Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 8 Sterne und Weltraum
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
de Gruyter
2002
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| Ausgabe: | 2., stark erw. und akt. Aufl. |
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
1 Grundlagen der Astronomie............................................ 1
Hilmar W.Duerbeck
1.1 Kosmische Informationsträger......................................... 1
1.1.1 Der Strahlungsstrom................................................. 1
1.1.2 Die spektrale Zusammensetzung....................................... 3
1.1.3 Die Richtung, aus der Strahlung zu uns dringt.......................... 4
1.2 Koordinatensysteme ................................................. 5
1.3 Sternpositionen ..................................................... 10
1.4 Inertialsysteme ...................................................... 13
1.5 Die Zeit in der Astronomie........................................... 15
1.5.1 Atomzeit
1.5.1 Koordinierte Weltzeit UTC........................................... 15
1.5.3 Ephemeridenzeit ET, Terrestrische Zeit TT und andere Zeitskalen.......... 16
1.6 Der Kalender....................................................... 19
1.7 Astronomische Längenmaße.......................................... 21
1.8 Historischer Abriß der Astronomie.................................... 23
1.9 Das Sonnensystem im Wandel......................................... 27
1.10 Astronomische Forschung heute....................................... 27
1.11 Informationsquellen und die Astronomie im Internet..................... 28
1.11.1 Zeitschriften ........................................................ 28
1.11.2 Astronomische Bibliographie/virtuelle Bibliothek......................... 29
1.11.3 Astronomische Datenarchive.......................................... 31
1.12 Astronomische Software.............................................. 33
2 Terrestrische Observatorien und Beobachtungstechniken................. 37
Hilmar W.Duerbeck
2.1 Atmosphärische Fenster für elektromagnetische Strahlung................. 37
2.2 Optische Teleskope.................................................. 38
2.2.1 Das Auflösungsvermögen............................................. 38
2.2.2 Die Lichtstärke..................................................... 40
2.2.3 Die Apertursynthese................................................. 40
2.2.4 Realisationen optischer Teleskope...................................... 41
2.3 Astronomische Photometrie........................................... 49
2.3.1 Meßtechnische Grundlagen........................................... 49
X
2.3.2
2.3.3 Anwendungen ...................................................... 56
2.4 Astronomische Spektroskopie......................................... 56
2.4.1 Meßtechnische Grundlagen........................................... 56
2.4.2 Spektroskope ....................................................... 57
2.4.3 Anwendungen ...................................................... 58
2.5 Optische
2.6 Infrarotastronomie .................................................. 62
2.7 Radioastronomie.................................................... 64
2.7.1 Das Radiofenster.................................................... 64
2.7.2 Realisationen von Radioteleskopen.................................... 65
2.7.3 Empfänger für Radiostrahlung........................................ 67
2.7.4 Anwendungen ...................................................... 69
2.7.5 Radarastronomie.................................................... 69
2.8 Suche nach extraterrestrischer Intelligenz (SETI)......................... 71
2.9 Neutrinoastronomie ................................................. 74
2.9.1 Allgemeines......................................................... 74
2.9.2 Meßtechnische Grundlagen........................................... 75
2.9.3 Ergebnisse.......................................................... 78
2.10 Kosmische Strahlung................................................. 80
2.11 Hochenergetische Gammastrahlung.................................... 84
2.12 Gravitationsstrahlung................................................ 86
2.12.1 Allgemeines, Quellen, Meßziele........................................ 86
2.12.2 Detektoren ......................................................... 88
2.13 Ausblick ........................................................... 90
3 Extraterrestrische Observatorien ........................................ 93
Fridtjof Speer, Josef Hoell
3.1 Wissenschaftliche Satelliten........................................... 93
3.1.1 Klassen von Extraterrestrischen Observatorien........................... 93
3.1.2 Die Satellitengruppe
3.1.3 Europäische Satellitenprojekte......................................... 100
3.2 Observatorien im Sichtbaren.......................................... 102
3.2.1 Das Hubble-Teleskop................................................ 102
3.2.1.1 Der Primärspiegel................................................... 108
3.2.1.2 Der optische Fehler.................................................. 110
3.2.1.3 Das Stabilisierungssystem............................................. 115
3.2.1.4 Die Instrumente..................................................... 116
3.2.1.5 Instandhaltungsflüge................................................. 119
3.2.1.6 Space
3.2.2 Der Astrometrie-Satellit Hipparcos.................................... 124
3.3 Das Compton-Observatorium im Gammastrahlenbereich.................. 127
3.4 Observatorien im Röntgenbereich...................................... 135
Inhalt
3.4.1 Das Einstein-Observatorium.......................................... 135
3.4.2 Der
3.4.3 Das Chandra-Observatorium.......................................... 147
3.4.4 Das XMM Newton-Observatorium.................................... 153
3.5 Observatorien im Infrarotbereich...................................... 159
3.5.1 Der Infrarot-Satellit
3.5.2 Das Infrarot-Observatorium ISO...................................... 160
3.5.3 Das Infrarot-Teleskop SIRTF......................................... 164
3.6 Der COBE-Sateffit im Mikrowellenbereich.............................. 167
3.7 Neue Pläne und Projekte............................................. 171
3.8 Fundamentale Fragen der Astrophysik................................. 176
4 Sterne und interstellare Materie......................................... 183
Helmut Scheffler, Johannes V.Feitzinger
4.1 Einleitung .......................................................... 183
4.2 Die Sternform der Materie............................................ 189
4.2.1 Die Sonne, der nächste Stern.......................................... 189
4.2.1.1 Radius, Masse, Rotation............................................. 189
4.2.1.2 Die Strahlung der Sonne............................................. 190
4.2.1.3 Leuchtkraft und effektive Temperatur.................................. 193
4.2.1.4 Fraunhofer-Linien und qualitative Analyse.............................. 194
4.2.2 Phänomene der Sonnenatmosphäre.................................... 195
4.2.2.1 Feinstruktur der Photosphäre......................................... 195
4.2.2.2 Chromospäre und Korona, Sonnenwind................................ 196
4.2.2.3 Solare Radiofrequenzstrahlung........................................ 200
4.2.2.4 Sonnenaktivität und Magnetfelder..................................... 202
4.2.3 Zustandgrößen der Sterne............................................ 205
4.2.3.1 Spektren und Spektralklassifikation.................................... 205
4.2.3.2 Strahlungsstrom, Radius und effektive Temperatur....................... 207
4.2.3.3 Sternhelligkeiten und Leuchtkräfte..................................... 210
4.2.3.4 Das Hertzsprung-Russell-Diagramm................................... 212
4.2.3.5 Sternmassen, Masse-Leuchtkraft-Beziehung, Rotation.................... 216
4.2.4 Physik der Sternatmosphären......................................... 219
4.2.4.1 Quantitative Analyse von Sternspektren................................ 219
4.2.4.2 Modelle von Sternatmosphären........................................ 223
4.2.4.3 Halbempirisches Modell der Sonnenatmosphäre......................... 225
4.2.4.4 Konvektionszone und Heizung der Sonnenkorona....................... 227
4.2.5 Innerer Aufbau und Entwicklung der Sterne............................ 228
4.2.5.1 Der Gleichgewichtszustand eines Sternes................................ 228
4.2.5.2 Energiequellen und Energiegleichgewicht................................ 231
4.2.5.3 Sternmodelle und Sternentwicklung.................................... 236
4.2.5.4 Späte Entwicklungsphasen und Endstadien.............................. 240
4.2.6 Veränderliche Sterne und andere Sondertypen........................... 241
4.2.6.1 Pulsierende Veränderliche............................................. 243
4.2.6.2 Kataklysmisehe Veränderliche......................................... 245
4.2.6.3 Supernovae und ihre Überreste........................................ 247
4.2.6.4 Of-Sterne, Wolf-Rayet-Sterne und Planetarische Nebel.................... 250
XII Inhalt
4.2.6.5
4.3 Interstellare Materie................................................. 254
4.3.1 Interstellarer Staub.................................................. 255
4.3.1.1 Interstellare Extinktion............................................... 255
4.3.1.2 Streulicht und Wärmestrahlung von den Staubteilchen.................... 260
4.3.1.3 Interstellare Polarisation und galaktisches Magnetfeld.................... 261
4.3.2 Diffuse Wolken interstellaren Gases.................................... 263
4.3.2.1 Interstellare Absorptionslinien in Sternspektren.......................... 263
4.3.2.2 Die 21 cm-Linie des atomaren Wasserstoifs.............................. 266
4.3.2.3 Modell des allgemein verbreiteten Mediums............................. 269
4.3.2.4 Kontinulierliche Radiofrequenzstrahlung und hochenergetische Teilchen..... 271
4.3.3 HII-Regionen....................................................... 273
4.3.3.1 Diffuse Emissionsnebel............................................... 273
4.3.3.2 Interpretation der optischen Beobachtungen............................. 275
4.3.3.3 Radioemission von HII-Regionen...................................... 279
4.3.4 Molekülwolken und Sternentstehung................................... 282
4.3.4.1 Interstellare Moleküle................................................ 282
4.3.4.2 Zustand der Molekülwolken.......................................... 285
4.3.4.3 Sternentstehung ..................................................... 286
4.4 Ausblick ........................................................... 291
5 Galaxien ............................................................... 299
Johannes V.Feitzinger
5.1 Galaxien und Astrophysik............................................ 299
5.1.1 Grundparameter der Galaxien......................................... 300
5.1.2 Galaxienkataloge und Auswahleffekte.................................. 302
5.2 Klassifikation der Galaxien........................................... 304
5.2.1 Normale Galaxien................................................... 305
5.2.2 Zwerggalaxien ...................................................... 309
5.2.3 Wechselwirkende Galaxien............................................ 312
5.2.3.1 Dynamische Reibung und verschmelzende Galaxien...................... 315
5.2.4 Sondertypen ........................................................ 316
5.3 Der Aufbau der Galaxien............................................. 318
5.3.1 Galaxiendurchmesser und Elliptizität................................... 319
5.3.2 Farben und Leuchtkräfte............................................. 321
5.3.3 Interstellare Materie................................................. 327
5.3.4 Massen ............................................................ 331
5.3.5 Sternpopulationen................................................... 334
5.3.6 Die physikalische Bedeutung der Galaxienklassifikation................... 338
5.4 Dynamik von Galaxien............................................... 343
5.4.1 Einfache Potentiale und Kraftgesetze................................... 345
5.4.2 Sternbahnen ........................................................ 348
5.4.3 Elliptische Systeme.................................................. 352
5.4.3.1 Balkenstrukturen .................................................... 356
5.4.4 Scheibengalaxien .................................................... 357
5.4.5 Dunkle Materie..................................................... 370
5.5 Strakturbildung in Galaxien.......................................... 371
Inhalt XIII
5.5.1 Energiegleichgewichte ................................................ 372
5.5.2 Spiralstruktur....................................................... 377
5.5.2.1 Dichtewellentheorie.................................................. 378
5.5.2.2 Stochastische Sternentstehung und Spiralstruktur........................ 382
5.5.3 Stern- und Gasdynamik in Balkensystemen............................. 388
5.5.4 Chemische Entwicklung in Galaxien................................... 390
5.5.5 Magnetfelder in Galaxien............................................. 394
5.6 Entferungsbestimmung von Galaxien................................... 397
5.6.1 Die weite und die kurze kosmische Entfernungsskala..................... 400
5.6.2 Die Hubble-Konstante............................................... 403
5.7 Aktive Galaxien und Quasare......................................... 406
5.7.1 Typenbeschreibungen und verallgemeinerte Klassifikation................. 407
5.7.2 Jets................................................................ 410
5.7.3 Ursachen der Aktivität: Die zentrale Maschine.......................... 412
5.7.4 Gravitationslinsen ................................................... 416
5.8 Galaxien als Bausteine des Kosmos.................................... 419
5.8.1 Morphologische Eigenschaften der Galaxienhaufen....................... 419
5.8.2 Dichteprofil, Größe, Masse........................................... 422
5.8.3 Kühlströme......................................................... 425
5.8.4 Superhaufen und Leerräume.......................................... 427
5.8.5 Die Stetigkeit der kosmischen Expansion............................... 429
6 Kosmologie ............................................................ 439
Hans Joachim Blome, Josef Hoell, Wolfgang Priester
6.1 Einleitung .......................................................... 439
6.2 Beobachtungsergebnisse .............................................. 441
6.2.1 Die Hubble-Beziehung............................................... 441
6.2.2 Die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung................................. 445
6.2.3 Die Dichte der leuchtenden Materie.................................... 448
6.2.4 Dunkelmaterie ...................................................... 451
6.2.5 Die heutige mittlere baryonische Dichte................................ 452
6.2.6 Die großräumige Struktur des Universums.............................. 457
6.2.7 Das Alter der Galaxis................................................ 459
6.3
6.3.1 Grundbegriffe der relativistischen Kosmologie........................... 461
6.3.2 Grundannahmen kosmologischer Modelle............................... 467
6.3.3 Die Grundgleichungen............................................... 468
6.3.4 Der Strahlungskosmos............................................... 472
6.3.5 Der Materiekosmos.................................................. 474
6.3.5.1 Einstein-Friedmann-Modelle
6.3.5.2
6.3.6 Entfernungen im Kosmos............................................. 487
6.3.7 Klassifizierung kosmologischer Modelle................................. 493
6.3.8 Entwicklungsweg der kosmologischen Modelle........................... 498
6.3.9
6.3.9.1 Die
6.3.9.2 Die a(z)-Relation (Winkeldurchmesser - Rotverschiebung)................ 504
XIV Inhalt
6.3.9.3 Zählungen.......................................................... 505
6.3.9.4 Analyse des Ly
6.3.9.5 Temperaturfluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung.......... 510
6.3.9.6 Gravitationslinsen ................................................... 513
6.3.10 Das
6.4 Standardmodell der kosmischen Entwicklung............................ 518
6.4.1 Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung im Kosmos.................. 518
6.4.2 Quantenkosmos zur Planck-Zeit....................................... 521
6.4.3 Inflationäre Expansion............................................... 523
6.4.4 Der Zerfall des
6.4.5 Hadronenära ....................................................... 527
6.4.6 Leptonenära........................................................ 528
6.4.7 Elementsynthese im frühen Kosmos.................................... 530
6.4.8 Rekombination des Plasmauniversums................................. 532
6.4.9 Die Frühzeit des Materiekosmos....................................... 533
6.5 Grenzen und Probleme der Kosmologie................................ 539
6.5.1 Anfangssingularität des kosmologischen Modells......................... 540
6.5.2 Kausalität und Horizonte im expandierenden Kosmos.................... 542
6.5.3 Isotropie und Mikrowellen-Hintergrundstrahlung........................ 542
6.5.4 Homogenität und Verteilung der Galaxien.............................. 543
6.5.5 Zur euklidischen Metrik des Weltraums................................. 544
6.5.6 Das Materie-Antimaterie-Problem..................................... 544
6.5.7 Die
6.6 Alternative Lösungen zur Urknallsingularität............................ 551
6.6.1 Eine de-Sitter-Lösung als Modell für den frühen Kosmos................. 553
6.6.2 Quantentheorie und Gravitation....................................... 560
6.6.3 Quantenkosmologie.................................................. 561
6.6.4 Stringkosmologie.................................................... 566
6.7 Anthropisches Prinzip................................................ 569
6.8 Die Zukunft des Kosmos............................................. 571
Bildanhang............................................................... 583
Zahlenwerte und Tabellen................................................. 591
Register.................................................................. 599
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