Astronomie und Astrophysik (eBook)

Ein Grundkurs

Alfred Weigert, Heinrich J. Wendker, Lutz Wisotzki (Autoren)

eBook Download: PDF

2024 | 6. Auflage
482 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-83287-3 (ISBN)

Infos

Der Klassiker zum Einstieg in die Astronomie und Astrophysik

Die sechste Auflage dieses Lehrbuchs ist der ideale Einstieg für alle, die sich auf Universitätsniveau mit Astronomie und Astrophysik beschäftigen möchten. Dank der klaren Sprache, der reichen Bebilderung und der Beschränkung auf die notwendigste Mathematik ist es unvergleichlich verständlich und vermittelt so ein umfangreiches astronomisches und astrophysikalisches Grundwissen.

Die vorliegende sechste Auflage ist eine umfassende Neugestaltung, die weit über die Aktualisierung einzelner Abschnitte hinausgeht:

• komprimierter Abriss physikalischer Grundlagen am Anfang des Buches
• neues Kapitel 'Erde und Mond'
• kondensiertere Darstellung der Sternphysik
• neues Kapitel 'Entstehung und Entwicklung von Galaxien'
• überarbeitete und neue Abbildungen
• neue Aufgaben

Damit stellt das Buch die etablierte Grundlage gesicherten Wissens dar und ermöglicht zugleich die Teilhabe an den atemberaubenden Erkenntnisfortschritten in der aktuellen astrophysikalischen Forschung.

über den Autor

Lutz Wisotzki promovierte 1991 an der Universität Hamburg im Fach Astrophysik. Seit 2002 leitet er die Forschungsabteilung Galaxien & Quasare des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und lehrt Astrophysik an der Universität Potsdam. Er war Gastwissenschaftler an der Europäischen Südsternwarte, am Royal Observatory Edinburgh, am Massachusetts Institute of Technology und am Centre de Recherche Astrophysique de Lyon. Seine Forschungsinteressen gelten der Entstehung und Entwicklung von Galaxien, insbesondere dem zirkumgalaktischen Medium, sowie der Entwicklung von Methoden für tiefe spektroskopische Durchmusterungen.

Inhalt

Cover 1
Half title 2
Title page 4
Inhaltsverzeichnis 6
Vorwort zur sechsten Auflage 16
1 Physikalische Grundlagen 18
1.1 Gravitation 18
1.1.1 Das Newtonsche Gravitationsgesetz 18
1.1.2 Zentralmassen- und Zweikörperproblem 19
1.1.3 Gravitationspotential 22
1.1.4 Drei- und Mehrkörpersysteme 24
1.1.5 Ausgedehnte Massenverteilungen 26
1.1.6 Gezeitenkräfte 28
1.2 Thermodynamik 29
1.2.1 Zustandsgrößen und Zustandsgleichung 29
1.2.2 Statistische Thermodynamik 31
1.2.3 Zustandsänderungen 0
1.3 Strahlung 35
1.3.1 Das elektromagnetische Spektrum 35
1.3.2 Strahlungsgrößen 36
1.3.3 Elementare Strahlungsprozesse: Emission und Absorption 37
1.3.4 Schwarzkörperstrahlung 38
1.3.5 Dopplereffekt 41
1.3.6 Absorption in Materie 41
1.3.7 Strahlungstransport 44
1.3.8 Verbreiterung von Spektrallinien 45
1.3.9 Anregungs- und Ionisationsstufen 46
1.3.10 Synchrotronstrahlung 47
1.3.11 Kosmische Strahlung 48
1.3.12 Gravitationswellen 48
2 Astronomische Instrumente und Beobachtungstechniken 50
2.1 Teleskope 50
2.1.1 Grundlagen 50
2.1.2 Beugung 52
2.1.3 Abbildungsfehler 53
2.1.4 Auflösungsvermögen 55
2.1.5 Astronomische Teleskope 56
2.1.6 Spezielle Teleskoptypen 58
2.2 Detektoren 59
2.2.1 Quantendetektoren 59
2.2.2 Integrale Detektoren 61
2.3 Auswirkungen der Erdatmosphäre 62
2.3.1 Atmosphärische Transmission 62
2.3.2 Streuung, Szintillation, ,,Seeing`` 63
2.4 Beobachtungstechniken 64
2.4.1 Astrometrie 64
2.4.2 Photometrie 65
2.4.3 Die astronomische Magnitudenskala 67
2.4.4 Spektroskopie 68
2.4.5 Adaptive Optik 71
2.4.6 Interferometrie 72
2.4.7 Datenanalyse und Bildverarbeitung 75
2.5 Observatorien 76
2.5.1 Bodengebundene Sternwarten 76
2.5.2 Radio-Observatorien 77
2.5.3 Observatorien für Gammastrahlen, kosmische Teilchen, Gravitationswellen 78
2.5.4 Weltraumteleskope 79
2.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 2 80
3 Das Sonnensystem 82
3.1 Mitglieder und Dimensionen 82
3.2 Bahnbewegungen im Sonnensystem 83
3.2.1 Keplersche Gesetze 83
3.2.2 Eigenschaften der Planetenbahnen 85
3.2.3 Umlaufzeiten und Aspekte 86
3.2.4 Entdeckung des Neptun 87
3.2.5 Periheldrehung des Merkur 88
3.3 Physik der Planeten 88
3.3.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen 89
3.3.2 Atmosphären 92
3.3.3 Stabilität einer Atmosphäre 94
3.3.4 Innere Struktur von Planeten 94
3.3.5 Auswirkung von Rotation 97
3.3.6 Oberflächenformen terrestrischer Planeten 98
3.4 Planetenmonde 100
3.4.1 Stabilität im Gezeitenfeld 100
3.4.2 Eigenschaften von Monden im Sonnensystem 102
3.4.3. Planetenringe 103
3.5 Kleine Körper im Sonnensystem 103
3.5.1 Zwergplaneten 104
3.5.2 Asteroiden 105
3.5.3 Zentauren und Trans-Neptun-Objekte 106
3.5.4 Kometen 107
3.6 Zur Entstehung des Sonnensystems 109
3.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 3 110
4 Erde und Mond 112
4.1 Bahnbewegung und Rotation 112
4.1.1 Die Erdbahn und die Jahreszeiten 112
4.1.2 Die Mondbahn um die Erde 112
4.1.3 Mondbewegung um die Sonne 114
4.1.4 Rotation des Mondes 115
4.2 Wechselwirkungen von Mond und Erde 116
4.2.1 Gezeiten auf der Erde 116
4.2.2 Gezeitenreibung 116
4.2.3 Sonnen- und Mondfinsternisse 117
4.3 Koordinaten und Zeit 119
4.3.1 Koordinatensysteme 119
4.3.2 Präzession und Nutation 122
4.3.3. Zeitmessung 123
4.3.4 Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen 125
4.3.5 Die Messung von Sternpositionen 126
4.3.6 Refraktion 127
4.4 Parallaxen 128
4.5 Raumfahrt 130
4.5.1 Künstliche Erdsatelliten 130
4.5.2 Interplanetare Raumfahrt 131
4.5.3 Antrieb von Raumschiffen 132
4.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 4 134
5 Die Sonne 136
5.1 Gesamtbild und Phänomene 136
5.1.1 Globale Eigenschaften 136
5.1.2 Schematischer Aufbau 137
5.1.3 Die Außenschichten der Sonne 138
5.2 Die solare Photosphäre 141
5.2.1 Modell der Sonnenatmosphäre 141
5.2.2 Das photosphärische Spektrum der Sonne 0
5.2.3 Erklärung der Mitte-Rand-Variation 147
5.3 Sonnenaktivität und das solare Magnetfeld 148
5.3.1 Sonnenflecken 149
5.3.2 Der solare Magnetismus 151
5.3.3 Eruptionen und die Heizung der Korona 153
5.4 Das Innere der Sonne 154
5.4.1 Gleichgewicht und Stabilität 154
5.4.2 Helioseismologie 155
5.4.3 Energiereservoire und Zeitskalen 156
5.4.4 Nukleare Energieerzeugung in der Sonne 157
5.4.5 Solare Neutrinos 159
5.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 5 159
6 Sterne 162
6.1 Globale Größen 162
6.1.1 Strahlungsleistung und Effektivtemperatur 162
6.1.2 Sternradien 163
6.1.3 Sternmassen 164
6.2 Sternspektren 166
6.2.1 Spektralklassifikation 166
6.2.2 Quantitative Spektroskopie von Sternen 170
6.2.3 Die Zusammensetzung von Sternatmosphären 173
6.3 Das Hertzsprung-Russell-Diagramm 176
6.3.1 Temperatur-Leuchtkraft-Beziehung 176
6.3.2 Das klassische Hertzsprung-Russell-Diagramm 176
6.3.3 Farben-Helligkeits-Diagramme 178
6.3.4 Skalierungsrelationen für Hauptreihensterne 180
6.3.5 Veränderliche Sterne 182
6.4 Innerer Aufbau von Sternen 184
6.4.1 Kernfusion in Hauptreihensternen 184
6.4.2 Grundgleichungen des Sternaufbaus 185
6.4.3 Zustandsgleichung im Sterninneren 186
6.4.4 Energietransport 187
6.4.5 Modelle für Hauptreihensterne 189
6.4.6 Skalierungsrelationen und das HRD 190
6.4.7 Das obere und das untere Ende der Hauptreihe 193
6.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 6 194
7 Entstehung und Entwicklung von Sternen 196
7.1 Sternentstehung 196
7.1.1 Voraussetzungen 196
7.1.2 Gravitativer Kollaps 198
7.1.3 Protosterne und Akkretionsscheiben 199
7.1.4 Entwicklung bis zur Hauptreihe 200
7.2 Vom Hauptreihenstern zum Roten Riesen 202
7.2.1 Sternentwicklung auf der Hauptreihe 202
7.2.2 Entwicklungswege im Hertzsprung-Russell-Diagramm 203
7.2.3 Rote Riesen 205
7.2.4 Heliumbrennen und Horizontalast 207
7.2.5 Der asymptotische Riesenast 209
7.2.6 Spätphasen massereicher Sterne 210
7.2.7 Farben-Helligkeits-Diagramme und Isochronen 211
7.2.8 Pulsationsveränderliche 213
7.3 Endstadien der Sternentwicklung 215
7.3.1 Übersicht 215
7.3.2 Weiße Zwerge 217
7.3.3 Kernkollaps-Supernovae 219
7.3.4 Neutronensterne und Pulsare 221
7.3.5 Stellare Schwarze Löcher 223
7.4 Enge Doppelsternsysteme 225
7.4.1 Äquipotentialflächen 225
7.4.2 Zur Entwicklung enger Doppelsternsysteme 226
7.4.3 Massentransfer und Akkretionsscheiben 227
7.4.4 Verschmelzende kompakte Objekte 230
7.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 7 231
8 Extrasolare Planetensysteme 234
8.1 Nachweis von Exoplaneten 234
8.1.1 Problemstellung 234
8.1.2 Direkte Abbildung von Planeten 235
8.1.3 Astrometrische Suche 236
8.1.4 Radialgeschwindigkeits-Variationen 237
8.1.5 Sternbedeckungen 240
8.1.6 Andere Verfahren 242
8.2 Eigenschaften von Exoplaneten 242
8.2.1 Bahnen und Massen 243
8.2.2 Radien und Dichten 244
8.2.3 Temperaturen, Oberflächen, Atmosphären 245
8.2.4 Eigenschaften der Zentralsterne 246
8.3 Entstehung von Planetensystemen 247
8.3.1 Protoplanetare Scheiben 247
8.3.2 Planetesimale 249
8.3.3 Planetenbildung 250
8.3.4 Zeitliche Entwicklung von Planetensystemen 251
8.4 Leben im Weltall? 252
8.4.1 Entwicklung von Leben auf der Erde 252
8.4.2 Habitable Zonen in Planetensystemen 253
8.4.3 Suche nach extraterrestrischem Leben 255
8.4.4 Zur Anzahl extrasolarer Zivilisationen: Die Drake-Formel 256
8.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 8 257
9 Interstellare Materie 260
9.1 Erscheinungsformen 260
9.1.1 Leuchtende Gasnebel 260
9.1.2 Staub- und Molekülwolken 262
9.1.3 Das allgemein verteilte interstellare Medium 262
9.2 Physikalische Besonderheiten des ISM 263
9.2.1 Thermodynamisches Ungleichgewicht 263
9.2.2 Druckgleichgewicht und Phasen des ISM 264
9.2.3 Interstellare Kühlprozesse 267
9.3 Interstellare Absorptionslinien 268
9.3.1 Säulendichten und Linienstärken 268
9.3.2 Multiphasenstruktur und Elementhäufigkeiten im ISM 271
9.4 Ionisierte interstellare Materie 272
9.4.1 HII-Regionen 273
9.4.2 Emissionslinienspektren von ionisierten Gasnebeln 275
9.5 Heißes interstellares Gas 277
9.5.1 Nachweis 277
9.5.2 Interstellare Blasen und Superblasen 278
9.6 Das kühle und das kalte ISM 281
9.6.1 Neutraler Wasserstoff 281
9.6.2 Molekülwolken 283
9.7 Interstellarer Staub 285
9.7.1 Extinktion durch Staub 285
9.7.2 Thermische Strahlung des Staubs 287
9.7.3 Herkunft und Zusammensetzung des Staubes 287
9.8 Zum Ursprung der interstellaren Materie 288
9.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 9 289
10 Das Milchstraßensystem 290
10.1 Globalansicht der Milchstraße 290
10.1.1 Grundstruktur 290
10.1.2 Galaktische Koordinaten und Geschwindigkeiten 292
10.2 Entfernungsbestimmung 293
10.2.1 Trigonometrische Parallaxen 293
10.2.2 Dynamische Parallaxen 294
10.2.3 Entfernung von Sternhaufen 294
10.2.4 Standardkerzen 295
10.3 Stellarstatistik 296
10.3.1 Sterne der Sonnenumgebung 296
10.3.2 Leuchtkraft- und Massen-Verteilungsfunktion 297
10.3.3 Die Anfangs-Massenfunktion der Sterne 300
10.4 Sternhaufen 301
10.4.1 Charakterisierung von Sternhaufen 302
10.4.2 Gravitative Wechselwirkung zwischen Sternen 303
10.4.3 Zusammenhalt von Sternhaufen 306
10.5 Die galaktische Scheibe 308
10.5.1 Grundstruktur 308
10.5.2 Kreisbahnen in der galaktischen Scheibe 310
10.5.3 Differentielle Bahnbewegung in der Sonnenumgebung 310
10.5.4 Die Rotationskurve der Milchstraße 314
10.5.5 Abweichungen von der Kreisbahnnäherung 315
10.6 Weitere Komponenten des Milchstraßensystems 318
10.6.1 Die zentrale Aufwölbung (Bulge) 318
10.6.2 Hat die Milchstraße einen Balken? 320
10.6.3 Der galaktische stellare Halo 320
10.6.4 Das galaktische Zentrum 321
10.7 Sternpopulationen 323
10.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 10 324
11 Galaxien 326
11.1 Extragalaktische Entfernungsbestimmung 326
11.1.1 Standardkerzen und die extragalaktische Entfernungsleiter 326
11.1.2 Die Hubble-Beziehung 328
11.2 Formen, Größenverhältnisse, Strukturen 330
11.2.1 Morphologische Klassifikation 330
11.2.2 Strukturen und Symmetrien 333
11.2.3 Flächenhelligkeiten 335
11.2.4 Leuchkräfte und Lineardimensionen 337
11.3 Sternpopulationen 339
11.3.1 Massen und Sternentstehungsraten 340
11.3.2 Galaxienspektren 342
11.3.3 Eine ,,Hauptreihe`` der Galaxien 342
11.3.4 Interstellare Materie in Galaxien 344
11.4 Galaxiendynamik 345
11.4.1 Kinematik von Galaxien 345
11.4.2 Rotationskurven und Massenverteilung 347
11.4.3 Bahnen in galaktischen Potentialen 350
11.4.4 Spiralarme und Balken 352
11.4.5 Skalierungsrelationen 354
11.5 Schwarze Löcher und Aktive Galaxienkerne 355
11.5.1 Massereiche Schwarze Löcher in Galaxienzentren 356
11.5.2 Aktive Galaxienkerne: Typologie 358
11.5.3 Struktur von aktiven Galaxienkernen 360
11.5.4 Energieerzeugung durch Akkretion 361
11.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 11 364
12 Die Verteilung der Materie im Universum 366
12.1 Die Lokale Gruppe 366
12.1.1 Satelliten der Milchstraße 366
12.1.2 Die Andromeda-Galaxie und ihre Begleiter 368
12.1.3 Die Lokale Gruppe als System 368
12.1.4 Das ,,Lokale Volumen`` 369
12.2 Die räumliche Verteilung von Galaxien 370
12.2.1 Galaxienkataloge 370
12.2.2 Gruppen, Haufen und Superhaufen 371
12.2.3 Die großräumige Struktur der Galaxienverteilung 372
12.2.4 Leuchtkraftfunktion und Massenfunktion von Galaxien 374
12.3 Galaxienhaufen 376
12.3.1 Charakterisierung von Haufen 376
12.3.2 Dynamik von Galaxienhaufen 378
12.3.3 Massenbestimmung 379
12.4 Materie außerhalb von Galaxien 381
12.4.1 Das intergalaktische Medium 381
12.4.2 Das zirkumgalaktische Medium 382
12.4.3 Gas in Gruppen und Haufen 384
12.5 Gravitationslinsen 385
12.6 Erscheinungsformen der Materie 388
12.6.1 Inventur der kosmischen Materiekomponenten 388
12.6.2 Was ist Dunkle Materie? 390
12.6.3 Dunkle Materie und Galaxien 392
12.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 12 394
13 Kosmologie 396
13.1 Das empirische Fundament der Kosmologie 396
13.1.1 Die Expansion des Universums 396
13.1.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung 397
13.1.3 Olbers' Paradoxon 399
13.1.4 Das kosmologische Prinzip 400
13.2 Weltmodelle 401
13.2.1 Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik 401
13.2.2 Raumkrümmung 402
13.2.3 Grundgleichungen der Kosmologie 404
13.2.4 Spezielle Lösungen der Friedmann-Gleichung 406
13.2.5 Rotverschiebung und Distanzen 408
13.2.6 Rotverschiebung und kosmische Zeit 410
13.3 Bestimmung der kosmologischen Parameter 411
13.3.1 Expansionsrate 411
13.3.2 Materie- und Energiedichte 412
13.3.3 Dunkle Energie 413
13.3.4 Das Alter des Universums 416
13.4 Der Urknall und das frühe Universum 416
13.4.1 Bausteine des Kosmos 417
13.4.2 Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter 417
13.4.3 Die Temperatur des Universums 418
13.4.4 Der Hochenergiekosmos Inflation
13.4.5 Entstehung der leichten Elemente 422
13.4.6 Die Entkopplung von Strahlung und Materie 423
13.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 13 424
14 Entstehung und Entwicklung von Galaxien 426
14.1 Strukturbildung im Universum 426
14.1.1 Kosmische Dichtefluktuationen 426
14.1.2 Wachstum von Dichtekontrasten 428
14.1.3 Kollaps zu Halos und Galaxien 429
14.1.4 Ausbildung der großräumigen Struktur 431
14.2 Populationsstatistik für kosmische Epochen 433
14.2.1 Galaxien im jungen Universum 433
14.2.2 Stellare Massendichte 436
14.2.3 Die kosmische Sternentstehungsrate 436
14.2.4 Kernaktivität und das Wachstum Schwarzer Löcher 439
14.3 Entwicklungsprozesse in Galaxien 441
14.3.1 Einfache Modelle der Galaxienentwicklung 441
14.3.2 Materiekreislauf und chemische Häufigkeiten 442
14.3.3 Strukturelle Entwicklung 446
14.3.4 Wechselwirkungen und Galaxienverschmelzung 448
14.3.5 Rückkopplungseffekte 452
14.4 Galaxienentstehung im kosmologischen Kontext 454
14.4.1 Hierarchisches Wachstum 454
14.4.2 Was bestimmt die Struktur einer Galaxie? 456
14.4.3 Selbstregulierung 458
14.4.4 Die ersten Sterne 460
14.4.5 Die Zukunft der Galaxien 462
14.5 Übungsaufgaben 463
Anhang 466
A Lösungen der Übungsaufgaben 466
B Weiterführende Literatur 469
B.1 Periodika 469
B.1.1 Allgemeinverständliche Zeitschriften: 469
B.1.2 Fachzeitschriften (in englischer Sprache, Open Access, nur Online): 469
B.1.3 Jahrbücher: 469
B.2 Nachschlagewerke 469
B.3 Lehrbücher 470
C Astronomische Seiten im Internet 471
D Quellennachweis für Abbildungen und Tabellen 472
E Physikalische Konstanten und Einheiten 475
E.1 Konstanten: 475
E.2 Einheiten: 475
F Astronomische Daten 476
F.1 Sonne: 476
F.2 Erde: 476
F.3 Jupiter: 476
F.4 Entfernungen und Entfernungsmaße: 476
F.5 Parameter von Hauptreihensternen (gerundet): 476
Index 477
EULA 482

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 16.10.2024
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Astronomie / Astrophysik
• Schlagworte: Astronomie • Astronomie u. Astrophysik • Astrophysik • Chemie • Physik • Spektroskopie
• ISBN-10: 3-527-83287-4 / 3527832874
• ISBN-13: 978-3-527-83287-3 / 9783527832873