Astronomie und Astrophysik - Ein Grundkurs

von: Alfred Weigert, Heinrich J. Wendker, Lutz Wisotzki

Wiley-VCH, 2012

ISBN: 9783527670963

Sprache: Deutsch

565 Seiten, Download: 8740 KB

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Astronomie und Astrophysik - Ein Grundkurs

	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	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

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