Die Entfernung derFixsterne

Entfernungsbestimmung in der Astronomie

Ulrich Bastian

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 2Entfernungsbestimmung

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 3Entfernungsbestimmung

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Einleitung

• Die Astronomie ist die Naturwissenschaft vom Universum

• Sie kann ihre Forschungsobjekte nicht anfassen

• Sie hat nur Strahlung als Informationsquelle

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 9Entfernungsbestimmung

Richtung :

Menge :

Art :

Die Astronomie analysiert Strahlung:

Astrometrie

Photometrie

Spektroskopie

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Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 12Entfernungsbestimmung

Einleitung

• Die Astronomie ist die Naturwissenschaft vom Universum

• Sie kann ihre Forschungsobjekte nicht anfassen

• Sie hat nur Strahlung als Informationsquelle

• Sie ist eine sehr statistische Wissenschaft• Ein Hauptproblem: Entfernung der Objekte

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Historische Beispiele

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Friedrich Wilhelm Bessel 1838: Die erste Parallaxe eines Sterns.

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NGC 2997

ca. 1800 – 1924: Die große Debatte um die Natur der Galaxien

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Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur

Entfernungsmessung:

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Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur

Entfernungsmessung:

• Radarechos (Signallaufzeit mit Lichtgeschwindigkeit)

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Entfernungsmessung mittels Radarlaufzeiten

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Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur

Entfernungsmessung:

• Radarechos (Signallaufzeit mit Lichtgeschwindigkeit)

• Parallaxenmessung (Triangulation)

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Parallaxen sind winzig!

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Hertzsprung-Russell-Diagramm

Henry Noris Russell, 1919

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1

100

10000

0.01

0.00012800 K400049006000

10000

7400

40000 K

Hertzsprung-Russell-Diagramm

HIPPARCOS,1989-1993

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Zensiert !

Geschichte derastrometrischenMessgenauigkeit

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Probleme erdgebundener Parallaxenmessung:

- Refraktion

- Szintillation

- Mechanische Biegung

- Thermische Biegung

- Erdrotation, Nutation, Polschwankungen

- Horizont

Die Lösung:

Man gehe in den Weltraum !

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 42Entfernungsbestimmung HIPPARCOSHIPPARCOS 1989-1993 1989-1993

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Gaia 2011-2016Gaia 2011-2016

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1

100

10000

0.01

0.00012800 K400049006000

10000

7400

40000 K

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1

100

10000

0.01

0.00012800 K400049006000

10000

7400

40000 K

107

12

3.9

1.0

0.270.01

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Parallaxenmessung ist nur in unserer unmittelbaren Nähemöglich. Nur wenige, ganz sonnennahe Sterne sind erreichbar.

Deshalb haben die Astronomen einen riesigen Zoo von indirektenMethoden zur Entfernungsbestimmung entwickelt.

Deshalb wird die sogenannte kosmische Entfernungsleiterbenötigt, um die Tiefen des Universums auszuloten.

Das Problem der Reichweite

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Die kosmische “Entfernungsleiter”

1) Messe direkt die Entfernung einiger sonnennaher Sterne

2) Suche den Himmel nach “gleichartigen” Sternen ab(was immer das im Detail bedeuten möge)

3) Vergleiche die auf der Erde gemessenen Helligkeiten der sonnennahen und der “gleichartigen” Sterne:

Helligkeit ~ 1 / (Entfernung)2

4) Suche “gleich weit entfernte” absolut hellere Sterne (was immer das im Detail bedeuten möge), die es in der Sonnenumgebung nicht gibt.

5) Wiederhole Schritt 3 mit diesen helleren Sternen

6) Wiederhole Schritt 4

usw.

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Beispiel: Hauptreihenanpassung

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Die Entfernung des Andromedanebels

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Welches der beiden Autos ist näher am Betrachter?

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Deutschsprachiger Lesestoff:

Spektrum der Wissenschaft 2/2000, S. 50 Eine kleine Geschichte der Astrometrie

Spektrum der Wissenschaft 2/2000, S. 42 Ergebnisse der Hipparcos-Mission

Sterne und Weltraum 10/1986, S. 524 Funktionsweise von Hipparcos

Gaia, deutsche Informationen:http: // www.ari.uni-heidelberg.de / gaia

Gaia-Homepage:http: // www.rssd.esa.int / GAIA

Astronomy & Astrophysics 369, S. 339 Gaia Science Overview

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Anhang: Weitere Methoden zur Entfernungs-bestimmung

(zufällig ausgewählte, sehr aktuelle Beispiele)

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 61Entfernungsbestimmung

ErdeDoppelstern

“Dynamische Parallaxe” eines Doppelsterns

(Brachte gewichtige Argumente in die derzeitig laufende Debatte um das“Plejaden-Problem” von Hipparcos ein)

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 62Entfernungsbestimmung

Entfernung von V838 Mon aus dem Lichtecho

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 63Entfernungsbestimmung

Astronomy picture of the day, 02-04-2003

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 64Entfernungsbestimmung

SS433 Oktober 2004, VLA

Blundell & Bowler, www.nrao.edu/pr/2004/ss433corkscrew/

Entfernung von SS433 aus der Jetgeometrie

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SS433, Modell mit konstanter Geschwindigkeit

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SS433, Modell mit variabler Geschwindigkeit

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Entfernung von Galaxienhaufen aus Röntgenhalo und Sunyayev-Zeldovich-Effekt

(WMAP Mikrowellenhintergrundstrahlung)(Abell 2142 Chandra-Röntgenbild)

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Entfernung von Galaxienhaufen aus Röntgenhalo und Sunyayev-Zeldovich-Effekt

(WMAP Mikrowellenhintergrundstrahlung)(Abell 2142 Chandra-Röntgenbild)

Sei N=Gesamtzahl der Elektronen, L die Größe des Haufens:

(1): SZE = Integral (Dichte) dx ~ N/L3 mal L = N / L2

(2): XRAY = Integral (Dichte2) dx ~ N/L6 mal L = N2 / L5

Aus (3): N = SZE mal L2

Das in (2): XRAY = SZE2 mal L4 / L5 = SZE2 / L

Daraus: L = SZE2 / XRAY

Entfernung: Aus Vergleich dieser linearen Größe mit dem direkt beobachteten Winkeldurchmesser

(Umgeht die kosmische Entfernungsleiter, ebenso die nächste Methode)

Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005 69Entfernungsbestimmung

Entfernung von Galaxienhaufen aus Gravitationslinse mit Lichtlaufzeitdifferenz

QuelleLinse

Beobachter

Bei gemessenen Winkelabständen:Die Lichtlaufzeitdifferenz ist einbestimmter Bruchteil der gesamtenLichtlaufzeit.

Vergleich mit der gemessenen Licht-laufzeitdifferenz ergibt die Entfernung

Bild 1

Bild 2