Astronomie und Astrophysik ein Grundkurs
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|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Weinheim
WILEY-VCH
2009
|
| Ausgabe: | 5., aktualisierte und erw. Aufl. |
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| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
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Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur Fünften Auflage
XV
Aus dem Vorwort zur Ersten Auflage XVII
1
Bewegung von Himmelskörpern
I
1.1
Gravitation 1
1.2
Das Zweikörperproblem 2
1.2.1
Keplersche Gesetze 2
1.2.2
Bahnbestimmung 6
1.2.3
Kreisbahnen 7
1.2.4
Entweichgeschwindigkeit 7
1.2.5
Gezeitenkräfte 8
1.3
Mehr- und Vielteilchensysteme 9
1.3.1
Reduziertes Dreikörperproblem 9
1.3.2
Störungsrechung
î Ï
1.3.3
Energieerhaltung und Virialsatz 12
1.4
Zur allgemeinen Relativitätstheorie 14
1.4.1
Grundzüge 14
1.4.2
Starke Gravitationsfelder 16
1.5
Koordinatensysteme 17
1.5.1
Das Horizontsystem 18
1.5.2
Äquatorial Systeme 18
1.5.3
Das Eldiptikalsystem 21
1.5.4
Das Galaktische System 21
1.5.5
Präzession und
Nutation
22
1.5.6
Koordinaten-Änderung durch Präzession
1.6
Astronomie und Zeit 25
1.6.1
Die Sternzeit 25
1.6.2
Die wahre Sonnenzeit 25
1.6.3
Die mittlere Sonnenzeit 26
1.6.4
Ortszeit — Zonenzeit - Weltzeit 28
1.6.5
Das fahr 28
1.6.6
Präzisionszeitmessungen 30
24
Astronomie und Astrophysik: Ein Grundkurs, 5. Auflage
Alfred Weigert, Heinrich J. Wendker und Lutz Wisotzki
Copyright © 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 978-3-527-40793-4
VI
Inhaltsverzeichnis
1.7 Sternörter 31
1.7.1 Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen 31
1.7.2 Die Messung von Sternörtern 31
1.7.3 Die Aberration des Lichts 33
1.8 Die Parallaxe 34
1.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 1 36
2 Strahlung 39
2.1 Das elektromagnetische Spektrum 39
2.2 Astrophysikalische Messgrößen 40
2.2.1 Intensität und Strahlungsstrom
4Ï
2.2.2 Die astronomische Magnitudenskala 42
2.2.3 Helligkeitssysteme 44
2.2.4 Farben 46
2.2.5 Weitere Messgrößen 47
2.3 Elementare Strahlungsprozesse 48
2.3.1 Emission und Absorption 48
2.3.2 Hohlraumstrahlung 50
2.3.3 Spektrallinien 53 j,
2.3.4 Synchrotronstrahlung 54 \
2.4 Kosmische Teilchen und Gravitationswellen 55
2.4.1 Kosmische Strahlung und Teilchenströme 56
2.4.2 Neutrinos 57
2.4.3 Gravitationswellen 57
2.5 Ausbreitung von Strahlung 58
2.5.1 Absorption in Materie 58
2.5.2 Strahlungstransport 59
2.5.3 Dopplereffekt 6
í
2.6 Auswirkungen der Erdatmosphäre
6Î
2.6.1 Atmosphärische Transmission 62
2.6.2 Refraktion 63
2.6.3 Streuung 64
2.6.4 Szintillation und
„Seeing"
65
2.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 2 66
3 Astronomische Instrumente 69
3.1 Teleskope 69
3.1.1 Grundlagen 69
3.1.2 Beugung 73
3.1.3 Abbildungsfehler 74
3.1.4 Auflösungsvermögen 75
3.1.5 Astronomische Teleskope 77
3.1.6 Spezielle Teleskoptypen 79
3.2 Detektoren 80
Inhaltsverzeichnis
I
VII
3.3 Beobachtungstechniken 83
3.3.1
Photometrie
S3
3.3.2 Spektroskopie 85
3.3.3
Adaptive
Optik 88
3.3.4
Interferometrie
90
3.3.5 Elektronische Bildverarbeitung 93
3.4 Observatorien 94
3.4.1 Bodengebundene Sternwarten 94
3.4.2 Radioobservatorien 96
3.4.3 Observatorien im Weltraum 97
3.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 3 99
4 Das Sonnensystem 202
4.1 Mitglieder und Dimensionen des Systems 202
4.2 Bahnbewegungen 203
4.2.1 Bahnen der Planeten 203
4.2.2 Die Erdbahn 105
4.2.3 Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge 206
4.3 Das System Erde-Mond 208
4.3.1 Bewegung um die Erde 20S
4.3.2 Bewegung um die Sonne 2 20
4.3.3 Rotation des Mondes 2 22
4.3.4 Finsternisse 222
4.4 Physik der Planeten 2 23
4.4.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen
ÎÏ4
4.4.2 Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären
í
18
4.4.3 Gesamtaufbau
Í2S
4.4.4 Auswirkung von Rotation 121
4.4.5 Oberflächenformen terrestrischer Planeten 223
4.5 Monde 225
4.5.1 Stabilität im Gezeitenfeld 125
4.5.2 Eigenschaften von Monden im Sonnensystem 227
4.6 Kleine Körper im Sonnensystem 128
4.6.1 Zwergplaneten und
Plútóidén
128
4.6.2 Asteroiden 229
4.6.3 Trans-Neptun-Objekte 230
4.6.4 Kometen 230
4.7 Zur Entstehung des Sonnensystems 133
4.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 4 235
5 Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen 237
5.1 Strahlungsleistung 137
5.1.1 Leuchtkraft 237
5.1.2 Absolute Helligkeit 238
5.1.3 Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur 239
VIII Inhaltsverzeichnis
5.2
Radius,
Masse und hieraus abgeleitete Größen 140
5.2.1 Sternradius 140
5.2.2 Sternmasse 142
5.2.3 Mittlere Dichte und Schwerebeschleunigung
Ί44
5.3 Sternspektren und Spektralklassifikation 145
5.3.1 Definition der Spektralklassen 146
5.3.2 Leuchtkraftklassen 151
5.3.3 Praxis der Spektralklassifikation 152
5.4 Rotation der Sterne 154
5.5 Beziehungen zwischen verschiedenen Messgrößen 157
5.5.1 Hertzsprung-Russell-Diagramm 257
5.5.2 Farben-Helligkeits-Diagramm 160
5.5.3 Masse-Leuchtkraft- und Masse-Radius-Beziehung für
Hauptreihensterne 162
5.6 Veränderliche Sterne 164
5.7 Doppelsterne und Mehrfachsysteme 766
5.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 5 168
6 Die Außenschichten von Sonne und Sternen 171
6.1 Die Außenschichten der Sonne 171
6.1.1 Die Photosphäre 171
6.1.2 Die Chromosphäre 173
6.1.3 Die Übergangsregion zur Korona 174
6.1.4 Die solare Korona 175
6.1.5 Der Sonnenwind 177
6.2 Die Aktivität der Sonne 279
6.2.1 Sonnenflecken
í
79
6.2.2 Eruptionen 181
6.2.3 Radio- und Röntgenstrahlung der Sonne 182
6.2.4 Das Magnetfeld der Sonne 183
6.3 Sternaktivität 185
6.3.1 Phänomene 185
6.3.2 Stellare Dipolfelder 187
6.4 Physik der Sternatmosphären 187
6.4.1 Schichtung einer Sternatmosphäre 187
6.4.2 Modellatmosphären 290
6.5 Analyse von Sternspektren 192
6.5.1 Absorptionsquerschnitt und Linienverbreiterung 192
6.5.2 Anregung und Ionisation 294
6.5.3 Absorptionskoeffizient und Sternspektren 296
6.5.4 Stärke von Absorptionslinien 197
6.5.5 Die chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären 200
6.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 6 203
Inhaltsverzeichnis
I IX
7 Innerer Aufbau der Sterne 205
7.1 Grundgleichungen des Sternaufbaus 205
7.1.1 Massen Verteilung 206
7.1.2 Mechanisches Gleichgewicht und Virialsatz 207
7.1.3 Energiesatz 208
7.1
A
Energietransport 210
7.1.5 Gesamtproblem 211
7.2 Materialfunktionen 212
7.2.1 Die Zustandsgieichung 212
7.2.2 Der Absorptionskoeffizient 214
7.3 Nukleare Energieerzeugung 215
7.3.1 Wasserstoffbrennen 217
7.3.2 Heliumbrennen 218
7.3.3 Kohlenstoff-, Sauerstoff-und Siliziumbrennen
2Ï9
7.4 Einfache Sternmodelle 22
Ï
7.4.1 Sternmodell für eine Sonnenmasse 221
7.4.2 Hauptreihensterne 223
7.4.3 Braune Zwerge 226
7.4.4 Sterne mit
Konvektion
und die Hayashi-Linie 226
7.4.5 Weiße Zwerge 228
7.5 Beobachtungen des Inneren von Sternen 230
7.5.1
Helio-
und Asteroseismologie 230
7.5.2 Solare und stellare Neutrinos 231
7.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 7 233
S
Sternentstehung und Sternentwicklung 235
8.1 Sternentstehung 235
8.1.1 Voraussetzungen für gravitativen Kollaps 235
8.1.2 Ablauf des Kollaps 237
8.1.3
Protosterne
und Akkretionsscheiben 238
8.1.4 Entwicklung bis zur Hauptreihe 240
8.2 Hauptreihensterne 242
8.2.1 Energiereservoire und Zeitskalen 242
8.2.2 Sternentwicklung auf der Hauptreihe 244
8.3 Von der Hauptreihe zum Riesenast 245
8.3.1 Heliumbrennen 245
8.3.2 Rote Riesen 248
8.3.3 Vergleich mit Beobachtungen 250
8.3.4 Pulsationsveränderliche 253
8.4 Spätstadien der Sternentwicklung 256
8.5 Endprodukte der Sternentwicklung 258
8.5.1 Weiße Zwerge 258
8.5.2 Supernovae 259
8.5.3 Neutronensterne und Pulsare 262
8.5.4 Schwarze Löcher 265
Χ Ι
Inhaltsverzeichnis
8.6 Enge Doppel
stern
système
266
8.6.1 Äquipotentialflächen 266
8.6.2 Massentransfer und Akkretionsscheiben 267
8.6.3 Akkretionsscheiben um Weiße Zwerge 269
8.6.4 Röntgendoppelsterne 270
8.6.5 Zur Entwicklung enger Doppelsternsysteme 272
8.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 8 273
9 Extrasolare Planetensysteme 275
9.1 Die Suche nach extrasolaren Planeten 275
9.2 Nachweis von Exoplaneten: Radialgeschwindigkeiten 276
9.2.1 Beschreibung der Methode 277
9.2.2 Planeten auf exzentrischen Bahnen 279
9.2.3 Systeme mit mehreren Planeten 282
9.3 Weitere Methoden zum Nachweis von Exoplaneten 282
9.3.1 Sternbedeckungen 282
9.3.2 Astrometrische Suche 283
9.3.3 Direkte Abbildung von Planeten 284
9.3.4 Mikro-Gravitationslinseneffekt 285
ι
9.3.5 Planeten um Pulsare 286
9.4 Eigenschaften von Exoplaneten 286
9.4.1 Verteilung der Bahnparameter 287
9.4.2 Massen, Radien und Dichten 288
9.4.3 Temperaturen, Atmosphären, Oberflächen 289
9.4.4 Eigenschaften der Zentralsterne 290
9.4.5 Protoplanetare Scheiben 292
9.5 Entstehung von Planetensystemen 292
9.5.1 Bildung protoplanetarer Scheiben 292
9.5.2 Planetesimale 293
9.5.3 Entstehung der Planeten 295
9.5.4 Entwicklung von Planetensystemen 296
9.6 Leben im Weltall? 297
9.6.1 Entwicklung von Leben auf der Erde 297
9.6.2
Habitable
Zonen in Planetensystemen 298
9.6.3 Suche nach extraterrestrischem Leben 300
9.6.4 Zur Wahrscheinlichkeit extrasolaren Lebens: Die Drake-Formel 302
9.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 9 303
10 Interstellare Materie 305
10.1 Physikalische Besonderheiten des ISM 305
10.1.1 Thermodynamisches Ungleichgewicht 305
10.1.2 Drackgleichgewicht 307
10.1.3 Phasen des interstellaren Mediums 309
10.2 Das kühle interstellare Gas 320
10.2.1 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs 320
Inhaltsverzeichnis
XI
10.2.2
10.2.3
10.3
10.3.1
10
.3.2
10.3.3
10.4
10.4.1
10.4.2
10.5
10
.5.1
10
.5.2
10
.5.3
10.6
10.7
10.8
Π
11
.1
11
.1.1
11
.2
11.
.2.1
11
.2.2
11
.2.3
11,
.2.4
11,
.3
11
.3.1
11,
.3.2
11,
.3.3
11.3.4
11,
3.5
11.4
11,
,4.1
п.
,4.2
11.
,4.3
и.
4.4
11.
5
11.
5.1
и.
5.2
11.
5.3
11.
.5.4
11.
6
п.
6.1
11.
6.2
11.
7
Metalle im neutralen
ISM
312
Molekülwolken 313
Das warme
ISM
316
Η
ii-Regionen 316
Planetarische Nebel 320
Diffuses warmes Gas 321
Das heiße interstellare Medium 322
Nachweis des heißen Gases 322
Supernovae und interstellare Stoßfronten 322
Interstellarer Staub 325
Interstellare Extinktion 325
Thermische Strahlung des Staubs 328
Herkunft und Zusammensetzung des Staubes 329
Interstellare Kühlprozesse 330
Der Materiekreislauf 331
Übungsaufgaben zu Kapitel 10 332
Das Milchstraßensystem 335
Struktur der Milchstraße 335
Koordinaten und Geschwindigkeiten 337
Entfernungsbestimmung 338
Trigonometrische Parallaxen 338
Dynamische Parallaxen 339
Entfernung von Sternhaufen 340
Standardkerzen 341
Stellarstatistik 342
Sterne der Sonnenumgebung 343
Leuchtkraftfunktion 344
Massenfunktion der Sterne 345
Anzahl-Helligkeits-Relation 347
Sternzählungen und Extinktion 349
Rotation der Milchstraße 350
Différentielle
Rotation 350
Die Rotationskurve der Milchstraße 354
Massenverteilung der Milchstraße 356
Stöße zwischen Sternen 358
Komponenten des Milchstraßensystems 361
Die galaktische Scheibe und die Spiralarme 361
Der galaktische
Halo
364
Das Zentralellipsoid
(Bulge)
364
Das galaktische Zentrum 365
Sternhaufen 369
Offene Sternhaufen 369
Kugelsternhaufen 371
Sternpopulationen 372
XII Inhaltsverzeichnis
11.8 Zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße 374
11.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 11 376
12 Galaxien 379
12.1 Extragalaktische Entfernungsbestimmung 379
12.1.1 Standardkerzen 380
12.1.2 Die extragalaktische Entfernungsleiter 382
12.1.3 Die Hubble-Beziehung 383
12.2 Klassifikation von Galaxien 385
12.3 Hubble-Schema 386
12.3.1 Erweiterte GalaxienkJassifikation 38S
12.4 Globale Eigenschaften 389
12.4.1 Lineardimensionen und Leuchtkräfte 389
12.4.2 Farben und Spektren 39J
12.4.3 Massen 393
12.5 Dynamischer Aufbau von Galaxien 394
12.5.1 Strukturen 394
12.5.2 Rotationskurven von Spiralgalaxien 396
12.5.3 Spiralarme 398 j,
12.5.4 Balkenspiralen 399 \
12.5.5 Elliptische Galaxien 400
12.5.6 Skalierungsrelationen für Galaxien 402
12.5.7 Schwarze Löcher in Galaxienzentren 403
12.6 Zeitliche Entwicklung von Galaxien 404
12.6.1 Verlauf der Sternentstehung 404
12.6.2 Materiekreislauf und chemische Entwicklung 406
12.6.3 Leuchtkraftentwicldung 407
12.6.4 Wechselwirkung zwischen Galaxien 407
12.6.5 Galaxienverschmelzung 409
12.6.6 Galaxien im jungen Universum
4ÎÏ
12.7 Aktive Galaxienkerne und Quasare 422
12.7.1 Seyfert-Galaxien 423
12.7.2 Radiogalaxien 423
12.7.3 Quasare 415
12.7.4 Der extragalaktische Röntgenhintergrund 417
12.7.5 Struktur von aktiven Galaxienkernen 418
12.7.6 Energieerzeugung durch Akkretion 420
12.7.7 Eddington-Leuchtkraft und Massenwachstum 422
12.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 12 423
13 Die Verteilung der Materie im Universum 425
13.1 Die Lokale Gruppe 425
13.2 Die räumliche Verteilung von Galaxien 428
13.2.1 Galaxienkataloge 428
13.2.2 Gruppen, Haufen und Superhaufen 428
Inhaltsverzeichnis XIII
13 2.3 Großräumige Struktur der Galaxienverteilung 430
13.3 Galaxienstatistik 433
13.3.1 Anzahldichte und radiale Verteilung von Galaxien 433
13.3.2 Leuchtkraftfunktion 434
13.3.3 Entwicklung der Galaxienpopulation 436
13.4 Galaxienhaufen 437
13.4.1 Charakterisierung von Haufen 437
13.4.2 Dynamik von Galaxienhaufen 440
13.4.3 Massenbestimmung
44Î
134.4 Zur Entwicklung von Galaxien in Haufen 443
13.5 Dunkle Materie 444
13.5.1 Das intergalaktische Medium 445
13.5.2 Gravitationslinsen 446
13.5.3 Nicht-baryonische Dunkle Materie 450
13.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 13 452
14 Kosmologie 453
14.1 Das empirische Fundament der Kosmologie 453
14.1.1 Die Expansion des Universums 453
14.1.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung 455
14.1.3 Olbers' Paradox 457
14.1.4 Das kosmologische Prinzip 458
14.2 Weltmodelle 458
14.2.1 Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik 459
14.2.2 Raumkrümmung 460
14.2.3 Grundgleichungen der Kosmologie 462
14.2.4 Rotverschiebung und Distanzen 466
14.3 Kosmologische Parameter 468
14.3.1 Expansionsrate und kritische Dichte 468
14.3.2 Materiedichte 469
14.3.3 Strahlungsdichte 470
14.3.4 Raumkrümmung 470
14.3.5 Das Alter des Universums 471
14.3.6 Dunkle Energie
47Ì
14.4 Der Urknall und das frühe Universum 474
14.4.1 Bausteine des Kosmos 474
14.4.2 Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter 475
14.4.3 Die Temperatur des Universums 477
14.4.4 Der Hochenergiekosmos; Inflation 479
14.4.5 Entstehung der leichten Elemente 482
14.4.6 Die Entkopplung von Strahlung und Materie 483
14.5 Die Entstehung von Galaxien 484
14.5.1 Fluktuationen der Hintergrundstrahlung 485
14.5.2 Wachstum von Dichtekontrasten 486
14.5.3 Strukturbildung im Universum 488
XIV Inhaltsverzeichnis
14.5.4 Kollaps und Galaxienentstehung 490
14.5.5 Die ersten Sterne 491
14.6 Die Zukunft des Weltalls 493
14.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 14 495
Farbtafeln 497
Anhang
A
513
A.l Physikalische Konstanten und Einheiten 513
A.2 Astronomische Daten 514
A.2.1 Körper des Sonnensystems 514
A.2.2 Entfernungen und
kosmologische
Parameter
5Ï5
A.2.3 Charakteristische Größen von Sternen 516
A.3 Lösungen der Übungsaufgaben 518
Anhang B: Weiterführende Literatur 525
AnhangC: Astronomische Seiten im Internet 529
Anhang
D:
Abbildungs-und Quellennachweis 531
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