Astronomie und Astrophysik

Dieses Lehrbuch ist ein Grundkurs im besten Sinne: Beginnend mit den physikalischen und technischen Grundlagen, die für das Verständnis der weiteren astrophysikalischen Ausführungen benötigt werden, vermittelt es solides Wissen für die moderne Astrophysik, ist klar geschrieben, reich bebildert und auch in den mathematischen Teilen jederzeit verständlich. Nun liegt das Buch in der 5. Aufl age vor - vollständig aktualisiert und um das Kapitel Extrasolare Planetensysteme erweitert von Lutz Wisotzki, der bereits die letzte Aufl age mit verantwortete. Studenten der Physik und Astronomie im Grundstudium wie auch Fachleute und Amateure schätzen dieses Buch für Schule, Studium und Freizeit.

Lutz Wisotzki promovierte 1991 an der Universität Hamburg im Fach Astrophysik. Bis 1999 war er wissenschaftlicher Assistent an der Hamburger Sternwarte und danach bis 2002 Oberassistent an der Universität Potsdam. Seit 2002 leitet er die Forschungsabteilung Galaxien & Quasare des Astrophysikalischen Instituts Potsdam und lehrt Astrophysik an der Universität Potsdam. Er war Gastwissenschaftler an der Europäischen Südsternwarte, am Royal Observatory Edinburgh und am Massachusetts Institute of Technology. Seine Forschungsinteressen gelten Galaxien und Quasaren, dem intergalaktischen Medium und dem Gravitationslinseneffekt.
Alfred Weigert (1927-1992)
Heinrich J. Wendker (1938-2008)

Vorwort zur Fünften Auflage xv Aus dem Vorwort zur Ersten Auflage xvii 1 Bewegung von Himmelskörpern 1 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 11 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 Äquatorialsysteme 18 1.5.3 Das Ekliptikalsystem 21 1.5.4 Das Galaktische System 21 1.5.5 Präzession und Nutation 22 1.5.6 Koordinaten-Änderung durch Präzession 24 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 Jahr 28 1.6.6 Präzisionszeitmessungen 30 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 41 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 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 61 2.6 Auswirkungen der Erdatmosphäre 61 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 3.3 Beobachtungstechniken 83 3.3.1 Photometrie 83 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 101 4.1 Mitglieder und Dimensionen des Systems 101 4.2 Bahnbewegungen 103 4.2.1 Bahnen der Planeten 103 4.2.2 Die Erdbahn 105 4.2.3 Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge 106 4.3 Das System Erde-Mond 108 4.3.1 Bewegung um die Erde 108 4.3.2 Bewegung um die Sonne 110 4.3.3 Rotation des Mondes 111 4.3.4 Finsternisse 111 4.4 Physik der Planeten 113 4.4.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen 114 4.4.2 Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären 118 4.4.3 Gesamtaufbau 118 4.4.4 Auswirkung von Rotation 121 4.4.5 Oberflächenformen terrestrischer Planeten 123 4.5 Monde 125 4.5.1 Stabilität im Gezeitenfeld 125 4.5.2 Eigenschaften von Monden im Sonnensystem 127 4.6 Kleine Körper im Sonnensystem 128 4.6.1 Zwergplaneten und Plutoiden 128 4.6.2 Asteroiden 129 4.6.3 Trans-Neptun-Objekte 130 4.6.4 Kometen 130 4.7 Zur Entstehung des Sonnensystems 133 4.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 4 135 5 Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen 137 5.1 Strahlungsleistung 137 5.1.1 Leuchtkraft 137 5.1.2 Absolute Helligkeit 138 5.1.3 Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur 139 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 144 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 157 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 166 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 179 6.2.1 Sonnenflecken 179 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 190 6.5 Analyse von Sternspektren 192 6.5.1 Absorptionsquerschnitt und Linienverbreiterung 192 6.5.2 Anregung und Ionisation 194 6.5.3 Absorptionskoeffizient und Sternspektren 196 6.5.4 Stärke von Absorptionslinien 197 6.5.5 Die chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären 200 6.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 6 203 7 Innerer Aufbau der Sterne 205 7.1 Grundgleichungen des Sternaufbaus 205 7.1.1 Massenverteilung 206 7.1.2 Mechanisches Gleichgewicht und Virialsatz 207 7.1.3 Energiesatz 208 7.1.4 Energietransport 210 7.1.5 Gesamtproblem 211 7.2 Materialfunktionen 212 7.2.1 Die Zustandsgleichung 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 219 7.4 Einfache Sternmodelle 221 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 8 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 8.6 Enge Doppelsternsysteme 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 281 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 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 291 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 Druckgleichgewicht 307 10.1.3 Phasen des interstellaren Mediums 309 10.2 Das kühle interstellare Gas 310 10.2.1 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs 310 10.2.2 Metalle im neutralen ISM 312 10.2.3 Molekülwolken 313 10.3 Das warme ISM 316 10.3.1 H II-Regionen 316 10.3.2 Planetarische Nebel 320 10.3.3 Diffuses warmes Gas 321 10.4 Das heiße interstellare Medium 322 10.4.1 Nachweis des heißen Gases 322 10.4.2 Supernovae und interstellare Stoßfronten 322 10.5 Interstellarer Staub 325 10.5.1 Interstellare Extinktion 325 10.5.2 Thermische Strahlung des Staubs 328 10.5.3 Herkunft und Zusammensetzung des Staubes 329 10.6 Interstellare Kühlprozesse 330 10.7 Der Materiekreislauf 331 10.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 10 332 11 Das Milchstraßensystem 335 11.1 Struktur der Milchstraße 335 11.1.1 Koordinaten und Geschwindigkeiten 337 11.2 Entfernungsbestimmung 338 11.2.1 Trigonometrische Parallaxen 338 11.2.2 Dynamische Parallaxen 339 11.2.3 Entfernung von Sternhaufen 340 11.2.4 Standardkerzen 341 11.3 Stellarstatistik 342 11.3.1 Sterne der Sonnenumgebung 343 11.3.2 Leuchtkraftfunktion 344 11.3.3 Massenfunktion der Sterne 345 11.3.4 Anzahl-Helligkeits-Relation 347 11.3.5 Sternzählungen und Extinktion 349 11.4 Rotation der Milchstraße 350 11.4.1 Differentielle Rotation 350 11.4.2 Die Rotationskurve der Milchstraße 354 11.4.3 Massenverteilung der Milchstraße 356 11.4.4 Stöße zwischen Sternen 358 11.5 Komponenten des Milchstraßensystems 361 11.5.1 Die galaktische Scheibe und die Spiralarme 361 11.5.2 Der galaktische Halo 364 11.5.3 Das Zentralellipsoid (Bulge) 364 11.5.4 Das galaktische Zentrum 365 11.6 Sternhaufen 369 11.6.1 Offene Sternhaufen 369 11.6.2 Kugelsternhaufen 371 11.7 Sternpopulationen 372 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 Galaxienklassifikation 388 12.4 Globale Eigenschaften 389 12.4.1 Lineardimensionen und Leuchtkräfte 389 12.4.2 Farben und Spektren 391 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 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 Leuchtkraftentwicklung 407 12.6.4 Wechselwirkung zwischen Galaxien 407 12.6.5 Galaxienverschmelzung 409 12.6.6 Galaxien im jungen Universum 411 12.7 Aktive Galaxienkerne und Quasare 412 12.7.1 Seyfert-Galaxien 413 12.7.2 Radiogalaxien 413 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 421 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 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 441 13.4.4 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 471 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 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.1 Physikalische Konstanten und Einheiten 513 A.2 Astronomische Daten 514 A.2.1 Körper des Sonnensystems 514 A.2.2 Entfernungen und kosmologische Parameter 515 A.2.3 Charakteristische Größen von Sternen 516 A.3 Lösungen der Übungsaufgaben 518 Anhang B: Weiterführende Literatur 525 Anhang C: Astronomische Seiten im Internet 529 Anhang D: Abbildungs- und Quellennachweis 531 Register 533