Astronomie und Astrophysik: Ein Grundkurs | 5 |
Inhaltsverzeichnis | 7 |
Vorwort zur Fünften Auflage | 17 |
Aus dem Vorwort zur Ersten Auflage | 19 |
1 Bewegung von Himmelskörpern | 21 |
1.1 Gravitation | 21 |
1.2 Das Zweikörperproblem | 22 |
1.2.1 Keplersche Gesetze | 22 |
1.2.2 Bahnbestimmung | 26 |
1.2.3 Kreisbahnen | 27 |
1.2.4 Entweichgeschwindigkeit | 27 |
1.2.5 Gezeitenkräfte | 28 |
1.3 Mehr- und Vielteilchensysteme | 29 |
1.3.1 Reduziertes Dreikörperproblem | 29 |
1.3.2 Störungsrechung | 31 |
1.3.3 Energieerhaltung und Virialsatz | 32 |
1.4 Zur allgemeinen Relativitätstheorie | 34 |
1.4.1 Grundzüge | 34 |
1.4.2 Starke Gravitationsfelder | 36 |
1.5 Koordinatensysteme | 37 |
1.5.1 Das Horizontsystem | 38 |
1.5.2 Äquatorialsysteme | 38 |
1.5.3 Das Ekliptikalsystem | 41 |
1.5.4 Das Galaktische System | 41 |
1.5.5 Präzession und Nutation | 42 |
1.5.6 Koordinaten-Änderung durch Präzession | 44 |
1.6 Astronomie und Zeit | 45 |
1.6.1 Die Sternzeit | 45 |
1.6.2 Die wahre Sonnenzeit | 45 |
1.6.3 Die mittlere Sonnenzeit | 46 |
1.6.4 Ortszeit – Zonenzeit – Weltzeit | 48 |
1.6.5 Das Jahr | 48 |
1.6.6 Präzisionszeitmessungen | 50 |
1.7 Sternörter | 51 |
1.7.1 Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen | 51 |
1.7.2 Die Messung von Sternörtern | 51 |
1.7.3 Die Aberration des Lichts | 53 |
1.8 Die Parallaxe | 54 |
1.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 1 | 56 |
2 Strahlung | 59 |
2.1 Das elektromagnetische Spektrum | 59 |
2.2 Astrophysikalische Messgrößen | 60 |
2.2.1 Intensität und Strahlungsstrom | 61 |
2.2.2 Die astronomische Magnitudenskala | 62 |
2.2.3 Helligkeitssysteme | 64 |
2.2.4 Farben | 66 |
2.2.5 Weitere Messgrößen | 67 |
2.3 Elementare Strahlungsprozesse | 68 |
2.3.1 Emission und Absorption | 68 |
2.3.2 Hohlraumstrahlung | 70 |
2.3.3 Spektrallinien | 73 |
2.3.4 Synchrotronstrahlung | 74 |
2.4 Kosmische Teilchen und Gravitationswellen | 75 |
2.4.1 Kosmische Strahlung und Teilchenströme | 76 |
2.4.2 Neutrinos | 77 |
2.4.3 Gravitationswellen | 77 |
2.5 Ausbreitung von Strahlung | 78 |
2.5.1 Absorption in Materie | 78 |
2.5.2 Strahlungstransport | 79 |
2.5.3 Dopplereffekt | 81 |
2.6 Auswirkungen der Erdatmosphäre | 81 |
2.6.1 Atmosphärische Transmission | 82 |
2.6.2 Refraktion | 83 |
2.6.3 Streuung | 84 |
2.6.4 Szintillation und „Seeing“ | 85 |
2.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 2 | 86 |
3 Astronomische Instrumente | 89 |
3.1 Teleskope | 89 |
3.1.1 Grundlagen | 89 |
3.1.2 Beugung | 93 |
3.1.3 Abbildungsfehler | 94 |
3.1.4 Auflösungsvermögen | 95 |
3.1.5 Astronomische Teleskope | 97 |
3.1.6 Spezielle Teleskoptypen | 99 |
3.2 Detektoren | 100 |
3.3 Beobachtungstechniken | 103 |
3.3.1 Photometrie | 103 |
3.3.2 Spektroskopie | 105 |
3.3.3 Adaptive Optik | 108 |
3.3.4 Interferometrie | 110 |
3.3.5 Elektronische Bildverarbeitung | 113 |
3.4 Observatorien | 114 |
3.4.1 Bodengebundene Sternwarten | 114 |
3.4.2 Radioobservatorien | 116 |
3.4.3 Observatorien im Weltraum | 117 |
3.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 3 | 119 |
4 Das Sonnensystem | 121 |
4.1 Mitglieder und Dimensionen des Systems | 121 |
4.2 Bahnbewegungen | 123 |
4.2.1 Bahnen der Planeten | 123 |
4.2.2 Die Erdbahn | 125 |
4.2.3 Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge | 126 |
4.3 Das System Erde-Mond | 128 |
4.3.1 Bewegung um die Erde | 128 |
4.3.2 Bewegung um die Sonne | 130 |
4.3.3 Rotation des Mondes | 131 |
4.3.4 Finsternisse | 131 |
4.4 Physik der Planeten | 133 |
4.4.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen | 134 |
4.4.2 Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären | 138 |
4.4.3 Gesamtaufbau | 138 |
4.4.4 Auswirkung von Rotation | 141 |
4.4.5 Oberflächenformen terrestrischer Planeten | 143 |
4.5 Monde | 145 |
4.5.1 Stabilität im Gezeitenfeld | 145 |
4.5.2 Eigenschaften von Monden im Sonnensystem | 147 |
4.6 Kleine Körper im Sonnensystem | 148 |
4.6.1 Zwergplaneten und Plutoiden | 148 |
4.6.2 Asteroiden | 149 |
4.6.3 Trans-Neptun-Objekte | 150 |
4.6.4 Kometen | 150 |
4.7 Zur Entstehung des Sonnensystems | 153 |
4.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 4 | 155 |
5 Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen | 157 |
5.1 Strahlungsleistung | 157 |
5.1.1 Leuchtkraft | 157 |
5.1.2 Absolute Helligkeit | 158 |
5.1.3 Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur | 159 |
5.2 Radius, Masse und hieraus abgeleitete Größen | 160 |
5.2.1 Sternradius | 160 |
5.2.2 Sternmasse | 162 |
5.2.3 Mittlere Dichte und Schwerebeschleunigung | 164 |
5.3 Sternspektren und Spektralklassifikation | 165 |
5.3.1 Definition der Spektralklassen | 166 |
5.3.2 Leuchtkraftklassen | 171 |
5.3.3 Praxis der Spektralklassifikation | 172 |
5.4 Rotation der Sterne | 174 |
5.5 Beziehungen zwischen verschiedenen Messgrößen | 177 |
5.5.1 Hertzsprung-Russell-Diagramm | 177 |
5.5.2 Farben-Helligkeits-Diagramm | 180 |
5.5.3 Masse-Leuchtkraft- und Masse-Radius-Beziehung für Hauptreihensterne | 182 |
5.6 Veränderliche Sterne | 184 |
5.7 Doppelsterne und Mehrfachsysteme | 186 |
5.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 5 | 188 |
6 Die Außenschichten von Sonne und Sternen | 191 |
6.1 Die Außenschichten der Sonne | 191 |
6.1.1 Die Photosphäre | 191 |
6.1.2 Die Chromosphäre | 193 |
6.1.3 Die Übergangsregion zur Korona | 194 |
6.1.4 Die solare Korona | 195 |
6.1.5 Der Sonnenwind | 197 |
6.2 Die Aktivität der Sonne | 199 |
6.2.1 Sonnenflecken | 199 |
6.2.2 Eruptionen | 201 |
6.2.3 Radio- und Röntgenstrahlung der Sonne | 202 |
6.2.4 Das Magnetfeld der Sonne | 203 |
6.3 Sternaktivität | 205 |
6.3.1 Phänomene | 205 |
6.3.2 Stellare Dipolfelder | 207 |
6.4 Physik der Sternatmosphären | 207 |
6.4.1 Schichtung einer Sternatmosphäre | 207 |
6.4.2 Modellatmosphären | 210 |
6.5 Analyse von Sternspektren | 212 |
6.5.1 Absorptionsquerschnitt und Linienverbreiterung | 212 |
6.5.2 Anregung und Ionisation | 214 |
6.5.3 Absorptionskoeffizient und Sternspektren | 216 |
6.5.4 Stärke von Absorptionslinien | 217 |
6.5.5 Die chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären | 220 |
6.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 6 | 223 |
7 Innerer Aufbau der Sterne | 225 |
7.1 Grundgleichungen des Sternaufbaus | 225 |
7.1.1 Massenverteilung | 226 |
7.1.2 Mechanisches Gleichgewicht und Virialsatz | 227 |
7.1.3 Energiesatz | 228 |
7.1.4 Energietransport | 230 |
7.1.5 Gesamtproblem | 231 |
7.2 Materialfunktionen | 232 |
7.2.1 Die Zustandsgleichung | 232 |
7.2.2 Der Absorptionskoeffizient | 234 |
7.3 Nukleare Energieerzeugung | 235 |
7.3.1 Wasserstoffbrennen | 237 |
7.3.2 Heliumbrennen | 238 |
7.3.3 Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumbrennen | 239 |
7.4 Einfache Sternmodelle | 241 |
7.4.1 Sternmodell für eine Sonnenmasse | 241 |
7.4.2 Hauptreihensterne | 243 |
7.4.3 Braune Zwerge | 246 |
7.4.4 Sterne mit Konvektion und die Hayashi-Linie | 246 |
7.4.5 Weiße Zwerge | 248 |
7.5 Beobachtungen des Inneren von Sternen | 250 |
7.5.1 Helio- und Asteroseismologie | 250 |
7.5.2 Solare und stellare Neutrinos | 251 |
7.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 7 | 253 |
8 Sternentstehung und Sternentwicklung | 255 |
8.1 Sternentstehung | 255 |
8.1.1 Voraussetzungen für gravitativen Kollaps | 255 |
8.1.2 Ablauf des Kollaps | 257 |
8.1.3 Protosterne und Akkretionsscheiben | 258 |
8.1.4 Entwicklung bis zur Hauptreihe | 260 |
8.2 Hauptreihensterne | 262 |
8.2.1 Energiereservoire und Zeitskalen | 262 |
8.2.2 Sternentwicklung auf der Hauptreihe | 264 |
8.3 Von der Hauptreihe zum Riesenast | 265 |
8.3.1 Heliumbrennen | 265 |
8.3.2 Rote Riesen | 268 |
8.3.3 Vergleich mit Beobachtungen | 270 |
8.3.4 Pulsationsveränderliche | 273 |
8.4 Spätstadien der Sternentwicklung | 276 |
8.5 Endprodukte der Sternentwicklung | 278 |
8.5.1 Weiße Zwerge | 278 |
8.5.2 Supernovae | 279 |
8.5.3 Neutronensterne und Pulsare | 282 |
8.5.4 Schwarze Löcher | 285 |
8.6 Enge Doppelsternsysteme | 286 |
8.6.1 Äquipotentialflächen | 286 |
8.6.2 Massentransfer und Akkretionsscheiben | 287 |
8.6.3 Akkretionsscheiben um Weiße Zwerge | 289 |
8.6.4 Röntgendoppelsterne | 290 |
8.6.5 Zur Entwicklung enger Doppelsternsysteme | 292 |
8.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 8 | 293 |
9 Extrasolare Planetensysteme | 295 |
9.1 Die Suche nach extrasolaren Planeten | 295 |
9.2 Nachweis von Exoplaneten: Radialgeschwindigkeiten | 296 |
9.2.1 Beschreibung der Methode | 297 |
9.2.2 Planeten auf exzentrischen Bahnen | 299 |
9.2.3 Systeme mit mehreren Planeten | 301 |
9.3 Weitere Methoden zum Nachweis von Exoplaneten | 302 |
9.3.1 Sternbedeckungen | 302 |
9.3.2 Astrometrische Suche | 303 |
9.3.3 Direkte Abbildung von Planeten | 304 |
9.3.4 Mikro-Gravitationslinseneffekt | 305 |
9.3.5 Planeten um Pulsare | 306 |
9.4 Eigenschaften von Exoplaneten | 306 |
9.4.1 Verteilung der Bahnparameter | 307 |
9.4.2 Massen, Radien und Dichten | 308 |
9.4.3 Temperaturen, Atmosphären, Oberflächen | 309 |
9.4.4 Eigenschaften der Zentralsterne | 310 |
9.4.5 Protoplanetare Scheiben | 311 |
9.5 Entstehung von Planetensystemen | 312 |
9.5.1 Bildung protoplanetarer Scheiben | 312 |
9.5.2 Planetesimale | 313 |
9.5.3 Entstehung der Planeten | 315 |
9.5.4 Entwicklung von Planetensystemen | 316 |
9.6 Leben im Weltall? | 317 |
9.6.1 Entwicklung von Leben auf der Erde | 317 |
9.6.2 Habitable Zonen in Planetensystemen | 318 |
9.6.3 Suche nach extraterrestrischem Leben | 320 |
9.6.4 Zur Wahrscheinlichkeit extrasolaren Lebens: Die Drake-Formel | 322 |
9.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 9 | 323 |
10 Interstellare Materie | 325 |
10.1 Physikalische Besonderheiten des ISM | 325 |
10.1.1 Thermodynamisches Ungleichgewicht | 325 |
10.1.2 Druckgleichgewicht | 327 |
10.1.3 Phasen des interstellaren Mediums | 329 |
10.2 Das kühle interstellare Gas | 330 |
10.2.1 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs | 330 |
10.2.2 Metalle im neutralen ISM | 332 |
10.2.3 Molekülwolken | 333 |
10.3 Das warme ISM | 336 |
10.3.1 H ii-Regionen | 336 |
10.3.2 Planetarische Nebel | 340 |
10.3.3 Diffuses warmes Gas | 341 |
10.4 Das heiße interstellare Medium | 342 |
10.4.1 Nachweis des heißen Gases | 342 |
10.4.2 Supernovae und interstellare Stoßfronten | 342 |
10.5 Interstellarer Staub | 345 |
10.5.1 Interstellare Extinktion | 345 |
10.5.2 Thermische Strahlung des Staubs | 348 |
10.5.3 Herkunft und Zusammensetzung des Staubes | 349 |
10.6 Interstellare Kühlprozesse | 350 |
10.7 Der Materiekreislauf | 351 |
10.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 10 | 352 |
11 Das Milchstraßensystem | 355 |
11.1 Struktur der Milchstraße | 355 |
11.1.1 Koordinaten und Geschwindigkeiten | 357 |
11.2 Entfernungsbestimmung | 358 |
11.2.1 Trigonometrische Parallaxen | 358 |
11.2.2 Dynamische Parallaxen | 359 |
11.2.3 Entfernung von Sternhaufen | 360 |
11.2.4 Standardkerzen | 361 |
11.3 Stellarstatistik | 362 |
11.3.1 Sterne der Sonnenumgebung | 363 |
11.3.2 Leuchtkraftfunktion | 364 |
11.3.3 Massenfunktion der Sterne | 365 |
11.3.4 Anzahl-Helligkeits-Relation | 367 |
11.3.5 Sternzählungen und Extinktion | 369 |
11.4 Rotation der Milchstraße | 370 |
11.4.1 Differentielle Rotation | 370 |
11.4.2 Die Rotationskurve der Milchstraße | 374 |
11.4.3 Massenverteilung der Milchstraße | 376 |
11.4.4 Stöße zwischen Sternen | 378 |
11.5 Komponenten des Milchstraßensystems | 381 |
11.5.1 Die galaktische Scheibe und die Spiralarme | 381 |
11.5.2 Der galaktische Halo | 384 |
11.5.3 Das Zentralellipsoid (Bulge) | 384 |
11.5.4 Das galaktische Zentrum | 385 |
11.6 Sternhaufen | 389 |
11.6.1 Offene Sternhaufen | 389 |
11.6.2 Kugelsternhaufen | 391 |
11.7 Sternpopulationen | 392 |
11.8 Zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße | 394 |
11.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 11 | 396 |
12 Galaxien | 399 |
12.1 Extragalaktische Entfernungsbestimmung | 399 |
12.1.1 Standardkerzen | 400 |
12.1.2 Die extragalaktische Entfernungsleiter | 402 |
12.1.3 Die Hubble-Beziehung | 403 |
12.2 Klassifikation von Galaxien | 405 |
12.3 Hubble-Schema | 406 |
12.3.1 Erweiterte Galaxienklassifikation | 408 |
12.4 Globale Eigenschaften | 409 |
12.4.1 Lineardimensionen und Leuchtkräfte | 409 |
12.4.2 Farben und Spektren | 411 |
12.4.3 Massen | 413 |
12.5 Dynamischer Aufbau von Galaxien | 414 |
12.5.1 Strukturen | 414 |
12.5.2 Rotationskurven von Spiralgalaxien | 416 |
12.5.3 Spiralarme | 418 |
12.5.4 Balkenspiralen | 419 |
12.5.5 Elliptische Galaxien | 420 |
12.5.6 Skalierungsrelationen für Galaxien | 422 |
12.5.7 Schwarze Löcher in Galaxienzentren | 423 |
12.6 Zeitliche Entwicklung von Galaxien | 424 |
12.6.1 Verlauf der Sternentstehung | 424 |
12.6.2 Materiekreislauf und chemische Entwicklung | 426 |
12.6.3 Leuchtkraftentwicklung | 427 |
12.6.4 Wechselwirkung zwischen Galaxien | 427 |
12.6.5 Galaxienverschmelzung | 429 |
12.6.6 Galaxien im jungen Universum | 431 |
12.7 Aktive Galaxienkerne und Quasare | 432 |
12.7.1 Seyfert-Galaxien | 433 |
12.7.2 Radiogalaxien | 433 |
12.7.3 Quasare | 435 |
12.7.4 Der extragalaktische Röntgenhintergrund | 437 |
12.7.5 Struktur von aktiven Galaxienkernen | 438 |
12.7.6 Energieerzeugung durch Akkretion | 440 |
12.7.7 Eddington-Leuchtkraft und Massenwachstum | 441 |
12.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 12 | 443 |
13 Die Verteilung der Materie im Universum | 445 |
13.1 Die Lokale Gruppe | 445 |
13.2 Die räumliche Verteilung von Galaxien | 448 |
13.2.1 Galaxienkataloge | 448 |
13.2.2 Gruppen, Haufen und Superhaufen | 448 |
13.2.3 Großräumige Struktur der Galaxienverteilung | 450 |
13.3 Galaxienstatistik | 453 |
13.3.1 Anzahldichte und radiale Verteilung von Galaxien | 453 |
13.3.2 Leuchtkraftfunktion | 454 |
13.3.3 Entwicklung der Galaxienpopulation | 456 |
13.4 Galaxienhaufen | 457 |
13.4.1 Charakterisierung von Haufen | 457 |
13.4.2 Dynamik von Galaxienhaufen | 460 |
13.4.3 Massenbestimmung | 461 |
13.4.4 Zur Entwicklung von Galaxien in Haufen | 463 |
13.5 Dunkle Materie | 464 |
13.5.1 Das intergalaktische Medium | 465 |
13.5.2 Gravitationslinsen | 466 |
13.5.3 Nicht-baryonische Dunkle Materie | 470 |
13.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 13 | 472 |
14 Kosmologie | 473 |
14.1 Das empirische Fundament der Kosmologie | 473 |
14.1.1 Die Expansion des Universums | 473 |
14.1.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung | 475 |
14.1.3 Olbers’ Paradox | 477 |
14.1.4 Das kosmologische Prinzip | 478 |
14.2 Weltmodelle | 478 |
14.2.1 Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik | 479 |
14.2.2 Raumkrümmung | 480 |
14.2.3 Grundgleichungen der Kosmologie | 482 |
14.2.4 Rotverschiebung und Distanzen | 486 |
14.3 Kosmologische Parameter | 488 |
14.3.1 Expansionsrate und kritische Dichte | 488 |
14.3.2 Materiedichte | 489 |
14.3.3 Strahlungsdichte | 490 |
14.3.4 Raumkrümmung | 490 |
14.3.5 Das Alter des Universums | 491 |
14.3.6 Dunkle Energie | 491 |
14.4 Der Urknall und das frühe Universum | 494 |
14.4.1 Bausteine des Kosmos | 494 |
14.4.2 Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter | 495 |
14.4.3 Die Temperatur des Universums | 497 |
14.4.4 Der Hochenergiekosmos | Inflation | 499 |
14.4.5 Entstehung der leichten Elemente | 502 |
14.4.6 Die Entkopplung von Strahlung und Materie | 503 |
14.5 Die Entstehung von Galaxien | 504 |
14.5.1 Fluktuationen der Hintergrundstrahlung | 505 |
14.5.2 Wachstum von Dichtekontrasten | 506 |
14.5.3 Strukturbildung im Universum | 508 |
14.5.4 Kollaps und Galaxienentstehung | 510 |
14.5.5 Die ersten Sterne | 511 |
14.6 Die Zukunft des Weltalls | 513 |
14.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 14 | 515 |
Farbtafeln | 517 |
Anhang A | 533 |
A.1 Physikalische Konstanten und Einheiten | 533 |
A.2 Astronomische Daten | 534 |
A.2.1 Körper des Sonnensystems | 534 |
A.2.2 Entfernungen und kosmologische Parameter | 535 |
A.2.3 Charakteristische Größen von Sternen | 536 |
A.3 Lösungen der Übungsaufgaben | 538 |
Anhang B: Weiterführende Literatur | 545 |
Anhang C: Astronomische Seiten im Internet | 549 |
Anhang D: Abbildungs- und Quellennachweis | 551 |
Register | 553 |