Astronomie und Astrophysik - Ein Grundkurs

Astronomie und Astrophysik: Ein Grundkurs

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur Fünften Auflage

Aus dem Vorwort zur Ersten Auflage

1 Bewegung von Himmelskörpern

1.1 Gravitation

1.2 Das Zweikörperproblem

1.2.1 Keplersche Gesetze

1.2.2 Bahnbestimmung

1.2.3 Kreisbahnen

1.2.4 Entweichgeschwindigkeit

1.2.5 Gezeitenkräfte

1.3 Mehr- und Vielteilchensysteme

1.3.1 Reduziertes Dreikörperproblem

1.3.2 Störungsrechung

1.3.3 Energieerhaltung und Virialsatz

1.4 Zur allgemeinen Relativitätstheorie

1.4.1 Grundzüge

1.4.2 Starke Gravitationsfelder

1.5 Koordinatensysteme

1.5.1 Das Horizontsystem

1.5.2 Äquatorialsysteme

1.5.3 Das Ekliptikalsystem

1.5.4 Das Galaktische System

1.5.5 Präzession und Nutation

1.5.6 Koordinaten-Änderung durch Präzession

1.6 Astronomie und Zeit

1.6.1 Die Sternzeit

1.6.2 Die wahre Sonnenzeit

1.6.3 Die mittlere Sonnenzeit

1.6.4 Ortszeit – Zonenzeit – Weltzeit

1.6.5 Das Jahr

1.6.6 Präzisionszeitmessungen

1.7 Sternörter

1.7.1 Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen

1.7.2 Die Messung von Sternörtern

1.7.3 Die Aberration des Lichts

1.8 Die Parallaxe

1.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 1

2 Strahlung

2.1 Das elektromagnetische Spektrum

2.2 Astrophysikalische Messgrößen

2.2.1 Intensität und Strahlungsstrom

2.2.2 Die astronomische Magnitudenskala

2.2.3 Helligkeitssysteme

2.2.4 Farben

2.2.5 Weitere Messgrößen

2.3 Elementare Strahlungsprozesse

2.3.1 Emission und Absorption

2.3.2 Hohlraumstrahlung

2.3.3 Spektrallinien

2.3.4 Synchrotronstrahlung

2.4 Kosmische Teilchen und Gravitationswellen

2.4.1 Kosmische Strahlung und Teilchenströme

2.4.2 Neutrinos

2.4.3 Gravitationswellen

2.5 Ausbreitung von Strahlung

2.5.1 Absorption in Materie

2.5.2 Strahlungstransport

2.5.3 Dopplereffekt

2.6 Auswirkungen der Erdatmosphäre

2.6.1 Atmosphärische Transmission

2.6.2 Refraktion

2.6.3 Streuung

2.6.4 Szintillation und „Seeing“

2.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 2

3 Astronomische Instrumente

3.1 Teleskope

3.1.1 Grundlagen

3.1.2 Beugung

3.1.3 Abbildungsfehler

3.1.4 Auflösungsvermögen

3.1.5 Astronomische Teleskope

3.1.6 Spezielle Teleskoptypen

3.2 Detektoren

3.3 Beobachtungstechniken

3.3.1 Photometrie

3.3.2 Spektroskopie

3.3.3 Adaptive Optik

3.3.4 Interferometrie

3.3.5 Elektronische Bildverarbeitung

3.4 Observatorien

3.4.1 Bodengebundene Sternwarten

3.4.2 Radioobservatorien

3.4.3 Observatorien im Weltraum

3.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 3

4 Das Sonnensystem

4.1 Mitglieder und Dimensionen des Systems

4.2 Bahnbewegungen

4.2.1 Bahnen der Planeten

4.2.2 Die Erdbahn

4.2.3 Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge

4.3 Das System Erde-Mond

4.3.1 Bewegung um die Erde

4.3.2 Bewegung um die Sonne

4.3.3 Rotation des Mondes

4.3.4 Finsternisse

4.4 Physik der Planeten

4.4.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen

4.4.2 Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären

4.4.3 Gesamtaufbau

4.4.4 Auswirkung von Rotation

4.4.5 Oberflächenformen terrestrischer Planeten

4.5 Monde

4.5.1 Stabilität im Gezeitenfeld

4.5.2 Eigenschaften von Monden im Sonnensystem

4.6 Kleine Körper im Sonnensystem

4.6.1 Zwergplaneten und Plutoiden

4.6.2 Asteroiden

4.6.3 Trans-Neptun-Objekte

4.6.4 Kometen

4.7 Zur Entstehung des Sonnensystems

4.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 4

5 Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen

5.1 Strahlungsleistung

5.1.1 Leuchtkraft

5.1.2 Absolute Helligkeit

5.1.3 Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur

5.2 Radius, Masse und hieraus abgeleitete Größen

5.2.1 Sternradius

5.2.2 Sternmasse

5.2.3 Mittlere Dichte und Schwerebeschleunigung

5.3 Sternspektren und Spektralklassifikation

5.3.1 Definition der Spektralklassen

5.3.2 Leuchtkraftklassen

5.3.3 Praxis der Spektralklassifikation

5.4 Rotation der Sterne

5.5 Beziehungen zwischen verschiedenen Messgrößen

5.5.1 Hertzsprung-Russell-Diagramm

5.5.2 Farben-Helligkeits-Diagramm

5.5.3 Masse-Leuchtkraft- und Masse-Radius-Beziehung für Hauptreihensterne

5.6 Veränderliche Sterne

5.7 Doppelsterne und Mehrfachsysteme

5.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 5

6 Die Außenschichten von Sonne und Sternen

6.1 Die Außenschichten der Sonne

6.1.1 Die Photosphäre

6.1.2 Die Chromosphäre

6.1.3 Die Übergangsregion zur Korona

6.1.4 Die solare Korona

6.1.5 Der Sonnenwind

6.2 Die Aktivität der Sonne

6.2.1 Sonnenflecken

6.2.2 Eruptionen

6.2.3 Radio- und Röntgenstrahlung der Sonne

6.2.4 Das Magnetfeld der Sonne

6.3 Sternaktivität

6.3.1 Phänomene

6.3.2 Stellare Dipolfelder

6.4 Physik der Sternatmosphären

6.4.1 Schichtung einer Sternatmosphäre

6.4.2 Modellatmosphären

6.5 Analyse von Sternspektren

6.5.1 Absorptionsquerschnitt und Linienverbreiterung

6.5.2 Anregung und Ionisation

6.5.3 Absorptionskoeffizient und Sternspektren

6.5.4 Stärke von Absorptionslinien

6.5.5 Die chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären

6.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 6

7 Innerer Aufbau der Sterne

7.1 Grundgleichungen des Sternaufbaus

7.1.1 Massenverteilung

7.1.2 Mechanisches Gleichgewicht und Virialsatz

7.1.3 Energiesatz

7.1.4 Energietransport

7.1.5 Gesamtproblem

7.2 Materialfunktionen

7.2.1 Die Zustandsgleichung

7.2.2 Der Absorptionskoeffizient

7.3 Nukleare Energieerzeugung

7.3.1 Wasserstoffbrennen

7.3.2 Heliumbrennen

7.3.3 Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumbrennen

7.4 Einfache Sternmodelle

7.4.1 Sternmodell für eine Sonnenmasse

7.4.2 Hauptreihensterne

7.4.3 Braune Zwerge

7.4.4 Sterne mit Konvektion und die Hayashi-Linie

7.4.5 Weiße Zwerge

7.5 Beobachtungen des Inneren von Sternen

7.5.1 Helio- und Asteroseismologie

7.5.2 Solare und stellare Neutrinos

7.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 7

8 Sternentstehung und Sternentwicklung

8.1 Sternentstehung

8.1.1 Voraussetzungen für gravitativen Kollaps

8.1.2 Ablauf des Kollaps

8.1.3 Protosterne und Akkretionsscheiben

8.1.4 Entwicklung bis zur Hauptreihe

8.2 Hauptreihensterne

8.2.1 Energiereservoire und Zeitskalen

8.2.2 Sternentwicklung auf der Hauptreihe

8.3 Von der Hauptreihe zum Riesenast

8.3.1 Heliumbrennen

8.3.2 Rote Riesen

8.3.3 Vergleich mit Beobachtungen

8.3.4 Pulsationsveränderliche

8.4 Spätstadien der Sternentwicklung

8.5 Endprodukte der Sternentwicklung

8.5.1 Weiße Zwerge

8.5.2 Supernovae

8.5.3 Neutronensterne und Pulsare

8.5.4 Schwarze Löcher

8.6 Enge Doppelsternsysteme

8.6.1 Äquipotentialflächen

8.6.2 Massentransfer und Akkretionsscheiben

8.6.3 Akkretionsscheiben um Weiße Zwerge

8.6.4 Röntgendoppelsterne

8.6.5 Zur Entwicklung enger Doppelsternsysteme

8.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 8

9 Extrasolare Planetensysteme

9.1 Die Suche nach extrasolaren Planeten

9.2 Nachweis von Exoplaneten: Radialgeschwindigkeiten

9.2.1 Beschreibung der Methode

9.2.2 Planeten auf exzentrischen Bahnen

9.2.3 Systeme mit mehreren Planeten

9.3 Weitere Methoden zum Nachweis von Exoplaneten

9.3.1 Sternbedeckungen

9.3.2 Astrometrische Suche

9.3.3 Direkte Abbildung von Planeten

9.3.4 Mikro-Gravitationslinseneffekt

9.3.5 Planeten um Pulsare

9.4 Eigenschaften von Exoplaneten

9.4.1 Verteilung der Bahnparameter

9.4.2 Massen, Radien und Dichten

9.4.3 Temperaturen, Atmosphären, Oberflächen

9.4.4 Eigenschaften der Zentralsterne

9.4.5 Protoplanetare Scheiben

9.5 Entstehung von Planetensystemen

9.5.1 Bildung protoplanetarer Scheiben

9.5.2 Planetesimale

9.5.3 Entstehung der Planeten

9.5.4 Entwicklung von Planetensystemen

9.6 Leben im Weltall?

9.6.1 Entwicklung von Leben auf der Erde

9.6.2 Habitable Zonen in Planetensystemen

9.6.3 Suche nach extraterrestrischem Leben

9.6.4 Zur Wahrscheinlichkeit extrasolaren Lebens: Die Drake-Formel

9.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 9

10 Interstellare Materie

10.1 Physikalische Besonderheiten des ISM

10.1.1 Thermodynamisches Ungleichgewicht

10.1.2 Druckgleichgewicht

10.1.3 Phasen des interstellaren Mediums

10.2 Das kühle interstellare Gas

10.2.1 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs

10.2.2 Metalle im neutralen ISM

10.2.3 Molekülwolken

10.3 Das warme ISM

10.3.1 H ii-Regionen

10.3.2 Planetarische Nebel

10.3.3 Diffuses warmes Gas

10.4 Das heiße interstellare Medium

10.4.1 Nachweis des heißen Gases

10.4.2 Supernovae und interstellare Stoßfronten

10.5 Interstellarer Staub

10.5.1 Interstellare Extinktion

10.5.2 Thermische Strahlung des Staubs

10.5.3 Herkunft und Zusammensetzung des Staubes

10.6 Interstellare Kühlprozesse

10.7 Der Materiekreislauf

10.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 10

11 Das Milchstraßensystem

11.1 Struktur der Milchstraße

11.1.1 Koordinaten und Geschwindigkeiten

11.2 Entfernungsbestimmung

11.2.1 Trigonometrische Parallaxen

11.2.2 Dynamische Parallaxen

11.2.3 Entfernung von Sternhaufen

11.2.4 Standardkerzen

11.3 Stellarstatistik

11.3.1 Sterne der Sonnenumgebung

11.3.2 Leuchtkraftfunktion

11.3.3 Massenfunktion der Sterne

11.3.4 Anzahl-Helligkeits-Relation

11.3.5 Sternzählungen und Extinktion

11.4 Rotation der Milchstraße

11.4.1 Differentielle Rotation

11.4.2 Die Rotationskurve der Milchstraße

11.4.3 Massenverteilung der Milchstraße

11.4.4 Stöße zwischen Sternen

11.5 Komponenten des Milchstraßensystems

11.5.1 Die galaktische Scheibe und die Spiralarme

11.5.2 Der galaktische Halo

11.5.3 Das Zentralellipsoid (Bulge)

11.5.4 Das galaktische Zentrum

11.6 Sternhaufen

11.6.1 Offene Sternhaufen

11.6.2 Kugelsternhaufen

11.7 Sternpopulationen

11.8 Zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße

11.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 11

12 Galaxien

12.1 Extragalaktische Entfernungsbestimmung

12.1.1 Standardkerzen

12.1.2 Die extragalaktische Entfernungsleiter

12.1.3 Die Hubble-Beziehung

12.2 Klassifikation von Galaxien

12.3 Hubble-Schema

12.3.1 Erweiterte Galaxienklassifikation

12.4 Globale Eigenschaften

12.4.1 Lineardimensionen und Leuchtkräfte

12.4.2 Farben und Spektren

12.4.3 Massen

12.5 Dynamischer Aufbau von Galaxien

12.5.1 Strukturen

12.5.2 Rotationskurven von Spiralgalaxien

12.5.3 Spiralarme

12.5.4 Balkenspiralen

12.5.5 Elliptische Galaxien

12.5.6 Skalierungsrelationen für Galaxien

12.5.7 Schwarze Löcher in Galaxienzentren

12.6 Zeitliche Entwicklung von Galaxien

12.6.1 Verlauf der Sternentstehung

12.6.2 Materiekreislauf und chemische Entwicklung

12.6.3 Leuchtkraftentwicklung

12.6.4 Wechselwirkung zwischen Galaxien

12.6.5 Galaxienverschmelzung

12.6.6 Galaxien im jungen Universum

12.7 Aktive Galaxienkerne und Quasare

12.7.1 Seyfert-Galaxien

12.7.2 Radiogalaxien

12.7.3 Quasare

12.7.4 Der extragalaktische Röntgenhintergrund

12.7.5 Struktur von aktiven Galaxienkernen

12.7.6 Energieerzeugung durch Akkretion

12.7.7 Eddington-Leuchtkraft und Massenwachstum

12.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 12

13 Die Verteilung der Materie im Universum

13.1 Die Lokale Gruppe

13.2 Die räumliche Verteilung von Galaxien

13.2.1 Galaxienkataloge

13.2.2 Gruppen, Haufen und Superhaufen

13.2.3 Großräumige Struktur der Galaxienverteilung

13.3 Galaxienstatistik

13.3.1 Anzahldichte und radiale Verteilung von Galaxien

13.3.2 Leuchtkraftfunktion

13.3.3 Entwicklung der Galaxienpopulation

13.4 Galaxienhaufen

13.4.1 Charakterisierung von Haufen

13.4.2 Dynamik von Galaxienhaufen

13.4.3 Massenbestimmung

13.4.4 Zur Entwicklung von Galaxien in Haufen

13.5 Dunkle Materie

13.5.1 Das intergalaktische Medium

13.5.2 Gravitationslinsen

13.5.3 Nicht-baryonische Dunkle Materie

13.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 13

14 Kosmologie

14.1 Das empirische Fundament der Kosmologie

14.1.1 Die Expansion des Universums

14.1.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung

14.1.3 Olbers’ Paradox

14.1.4 Das kosmologische Prinzip

14.2 Weltmodelle

14.2.1 Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik

14.2.2 Raumkrümmung

14.2.3 Grundgleichungen der Kosmologie

14.2.4 Rotverschiebung und Distanzen

14.3 Kosmologische Parameter

14.3.1 Expansionsrate und kritische Dichte

14.3.2 Materiedichte

14.3.3 Strahlungsdichte

14.3.4 Raumkrümmung

14.3.5 Das Alter des Universums

14.3.6 Dunkle Energie

14.4 Der Urknall und das frühe Universum

14.4.1 Bausteine des Kosmos

14.4.2 Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter

14.4.3 Die Temperatur des Universums

14.4.4 Der Hochenergiekosmos; Inflation

14.4.5 Entstehung der leichten Elemente

14.4.6 Die Entkopplung von Strahlung und Materie

14.5 Die Entstehung von Galaxien

14.5.1 Fluktuationen der Hintergrundstrahlung

14.5.2 Wachstum von Dichtekontrasten

14.5.3 Strukturbildung im Universum

14.5.4 Kollaps und Galaxienentstehung

14.5.5 Die ersten Sterne

14.6 Die Zukunft des Weltalls

14.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 14

Farbtafeln

Anhang A

A.1 Physikalische Konstanten und Einheiten

A.2 Astronomische Daten

A.2.1 Körper des Sonnensystems

A.2.2 Entfernungen und kosmologische Parameter

A.2.3 Charakteristische Größen von Sternen

A.3 Lösungen der Übungsaufgaben

Anhang B: Weiterführende Literatur

Anhang C: Astronomische Seiten im Internet

Anhang D: Abbildungs- und Quellennachweis

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