. Aufnahme: Hubble Space Telescope (HST) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 12 Planeten: Atmosphäre Jupiter Eintauchen des Kometen Shoemaker-Levi 9 D/G ⟹ gasförmige, veränderliche Oberfläche Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 13 Planeten: Oberflächen • Erkenntnis aus Fotos, Radarmessung (Venus), Sonden, Oberflächenfahrzeuge (Mond, Mars) • Gasriesen: keine feste Oberfläche • Terrestrische Planeten und Monde: • Oberfläche ausgekühlt • teilweise noch Vulkanaktivität • atmosphärenfreie Planeten/Monde ⟹ Oberfläche geprägt durch Einschläge (Meteoriden, Asteroiden) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 14 Mondoberfläche Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 15 Mondoberfläche • durchzogen von Kratern (bis 80 km Durchmesser) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 16 Marsoberfläche • Täler durch Wasserläufe? Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 17 Venusoberfläche • Radaraufnahmen mit Magellansonde (1989-94) ⟹ Oberfläche geprägt durch Vulkanismus Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 18 Roche-Grenze Stabilität von “Satelliten” (Monden) • bestimmt durch Gezeitenkräfte • Betrachtung: Wirkung auf Vorder-/Rückseite Mond Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 19 Roche-Grenze • anderer Ansatz: “reduziertes” 3-Körper-Problem: (Roche, 1850) ⟹ • Bsp: Saturn: däußerer Ring ~ 2.3 RSaturn Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 20 Asteroidengürtel • Planetoiden/Asteroiden bilden Gürtel zwischen Mars und Jupiter • r = 2 - 3.5 AU • ca. 400.000 Objekte • Masse ~ 5% Mond • auch zu finden in Resonanzen • Titus-Bode-Reihe ⟹ Entdeckung von Ceres Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 21 Kuiper-Gürtel • Planetoiden/Planetesimale/ Kometen hinter Neptun ⟹ transneptunsche Objekte ⟹ Kuiper Belt Objekte z.B. Pluto • r ~ 30 - 50 AU • > 70.000 Objekte mit R > 100 km • Kometen aus Zusammenstößen von KBOs? Minor Planet Center, CfA Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 22 Kometen Aufbau: •Kern (schmuziger Schneeball) •Koma (bei d < 5AU) •Schweif (durch Strahlungsdruck Sonnenwind) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 23 Kometen Hale-Bob, 1997 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 24 Kometen • Kometen lösen sich auf • Massenverlust ca. 1% pro Orbit ⟹ Lebensdauer ~ 100 Orbits • hinterlässt Meteoritenschwarm Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 25 Entstehung des Sonnensystems • fast alle Objekte in einer Ebene ⟹ Kollaps einer rotierenden Gaswolke ⟹ Drehimpulserhaltung ⟹ Bildung einer protoplanetaren Scheibe Probleme • Masse Sonne (99.9%) • Drehimpuls (0.5%) Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 26 Wiederholung Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 27 Koordinatensysteme Äquatorsystem • Grundkreis = Himmelsäquator • Koordinaten: • Deklination δ • Rektaszension α, RA Nullpunkt: “Frühlingspunkt” • Stundenwinkel t Nullpunkt: Meridian Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 28 Parallaxe • Parallaxe π: sin(π) = a/r ≈ π; r ≫ a • Definition Parsec (pc) Parallaxensekunde: a = 1 AU (~ 150 Mio km) π = 1’’ (Bogensekunde) ⟹ r ≡ 1 pc = 3.26 Lj = km • pc: gebräuchlichste astronomische Entfernungsangabe • Einzige direkte Entfernungsbestimmung von Sternen 12 30.86x10 • Bogenminute: 1° = 60’ ⟹ 1’ = 0.016667° • Bogensekunde: 1’ = 60’’ ⟹ 1’’ = 0.00027778° Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 29 Kepler’sche Gesetze • 1. Kepler: Bahn ist Ellipse mit der Sonne im Brennpunkt • 2. Kepler:Verbindungslinie Planet-Sonne überstreicht gleiche Fläche in gleicher Zeit 2 = a3 (P in Jahre, a in AU) 3. Kepler: P • Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 30 Geschwindigkeiten • Entweich-/Fluchtgeschwindigkeit: ve • aus Energieerhaltung: E(R) = E(∞), ve → 0 ⟹ ⟹ Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 31 Gezeiten 6 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 32 Mondfinsternisse • Mond im Schatten der Erde ⟹ Mondfinsternis Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 33 Sonnenfinsternisse • Sonne im Schatten des Mondes • ∅(Mond) ~ ∅(Sonne) ⟹ Sonnenfinsternis Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 34 Elektromagnetische Strahlung • EM-Strahlung (fast) einzige Informationsquelle der Astrophysik • Verständnis der EM-Strahlung durch Quantenmechanik ⟹ Wellencharakter (Interferenz) ⟹ Partikel-Charakter (Photoeffekt) • immenses Spektrum: Radiowellen - Gamma-Strahlung ⟹ unterschiedlichste Detektoren (Teleskope) notwendig Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 35 Elektromagnetische Strahlung Informationsgehalt EM-Strahlung • Richtung • Intensität/Helligkeit ⟹ z.B. Entfernung • Spektrum ⟹ Strahlungsquelle • Linienstruktur ⟹ Dynamik der Strahlungsquelle z.B. Doppler-Verbreiterung • Polarisation ⟹ u.a. Medium zwischen Quelle und Beobachter z.B. Magnetfelder Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 36 Elektromagnetisches Spektrum Wellenlänge-Frequenz Relation c=νλ • c :Vakuumlichtgeschwindigkeit: c = 2.9979x108 m sec-1 • λ : Wellenlänge [nm, cm, m auch Å = 0.1 nm] • ν : Frequenz [Hz, kHz, MHz, GHz, ..] Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 37 Elektromagnetisches Spektrum Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 38 Elektromagnetisches Spektrum nur 2 Fenster: • optischer Bereich • Radio-Bereich Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 39 Planeten: Temperatur 8 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 40 Planeten: Temperatur Gesamtabstrahlung (Integration über Planck Verteilung) ⟹ Stefan-Boltzmann Gesetz: • F : gesamter Strahlungsfluß [Energie/Fläche/Zeit] • σ : Stefan-Boltzmann Konstante: σ = 5.67x10-5 erg sec-1 cm-2 K-4 σ = 5.67x10-8 W m-2 K-4 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 41 Planeten: Temperatur abgestrahlter Fluß durch Sonneneinstrahlung: • a: Abstand Planet-Sonne • Solarkonstante: Strahlungsfluß der Sonne bei 1 AU: -2 m S = 1.37 kW • Absorption: 1 - A ⟹ nur ein Bruchteil wird absorbiert • Reflexionsvermögen: Albedo: 0 ≤ A ≤ 1 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 42 Planeten: Temperatur Temperaturbestimmung durch Sonneneinstrahlung im Gleichgewicht + kein Energietransport zu kühleren Regionen: Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 43 Planeten: Innerer Aufbau • Hydrostatische Gleichung: bzw: • Problem: Gleichung muss geschlossen werden mit Zustandsgleichung (EOS): P = P(ρ,T) • EOS schwer zugänglich für nicht-ideale Gase ⟹ große Unterschiede zwischen Gasriesen und terrestrischen Planeten • Randbedingungen: • r = 0 ⟹ Mr = 0 •r=R⟹P≈0 Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 44 Helligkeiten • Wahrnehmung der Helligkeit logarithmisch (auch Akustik) ⟹ Magnitudendifferenz m1 - m2 mit Strahlungsflüßen s1 und s2 (Definition): ⟹ Flußverhältnis: Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 45 Astronomische Instrumente Grundlagen 2 Entfernte Objekte erscheinen dunkler: I ∝1/r • ⟹ größere Lichtsammelfläche D • Erkennbare Trennung zweier Objekte: maximale Winkelauflösung: α ∝ λ/D ⟹ besser für kleinere Wellenlängen Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 46 Hertzsprung-Russel Diagramm (HRD) Nicht alle Kombinationen (M, R, Teff, L) kommen vor ⟹ Darstellung in Hertzsprung-Russel Diagrammen • traditionell: Spektraltyp vs. MV (Entfernung muss bekannt sein) • auch: Farbe vs. MV, Teff vs. L und Kombinationen Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 47 Hertzsprung-Russel Diagramm (HRD) Zentrales Diagram zum Verständnis der Physik der Sterne ⟹ Aufbau/Zusammensetzung ⟹ zeitliche Entwicklung ⟹ Verwendung zur Altersbestimmung Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 48 Energiequellen & Zeitskalen Virialsatz • 2ET = - EG • für Sterne: ET = Etherm (innere Energie) • 50% von EG steht als Etherm zur Verfügung (Rest wird abgestrahlt) Kelvin-Helmholtz Zeitskala: tKH ≈ 1.6×107 Jahre ⟹ Energiequelle notwendig! Einführung in die Astronomie und Astrophysik I 49 Energiequellen & Zeitskalen Energie durch Kernfusion: 1H → 4He) Fusion von H zu He (4 • 2 E = mc • • 4 H Atome sind schwerer als 1 He Atom ⟹ Bindungsenergie wird frei 2 1 4 • ΔE = 0.7% mc = 26.27 MeV für 4 H → He • 1kg H → 0.993 kg He • 7 g Materie wird in Energie umgewandelt • Sonne: “Verbrennung” von 4 Mio Tonnen / sec Einführung in die Astronomie und Astrophysik I 50 Energietransport möglicher Energietransport: • Wärmeleitung: • Kollision zwischen Teilchen (z.B. Protonen, Elektronen) • meist unwichtig in normalen Sternen (lmfp ≪ R) • aber wichtig bei Weißen Zwergen (degeneriertes Elektronengas) • Konvektion: • Aufstieg von heißen Gasblasen + Absinken von kühlen • wichtig in manchen Zonen des Sterninnern wenn Transport durch Strahlung ineffizient • Strahlung: • Energietransport durch gestreute Photonen (Absorption / Reemission) • meist Hauptmechanismus Einführung in die Astronomie und Astrophysik I 51 Nukleare Energieerzeugung • meiste Energie wird frei bei 41H → 4He: ΔE = 0.7% mc2 = 26.27 MeV • Energieerzeugung bis 56Fe (exotherme Reaktion) • ab 56Fe: endotherme Reaktion: Energie muss aufgewendet werden z.B. Supernovae Einführung in die Astronomie und Astrophysik I 52 Gravitationsinstabilität: Jeans Masse Kollaps einer Gassphäre: • K = innere Energie (thermisch) • U = Potentielle Energie (Gravitation) • gebunden: K + U < 0 • hydrostatisches Gleichgewicht ⟹ Virialsatz: 2K + U = 0 mit: MJ : Jeans Masse Einführung in die Astronomie und Astrophysik II, Marcus Brüggen 53 Entstehung massereicher Sterne Eddington Limit: 4L Für M = 1 M : L ≈ 3.3×10 ⨀ Edd ⨀ • • aber: L ∝ M4 ⟹ L > LEdd für M ≈ 32 M⨀ (Vergleichbare Grenzen für Streuung an Staub: M ~ 20 M⨀) • nicht vereinbar mit Beobachtungen: z.B M > 150 M⨀ Sterne in NGC 3603 und R136 Einführung in die Astronomie und Astrophysik II, Robi Banerjee 54 Skalierungsrelationen • Mit Strukturgleichungen: ⟹ Homologierelation Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 55 Weiße Zwerge • Endstadium eines nicht massereichen Sterns 5 K) hohe Oberflächentemperatur (bis ~ 10 • • geringe Leuchtkraft ⟹ sehr kleiner Radius (für M ≈ 1M⨀, R ~ 1RErde) ⟹ ρ ~ 106 g cm-3 ⟹ Druck durch entartetes Elektronengas: P ∝ ρ5/3 • mit: 〈ρ〉~ M/R3 und 〈P〉~ M/R ρ ⟹ R ∝ M-1/3 ⟹ Radius nimmt mit zunehmender Masse ab! Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 56 Endstadien von Sternen • typische SN-Lichtkurven • Typ Ia = “Standard-Kerze” ⟹ geeignet zur genauen Entfernungsbestimmung (Kosmologie) ⟹ “Entdeckung” der “Dunklen Energie”, d.h beschleunigt expandierendes Universum ⟹ Nobel-Preis 2011: S. Perlumutter, B. Schmidt, A. Riess “Standard-Kerze” Einführung in die Astronomie und Astrophysik I, Marcus Brüggen 57
