Astrophysik und Kosmologie
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Astrophysik und Kosmologie fakultative Vorlesung im WS 2006/07 H. Solbrig 1. Hierarchische Struktur des Universums 7. Expansion des Universums 2. Sterne im Hertzsprung-Russell-Diagramm 8. Standardmodell 3. Stabilität selbstgravitierender Kugeln 9. Inflation und Dunkle Energie 4. Entstehung und Entwicklung von Sternen 5. Schwarze Löcher 6. Galaxien und Quasare Bilder aller Vorlesungen: http://www-user.tu-chemnitz.de/ sol/ ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Was ist hinter der Himmelskugel ? nach C. Flammerion ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— 1. Hierarchische Struktur des Universums Sonnensystem Himmelskoordinaten Beugung und Auflösung Helligkeit und Entfernung Hierarchische Struktur ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— 1.1 Sonnensystem ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Sonnensystem: Position in der Galaxis Milchstraße: Durchmesser 100 000 Lj Gesamtmasse 400 Mrd. MO Spiralarme sind Dichtewellen im H-Gas schwarzes Loch im Zentrum (2.6 Mill. MO ) Halo, Durchmesser 160 000 Lj im Halo etwa 160 Kugelsternhaufen Korona, Durchmesser 650 000 Lj Sonne: 25 000 Lj vom Zentrum 1 Umlauf in 200 Mill. J, 250 km/s http://cassfos02.ucsd.edu/public/tutorial/MW.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— In unserer Umgebung: Sternreste und entstehende Sterne 1500-Lj-Umgebung Sonne: der Molekülwolken (orange) dicht daneben heiße Sternen Assoziationen) junge (O/B- Reste von Sternexplosionen (Gas-Staub-Schalen) http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Sonnensystem: Bildung aus Gas-Staub-Wolke vor 4.5 Mrd. J bis Lj ..... . .... . . . .... .... ..... ...... ...... ...... ..... ..... ..... .... .... .... ..... . verschwindet .. .... ... ... . . 6 4 2 0 ... Oort Kuiper .. ... UR JU MA VE Wolke Gürtel .. ... SONNE ... 7 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ... .. .......................... . ..... ..... . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... ..... ...................................................................................................................................................................................................................................................................... .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • ... ••• ••• • ........ ............ ..... ... .... .. ... .. . .. .. .... . . . . ... ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .......... ......... .... bleibt .. ... ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ... ... . . SA NE AST E ME ... . ... ... -∞ 7 5 3 1 ... .... . .. .... .. .... . verschwindet .. .... . .. . . .... . ... ..... .. .... . ... ..... ... . . . . . . . . . . .. ...... ...... ↓ 10 a • • • ↑ 7 1 Lj = 3.15 10 s * 3 108 m s RN = (0.4 + 0.3 × 2N) AE Titus-Bode Reihe (∼1770) ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Planeten des Sonnensystems: Ab 2006 http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— SOHO: Solar and Heliospheric Observatory (seit 1995) Protuberanzen Löcher in der Korona Emission bei >1 Mill. K Ausgehend von einer Fleckenzone breitet sich eine kreisförmige Schockwelle mit bis zu 600 km/s aus. links: erdgebundenes Teleskop rechts: SOHO http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Merkur und Venus: Heiße Steinwüsten Venus (links): Profil nach Radardaten Merkur (rechts): ähnlich Erdmond http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Erde: Tektonik, Sonnensystem und Menschen Kontinente nach 250 Mill. J Nordlicht + Südlicht Island: Vulkan + Nordlicht 70 km, vor 200 Mill. J http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html Raumstation: Nordlicht WIR bei Nacht ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Mars: Eis, Wind, Wasser, 0o C, Krater 1895 und Hubble-Teleskop 3 km am Hang, Quelle? nahe N-Pol, 2 km Wand -1200 C bis 00 C, mit S-Pol http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html Wirbel Zentralmulde mit Wasser-Eis ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Asteroiden: Zwischen Jupiter und Mars, 2 - 3.5 AE ab Sonne Ida (55 km) mit Mond Dactyl Eros: 7km, Landeplatz 2001 Itokawa: Stein und Eis Eros: 900 m http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html Antiope: je 75 km Eros: 128 m vor Landung ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Sonnensystem: Bestandsaufnahme bis Jupiter (13.04.2006) Kreise: ME, V, E, MA, J Punkte: Asteroiden MA-J Punkte: Asteroiden → 1.3 AE Punkte: J-Trojaner Quadrate: Kometen Jupiter ⇒ http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Vom äußeren Sonnensystem Richtung Erde: Voyager 1990 Blick durch den Asteroiden-Gürtel http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Jupiter: 1/1000 Sonnenmasse, riesige Gashülle Nordlicht Schatten von Jo großer roter Fleck Jo Europa, R ≈ Erdmond Ganymede Callisto Blick in aktiven Krater auf Jo http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html Jupiter fängt Trojaner ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Saturn, Uranus, Neptun: Gasplaneten ähnlich Jupiter S-Polarlichter, 2 Tage Abstand Uranus: Ring, 3 Monde 1km-Ring und Enceladus Oberon, Ariel, Titania http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html Neptun und Triton Sturm 500 km/h ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Jenseits des Neptun: Kuiper-Gürtel 30 - 100 AE ab Sonne, Objekte ähnlich Kometen bis Planeten www.gemini.edu/index.php ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Kuiper-Objekte: Übergänge auf erdnahe Bahnen möglich UB313: 2003 entdeckt durch Infrarot-Teleskop, größer als Pluto ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Oortsche Wolke: Rand des Sonnensystems 3000 - 100 000 AE ab Sonne Kometen mit Perioden von 1000 - 1 Mill. J. erreichen die Oortsche Wolke Vergleich mit der Bahn des Kuiper-Objekts Sedna www.gemini.edu/index.php ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Kometen: Schweife erst innerhalb der Marsbahn deutlich Hale-Bopp 2000, St 6= Pl Bradfield nahe Sonne: St Machholz 2005, St↓ Pl→ NEAT 2004, Pl ≈ St Shoemaker-Levi 2004, Reste ⇒ Jupiter St = Staubschweif Pl = Plasmaschweif http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Meteoriten: Leuchtspuren, Einschlagtrümmer Reihe oben: 1944 über Afrika, Mars ⇒ Antarktis, Leoniden vom Orbit Reihe unten: 1992 Peekskill Meteorit, im Gel gefangen, Feuerkugel http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Interplanetarer Staub: Tierkreislicht (Zodiakallicht) Um die Ekliptik herum konzentriert sich interpkanetarer Staub. Daran wird Sonnenlicht gestreut. Das Streulicht ist schwach. Tagsüber wird dieses Streulicht vom direkten Sonnenlicht überstrahlt. Vor Sonnenaufgang (Nach Sonnenuntergang) wird der dunkle Himmel durch das Streulicht auch nur dann wirksam aufgehellt, wenn man dabei entlang der Ekliptik schaut. Das ist der Fall um die Zeit der Tagnachtgleichen im Herbst (Frühjahr). Das Bild aus Sicht eines Beobachters auf der Nordhalbkugel zeigt das Zodiakallicht am Osthorizont vor Sonnenaufgang um die Tagnachtgleichen im Herbst. Auf der Südhalbkugel gilt die umgekehrte Zuordnung. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— 1.2 Himmelskoordinaten ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Ekliptik ist die Ebene der Erdbahn Normale der Ekliptik ........ .. .. .. .. .. 23.9. .......... . . . . ................................................................................................................................................................................................................. . . .. .. . . . . Achse. ..... . . . . . . . . . . . ........ 22.12. . .. ....... . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . ... .. .. .............. . . . . .... .. .. ... • .. . ........... Sonne Erde . . ...... .. . . . . . . . . . . . .. ...... ............. 21.6. . .. . . . . . . . . . . . ............. . . .. . . . . . . . . . . . ....... ................................................................................................................................................................................................................................ ........ 21.3. Ekliptik vErde ≈ 30 km/s ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Äquatorebene ist Bezugsebene der rotierenden Erde Frühlingspunkt (Fische) . . . . Himmelsnordpol .. .. . . ....... . . .. . ... . . . . . . . . . ... . . . . .. ..... .... ... . . .. . . . . . . ... . . . . . . ... .. . ..... . . . . . . . ... . .. . . . . . . . ... .. . ..... . . . . ... . . . . .. . . . . ... . . .. ... .. ................ ................... . .. . . ... . . .. . . ... .. . . . . . . . ...21.3. .. . . . . . . . . . ........................................................................................................ ...................................................................................................................• . . . . . . . . ... ......... .. . . . . . . . . . . . . . . . . ............ .... .............. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .... . . .... ..................... ... ................. . .......... ............. 21.6. ...................... . ... ... .... . .................... . . .... . .. . . . . N . . . . . ... . .... ..... ... • .. ... . . . . . . Sonne........ • ... ..... . . . . . . . Erde ......... .... .... ..... . . . ......... ........ ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........... .. . ............. .. ... . . . . . . . . . . 22.12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. ... ....................... .. . . . . . . . ...........................................................................................................• ............................................................................................................... . . . . ...... . . . . .. . . . . . . Ekliptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . 23.9. 23.5 .. ..... . . . . . . . . . . . . . .. ................... . . . . . . . . . . . . . . .... . ......... Herbstpunkt (Jungfrau) ............. .. Äquatorebene Tagnachtgleichen 21.3. und 23.9., Sonnenwenden: 21.6. und 22.12. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Horizontebene ist natürliche Bezugsebene http://www.greier-greiner.at/hc/koord.htm ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Horizontalsystem: Höhe und Azimut h Höhenwinkel: ab Horizontebene in Richtung Zenit positiv A Azimut: hier ab Südpunkt in Richtung West positiv ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Äquatorialsystem: Deklination und Rektaszension δ Deklination: längs Stundenkreis des Sterns ab Äquatorebene in Richtung Nordpol positiv α Rektaszension: längs Äquator ab Frühlingspunkt in Richtung Ost positiv T Stundenwinkel: längs Äquator ab Meridian bis Stundenkreis des Sterns in Richtung West positiv ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Himmelskoordinaten System Bezeichnung Symbol Definition HSY Höhe h Grad über Horizont Zenit/Nadir = ±90o HSY Azimut A Grad westwärts entlang Horizont ab SP (WP = 90o , auch ab NP gebräuchlich) ÄSY Zenitdistanz 90O - h Deklination δ Grad über Äquatorebene Himmelsnord/südpol = ±90o ÄSY Rektaszension α (RA) Winkel ostwärts entlang Himmelsäquator vom Frühlingspunkt zum Stundenkreis eines Sterns (in Stunden, 15o = 1 Stunde) Stundenkreis Großkreis durch Stern und Himmelspole lok. Sternzeit LSZ Rektaszension des lok. Meridians in Stunden lok. Stundenwinkel LSZ - RA Winkel westwárts vom lok. Meridian zum Stundenkreis eines Sterns in Stunden ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Mondfinsternis, Sonnenfinsternis und Marsschleife 11. August 1999, 2000 km/h Juli 2000 Mars http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Rückläufige Planeten: Heliozentrische Erklärung Es sind zwei Ursachen: (1) Die Winkelgeschwindigkeit der Erde um die Sonne ist größer als die des Mars. (2) Die Bahnebenen von Erde und Mars sind nicht ganz identisch. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Voraussetzung für Sonnen- und Mondfinsternisse Mond- und Sonnenfinsternisse können nur bei linearen Anordnungen von Sonne, Erde und Mond auftreten (Knotenlinie). So sind Sonnenfinsternisse auf Neumondphasen (3) und Mondfinsternisse auf Vollmondphasen (1) bescränkt. Bei allen anderen Mondphasen (z. B. 2 und 4) entfällt die Möglichkeit der Schattenbildung auf Erde oder Mond. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Pfade des Mondschattens auf der Erde Gegen die Pole der Erdkugel werden die Schattenbereiche breiter. 30o N Äqu. 30o S geographische Länge ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— 1.3 Beugung und Auflösung ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Die Bogensekunde (1′′) Vollwinkel ≡ 360 Grad × 60 Bogenminuten × 60 Bogensekunden 2 π rad = 360 × 60 × 60 ×1′′ 1′′ = 4.85 × 10−6 rad zum Beispiel 2 km auf dem Mond: 2 km 400 000 km 10 cm aus 20 km Entfernung: 0.1 m 20 000 m ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Beugungsbegrenzte Auflösung Der rote Doppelpfeil bezeichnet den Mindestabstand, den das zentrale Beugungsmaximum eines zweiten Objektpunktes haben muß, um separat wahrnehmbar zu sein. Details des Objekts, die vom Beobachtungsort unter Sehwinkeln kleiner als αmin erscheinen, können nicht aufgelöst werden. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Spektrale Transmission der Erdatmosphäre weiß = prozentualer Anteil der einfallenden Intensität, der den Boden erreicht ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Seeing: Warum die Sterne flimmern Die Zellen wirken wie viele 10-cmTeleskope, die entsprechend der Luftunruhe chaotisch verwackelt sind. Jede Zelle entnimmt ihrer Apertur 10 cm entsprechend einen Teil der perfekten Wellenfront und fügt einen chaotischen Phasenzusatz hinzu. Diese Teilwellen (z.B. lila, grün) werden vom Teleskop (Apertur Dobj ) beugungsbegrenzt in die Brennebene abgebildet (”speckles“). Je nach Luftunruhe bewegen sich die ”speckles“ wild in einem als ”seeing“-Scheibchen bezeichneten Gebiet. Ohne Zusatzmaßnahmen sind die seeing-Scheibchen aller Teleskope mit mindestens 10 cm Öffnung etwa gleich groß. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Fixsternparallaxen erste Messung: Bessel 1838 Stern 61 Cyg (Sternbild Schwan) p ≈ 0′′ .293 ⇒ r ≈ 11.1 Lichtjahre größte Fixsternparallaxe: Stern Proxima Cen (Sternbild Centaurus) p ≈ 0′′ .765 ⇒ r ≈ 4.3 Lichtjahre ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Längeneinheiten in der Astronomie 1 AE astronomische Einheit mittlerer Abstand Erde - Sonne 149.597870 × 106 km 1 Lj Lichtjahr von elektromagnetischen Wellen im Vakuum im Verlauf eines Jahres (3.16 × 107 s) zurückgelegte Strecke 9.4605 × 1012 km = 63240 AE 1 pc parsec, Parallaxensekunde Entfernung, aus der 1 AE unter dem Sehwinkel 1 Bogensekunde erscheint 3.0856 × 1013 km = 3,2615 Lj = 206264.8 AE ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hawaii: Mauna Kea (4123 m) http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html Seeing < 1′′ , wenig Wassers in der Atmosphäre → bester Teleskopstandort ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— ESO: Very Large Telescope (Cerro Paranal, Chile, 2600 m) vier 8.2-m-Teleskope Phasentreue Kopplung ermöglicht Auflösung eines 120-m-Teleskops ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hubble-Teleskop: Start 1990, Reparatur 1993 Bahn 600 km hoch Öffnung 2.4 m Auflösung 0′′ .1 Grenzhelligkeit 30m http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Ultrarot-Astronomie: Spitzer-Raumteleskop (seit 2003) Position: nach der Erde auf heliozentrischer Bahn Spiegeldurchmesser: 85 cm Temperatur des Teleskops: nahe abs. Nullpunkt durch Helium-Kühlung Arbeitsbereich: 3 - 180 µm http://www.spitzer.caltech.edu/ ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Röntgenteleskop Chandra: Start 1999 ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Röntgenteleskop XMM Newton: Start 1999 http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Gamma-Teleskop Compton: Start 1990 nicht abbildend untersucht: Quasare Gamma-Ausbrüche (GRB) http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Radioastronomie: Very Large Array (New Mexico, seit 1977) 27 Antennen in Y-Form Durchmesser je 25 m auf Schienen verschiebbar interferenzfähig verbunden zu einem Phaseninterferometer Schenkellängen bis 19/21/19 km Auflösung maximal 0′′ .004 bei 50 GHz http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hauptmethoden der Entfernungsbestimmung Radar bis einige AE (≈ Lh) Sonnensystem geometrische Parallaxen bis 100 pc umgebende Sterne Masse-Leuchtkraft-Beziehung bis 10 Kpc ∼ Galaxis Perioden-Leuchtkraft-Beziehung bis 20 Mpc M100, VIRGO Supernovae Typ Ia bis 200 Mpc Eichung z ∼ 0.05 bis z ∼ 1.7 im SN-Projekt Hubble-Gesetz (vr = Ho r) ab 100 Mpc Den Schwerpunkt bilden die photometrischen Methoden. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— 1.4 Helligkeit und Entfernung Adapted from Norton’s 2000.0, 18th edition (copyright 1989, Longman Group UK) with additional comments taken from Bill Baity’s Sky Pages ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Die scheinbar hellsten Sterne ⇒ Common Name Sun Sirius Canopus Rigil Kentaurus Arcturus Vega Scientific Name Alpha CMa Alpha Car Distance (light years) 8.6 74 Apparent Magnitude -26.72 -1.46 -0.72 Absolute Magnitude 4.8 1.4 -2.5 Spectral Type G2V A1Vm A9II Alpha Cen 4.3 -0.27 4.4 G2V + K1V Alpha Boo Alpha Lyr 34 25 -0.04 0.03 0.2 0.6 Alpha Aur 41 0.08 0.4 Procyon Achernar Betelgeuse Hadar Beta Ori Alpha CMi Alpha Eri Alpha Ori Beta Cen ~1400 11.4 69 ~1400 320 0.12 0.38 0.46 0.50 (var.) 0.61 (var.) -8.1 2.6 -1.3 -7.2 -4.4 Acrux Alpha Cru 510 0.76 -4.6 Altair Aldebaran Antares Spica Pollux Fomalhaut Becrux Deneb Regulus Adhara Castor Gacrux Shaula Alpha Aql Alpha Tau Alpha Sco Alpha Vir Beta Gem Alpha PsA Beta Cru Alpha Cyg Alpha Leo Epsilon CMa Alpha Gem Gamma Cru Lambda Sco 16 60 ~520 220 40 22 460 1500 69 570 49 120 330 0.77 0.85 (var.) 0.96 (var.) 0.98 (var.) 1.14 1.16 1.25 (var.) 1.25 1.35 1.50 1.57 1.63 (var.) 1.63 (var.) 2.3 -0.3 -5.2 -3.2 0.7 2.0 -4.7 -7.2 -0.3 -4.8 0.5 -1.2 -3.5 K1.5IIIp A0Va G6III + G2III B81ae F5IV-V B3Vnp M2Iab B1III B0.5Iv + B1Vn A7Vn K5III M1.5Iab B1V K0IIIb A3Va B0.5III A2Ia B7Vn B2II A1V + A2V M3.5III B1.5IV Capella ⇒ Rigel ⇒ nach Norton’s 2000.0, Longman 1989 ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— δ Cep: Prototyp einer Klasse von Pulsationsveränderlichen δ Cephei: Entfernung 982 Lj scheinbare Helligkeit 3m .6 - 4m .3 Periode 5.4 Tage Helligkeit Farbtemperatur Spektraltyp Radialgescwindigkeit Radius über Minimum Sternscheibe aus Wikipedia ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— M100: Hellste Galaxie im VIRGO-Haufen VIRGO-Haufen: 2500 Galaxien, Entfernung 60 Mill. Lj M100: im Sternbild ”Haar der Berenike“, 56 Mill. Lj, Durchmesser 120 000 Lj, scheinbare Helligkeit 9m .3 unten: Zentrum vor / nach Reparatur des HUBBLE-Teleskops http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— M100: Cepheiden durch HUBBLE-Teleskop nachgewiesen M100: 56 Mill. Lj, 20 bisher fernste Cepheiden nachgewiesen rechts: Cepheid jeweils in der Bildmitte, Extrema der scheinbaren Helligkeit 24m .5 und 25m .3, Periode 51.3 Tage ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Massetransport in Binärsystemen MODELL weißer Zwerg im Zentrum einer rotierenden Gasscheibe Riesenstern Roter Riese Mira (420 Lj, 700 Ro ), weißer Zwerg Mira B saugt Gas ab X-Teleskop CHANDRA http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Supernovae Ia: Universelle Lichtkurve Nahe Supernovae Ia: Europäische Südsternwarte. In den gemessenen absoluten visuellen Helligkeiten Mv (oben) besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Maximum und Breite. Nach Korrektur bezüglich Expansion decken sich alle Lichtkurven (unten). Damit sind SN Ia als starke Normalquellen für die photometrische Entfernungsbestimmung geeignet. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Supenovae 1994d und 1998ba SN 1994d, NGC 4526, Virgo-Haufen ferne SN 1998ba http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Variable Helligkeiten durch ”microlensing“ Dunkle, massive Objekte im Halo der Galaxis (MACHOs) treten oft nur als Gravitationslinsen in Erscheinung. Da sie spürbare Eigenbewegungen besitzen, beobachtet man eine zeitabhängige Veränderung der Helligkeiten von Hintergrundobjekten. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Auf langen Lichtwegen viele Gravitationseinflüsse Nach Einsteins Gravitationstheorie erfolgt die Lichtausbreitung ”geradlinig“. Die Geometrie des Raumes wird aber durch die Verteilung der Materie bestimmt. Das Bild nebenan verdeutlicht die Gravitationswirkung der Galaxienverteilung im Universum. Vom Standpunkt eines Beobachters im ”leeren“ Raum erscheinen die Lichtwege zwischen Quelle und Detektor auf vielfältige Weise ”gekrümmt“. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— 1.5 Hierarchische Struktur Vom Einzelstern zum Galaxien-Superhaufen ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hierarchische Struktur des Universums Strukturelement Durchmesser Anzahl niederer Elemente Sterne 105 bis 108 km Abstand ≈ pc Sternhaufen offen 3 pc 102 bis einige 103 Sterne (galakt. Ebene) Kugelsternhaufen 10 bis 102 pc 105 bis einige 106 Sterne (galakt. Halo) Galaxien 3 104 pc 1011 Sterne Galaxienhaufen 3 bis 8 Mpc einige 103 Galaxien Galaxiensuperhaufen > 30 Mpc einige 104 Galaxien Homogenität ab einige 100 Mpc Isotropie ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Überriese Beteigeuze (αOri) ↓ Hubble-Teleskop zeigt Sternscheibe mit Atmosphäre Entfernung: 600 Lj Radius: 650 RSonne HST Archiv ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Normale Sterne und Weiße Zwerge Alle Sterne im Kugelsternhaufen M4 haben ungefähr gleiche Abstände von uns. Die scheinbaren Helligkeiten stehen daher für die Leuchtkräfte der Sterne. Weiße Zwerge (blaue Punkte in Kreisen) sind leuchtschwächer und heißer als die abgebildeten normalen Sterne. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Zwei mögliche Quarksterne links: RXJ1856.35-3754 Entfernung 400 Lj Durchmesser 11 km Oberflächentemperatur 700 000 K als Neutronenstern zu klein rechts: 3C58 in der Cassiopeia, möglicherweise Rest der Supernova 1181 als Neutronenstern zu kalt unten: Vergleich mit Grand Canyon, der dort 22 km breit ist. ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hierarchische Struktur des Universums Strukturelement Durchmesser Anzahl niederer Elemente Sterne 105 bis 108 km Abstand ≈ pc Sternhaufen offen 3 pc 102 bis einige 103 Sterne (galakt. Ebene) Kugelsternhaufen 10 bis 102 pc 105 bis einige 106 Sterne (galakt. Halo) Galaxien 3 104 pc 1011 Sterne Galaxienhaufen 3 bis 8 Mpc einige 103 Galaxien Galaxiensuperhaufen > 30 Mpc einige 104 Galaxien Homogenität ab einige 100 Mpc Isotropie ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Kugelsternhaufen und offene Sternhaufen M19, 60 Lj, 27 000 Lj M 2, 150 Lj, 50 000 Lj 100 000 Sterne >100 000 Sterne Plejaden, offener Sternhaufen 13 Lj, 400 Lj NGC 104, 20 000 Lj offene Sternhaufen: M35 (links oben), 30 Lj, 2800 Lj, 2500 Sterne, Alter nur 150 Mill. J NGC 2158 (rechts unten), 30 Lj, 110 000 Lj, Alter 1.5 Mrd. J http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hierarchische Struktur des Universums Strukturelement Durchmesser Anzahl niederer Elemente Sterne 105 bis 108 km Abstand ≈ pc Sternhaufen offen 3 pc 102 bis einige 103 Sterne (galakt. Ebene) Kugelsternhaufen 10 bis 102 pc 105 bis einige 106 Sterne (galakt. Halo) Galaxien 3 104 pc 1011 Sterne Galaxienhaufen 3 bis 8 Mpc einige 103 Galaxien Galaxiensuperhaufen > 30 Mpc einige 104 Galaxien Homogenität ab einige 100 Mpc Isotropie ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Systematik der Galaxien nach E. Hubble Die Gestalt der Galaxien enthält Hinweise auf innere Eigenschaften und auf frühere Wechselwirkungen mit anderen Galaxien. Die größten elliptischen Galaxien erweisen sich als ziemlich einheitlich, und daher dienen sie als Normobjekte für die Entfernungsbestimmung (trigonometrisch und photometrisch). ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— M51 und Partner M51 = NGC 5194 60 000 Lj 30 Mill. Lj Wechselwirkung mit Partner? http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Aktive galaktische Kerne (AGN) M 82, Jet ab Zentrum M 82 (oben, aktiv), M 81 100 000 Lj, 10 Mill. Lj Aktivität wegen früherer Kollision? http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html MODELL: schwarzes Loch im Zentrum ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hierarchische Struktur des Universums Strukturelement Durchmesser Anzahl niederer Elemente Sterne 105 bis 108 km Abstand ≈ pc Sternhaufen offen 3 pc 102 bis einige 103 Sterne (galakt. Ebene) Kugelsternhaufen 10 bis 102 pc 105 bis einige 106 Sterne (galakt. Halo) Galaxien 3 104 pc 1011 Sterne Galaxienhaufen 3 bis 8 Mpc einige 103 Galaxien Galaxiensuperhaufen > 30 Mpc einige 104 Galaxien Homogenität ab einige 100 Mpc Isotropie ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Lokale Gruppe 3D (3-Mill.-Lj-Umgebung) ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Ferner massiver Galaxienhaufen RDCS1252.9-2927: Galaxienhaufen im Sternbild Hydra Farbcode: violett = Röntgenemission des 7×107 K heißen intergalaktischen Gases (Chandra, XMM-Newton) rot, grün, gelb = sichtbares Licht Alter: 9×109 J Entfernung: 8.5×109 Lj Masse: 2×1014 Sonnenmassen Chandra X-ray observatory ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Cluster CL0024+1654: Kalte Dunkle Materie Die Galaxien liegen in den Dichtemaxima der Kalten Dunklen Materie. Kochansky, Dell’Antonio, Tyson ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Hierarchische Struktur des Universums Strukturelement Durchmesser Anzahl niederer Elemente Sterne 105 bis 108 km Abstand ≈ pc Sternhaufen offen 3 pc 102 bis einige 103 Sterne (galakt. Ebene) Kugelsternhaufen 10 bis 102 pc 105 bis einige 106 Sterne (galakt. Halo) Galaxien 3 104 pc 1011 Sterne Galaxienhaufen 3 bis 8 Mpc einige 103 Galaxien Galaxiensuperhaufen > 30 Mpc einige 104 Galaxien Homogenität ab einige 100 Mpc Isotropie ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Wabenstruktur der Galaxienverteilung http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Geschichte des Universums: Strukturbildung und Expansion http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Sichtbares Licht aus 13 Mrd. Lj Entfernung Hubble Deep Field (1996): Feld im Sternbild ”Große Bärin“ 10 Tage belichtet Hubble Ultra Deep Field (2004): 3 Monate belichtet, Objekte bis 30m rote Objekte in grünen Kreisen sind frühe Zwerggalaxien http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/astropix.html ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Einordnung der Hubble Deep Fields Heute, 13.7 Mrd. Jahre dem ”Big Bang“, nach zeigt uns das ”Hubble Ultra Deep Field“ Objekte aus einer Epoche nur 400 Mill. Jahre nach dem ”Big Bang“. Diese Objekte Zwerggalaxien. waren HST ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund Der Mikrowellen-Hintergrund aus jeder Richtung hat ein Planck-Spektrum, aber die charakteristichen Temperaturen schwanken um wenige 0.00001 K. Könnten wir im Mikrowellenbereich sehen und dazu noch so kleine Kontraste wahrnehmen, dann wären beide Montagen ganz alltägliche Anblicke. Chicago vom See W. Freedman, Vortrag 2002 Antarktis, Boomerang-Start http://www.astro/caltech.edu/ lgg/ ————— Vorlesung ”ASTROPHYSIK UND KOSMOLOGIE“ an der TUCh im WS 2006/07 ————— Nobel-Preis Physik 2006: Mather und Smoot, COBE-Projekt Der COBE-Satellit wurde am 18. November 1989 gestartet (COsmic Background Explorer). Das Projekt hatte zwei Hauptergebnisse: 1. Das Planck-Spektrum des Mikrowellen-Hintergrundes wurde in einem viel größeren Wellenlängenbereich als vorher nachgewiesen. Man fand eine mittlere Temperatur von 2.725±0.002 K. 2. Die Temperaturen der Hintergrundstrahlung aus unterschiedlichen Richtungen schwanken um Beträge der Ordnung 0.00001 K. Ursache ist die inhomogene Verteilung der Energie und Materie im jungen Universum, aus der sich bis heute Galaxien und Galaxienhaufen entwickelt haben. COBE hat eine rasante Entwicklung in der Kosmologie angestoßen. Nobel-Preise würdigen solche Beiträge zur Wissenschaft. Mather Smoot
