Astronomie und Astrophysik - Astronomie &...

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1 15. Dez. 2004 6m Kaukasus 1 Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen Klaus Werner Astronomie und Astrophysik SS 2010 Klaus Werner Institut für Astronomie und Astrophysik Kepler Center for Astro and Particle Physics Universität Tübingen Tübingen, 12. April 2010 Vorbemerkungen Diese Vorlesung ist das „Basismodul Astronomie“ für BaMa-Studenten und die „Einführung in die Astronomie“ für Diplom-Studenten Vorlesungs-Skript: Nach jeder Vorlesung werden Kopien der Overheadfolien und Powerpoint-Präsentationen in einem Ordner in der Physikbibliothek verfügbar gemacht (Gebäude C, 4. Stock) Powerpoint-Präsentationen sind online verfügbar: http://astro.uni- tuebingen.de/ Vorlesungen Vorlesungsskripte K.Werner Bereich ist password-geschützt, User: Ein Password: Student Vorlesungstermin: wie angekündigt, Mo.+Do. 10-12 Uhr. Terminverschiebung verhandelbar, aber (fast) unmöglich Keine Pause während Doppelstunde vorgesehen Während der Vorlesung: Zwischenfragen erlaubt und erwünscht! Keine Hemmungen! In Teilnehmerliste eintragen (Vorlesungsevaluation) Grundsätzliche Fragen Ihrerseits? Übungen zum Basismodul Astronomie Obligatorisch für Studenten, die einen Leistungsnachweis brauchen (BaMa-Studiengänge). Freiwillige Teilnehmer willkommen. Beginn: erst nächste Woche, Freitag, 23.04., 13:15 im D7H33; heute: Verteilung des ersten Übungsblatts Dauer: etwa 90 Minuten Übungsaufgaben: Abgabe jeweils Montag in der Vorlesung Scheinkriterium: jedes Übungsblatt bearbeitet; Mindestpunktzahl Benoteter Schein nach Klausur oder mündl. Prüfung Details werden in der ersten Übungsstunde besprochen. Literaturauswahl Weigert, Wendker, Wisotzki: Astronomie und Astrophysik 5. Auflage, Wiley-VCH 2009, ca. 60 € Karttunen et al.: Fundamental Astronomy 5. Auflage, Springer 2007, ca. 65 € Unsöld, Baschek: Der neue Kosmos 7. Auflage, Springer 2002 (korr. Nachdruck 2004), ca. 55 € Bennett et al.: Astronomie 5. Auflage, Pearson Studium 2009, ca. 80 € Inhalt der Vorlesung 0. Einleitung I. Historisches II. Klassische Astronomie: Grundlagen III. Klassische Astronomie: Himmelsmechanik IV. Der Mond V. Die Planeten und ihre Monde VI. Astronomische Instrumente VII. Zustandsgrößen der Sterne VIII. Physik der Sternatmosphären IX. Die Sonnenatmosphäre X. Aufbau und Energieerzeugung der Sterne XI. Sternentwicklung XII. Veränderliche Sterne XIII. Interstellare Materie XIV. Aufbau der Galaxis XV. Galaxien XVI. Kosmologie 0. Einleitung 0.1 Astronomie/Astrophysik: Eine interdisziplinäre Wissenschaft In der Astronomie spielen viele Teilbereiche der Physik eine Rolle. Starke Durchdringung der klassischen Astronomie durch die Physik im 20. Jh. Astrophysik Astronomie und Astrophysik begrifflich kaum mehr trennbar, praktisch synonym Übersicht: Verflechtungen Astronomie Physik Beziehungen zwischen Astronomie und anderen Wissenschaften

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15. Dez. 2004 6m Kaukasus 1

Institut für Astronomie und Astrophysik, Universität Tübingen Klaus Werner

Astronomie und AstrophysikSS 2010

Klaus WernerInstitut für Astronomie und Astrophysik

Kepler Center for Astro and Particle PhysicsUniversität Tübingen

Tübingen, 12. April 2010

Vorbemerkungen

• Diese Vorlesung ist das „Basismodul Astronomie“ für BaMa-Studentenund die „Einführung in die Astronomie“ für Diplom-Studenten

• Vorlesungs-Skript: Nach jeder Vorlesung werden Kopien der Overheadfolien und Powerpoint-Präsentationen in einem Ordner in der Physikbibliothek verfügbar gemacht (Gebäude C, 4. Stock)

• Powerpoint-Präsentationen sind online verfügbar: http://astro.uni-tuebingen.de/ →Vorlesungen →Vorlesungsskripte →K.Werner

Bereich ist password-geschützt, User: Ein Password: Student• Vorlesungstermin: wie angekündigt, Mo.+Do. 10-12 Uhr.

Terminverschiebung verhandelbar, aber (fast) unmöglich• Keine Pause während Doppelstunde vorgesehen• Während der Vorlesung: Zwischenfragen erlaubt und erwünscht!

Keine Hemmungen!• In Teilnehmerliste eintragen (Vorlesungsevaluation) • Grundsätzliche Fragen Ihrerseits?

Übungen zum Basismodul Astronomie

• Obligatorisch für Studenten, die einen Leistungsnachweis brauchen (BaMa-Studiengänge). Freiwillige Teilnehmer willkommen.

• Beginn: erst nächste Woche, Freitag, 23.04., 13:15 im D7H33; heute: Verteilung des ersten Übungsblatts

• Dauer: etwa 90 Minuten

• Übungsaufgaben: Abgabe jeweils Montag in der Vorlesung• Scheinkriterium: jedes Übungsblatt bearbeitet; Mindestpunktzahl• Benoteter Schein nach Klausur oder mündl. Prüfung

Details werden in der ersten Übungsstunde besprochen.

Literaturauswahl

Weigert, Wendker, Wisotzki: Astronomie und Astrophysik

5. Auflage, Wiley-VCH 2009, ca. 60 €

Karttunen et al.: Fundamental Astronomy5. Auflage, Springer 2007, ca. 65 €

Unsöld, Baschek: Der neue Kosmos7. Auflage, Springer 2002 (korr. Nachdruck 2004), ca. 55 €

Bennett et al.: Astronomie5. Auflage, Pearson Studium 2009, ca. 80 €

Inhalt der Vorlesung

0. EinleitungI. HistorischesII. Klassische Astronomie: GrundlagenIII. Klassische Astronomie: HimmelsmechanikIV. Der MondV. Die Planeten und ihre MondeVI. Astronomische InstrumenteVII. Zustandsgrößen der SterneVIII. Physik der SternatmosphärenIX. Die SonnenatmosphäreX. Aufbau und Energieerzeugung der SterneXI. SternentwicklungXII. Veränderliche SterneXIII. Interstellare MaterieXIV. Aufbau der GalaxisXV. GalaxienXVI. Kosmologie

0. Einleitung

0.1 Astronomie/Astrophysik: Eine interdisziplinäre Wissenschaft

In der Astronomie spielen viele Teilbereiche der Physik eine Rolle.

Starke Durchdringung der klassischen Astronomie durch die Physik im 20. Jh. → Astrophysik

Astronomie und Astrophysik begrifflich kaum mehr trennbar, praktisch synonym

Übersicht:• Verflechtungen Astronomie ↔ Physik• Beziehungen zwischen Astronomie und anderen Wissenschaften

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Atom- und Molekülphysik

Grundlegend für Astronomie: Analyse elektromagnetischer Strahlung von kosmischen Objekten. Notwendig: Atomare Daten für Spektrallinien:- Linienidentifikation (Herkunft vieler Linien noch unbekannt)- Übergangswahrscheinlichkeiten für Stoß- und Strahlungsprozesse- Atome in extremen Zuständen: hohe Dichten und starke Magnetfelder

Daten nur mit erheblichem experimentellen und theoretischen Aufwand zu gewinnen

Bedeutung der Atomphysik nicht nur wichtig für Diagnostik: Der Zustand der Materie (Plasma) wird bestimmt durch Prozesse wie Ionisation & Rekombination, Molekülbildung und Dissoziation

Atomphysik

Plasmaphysik

Sehr enge Verbindung mit Astronomie, da fast gesamte Materie im Kosmos im Plasmazustand vorliegt. Beispiele für astrophysikalische Phänomene, die nur mit Kenntnis der Plasmaphysik verstanden werden können:

- Sonnenaktivität- Aktivität in Galaxienkernen- Bildung von Jets- Beschleunigung der Teilchen

der kosmischen Strahlung

PlasmaphysikPlasmaphysik

PlasmaphysikPlasmaphysikHydrodynamik und Gasdynamik

In der Physikausbildung häufig vernachlässigt, aber von zentraler Bedeutung für die Astrophysik. Beispiele:

- Prozess der Sternentstehung- Physik der Akkretionsscheiben- Supernovaexplosionen- Sternverschmelzungen

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Hydrodynamik/Gasdynamik Hydrodynamik/Gasdynamik

Kernphysik

Zwei Beispiele für notwendige kernphysikalische Erkenntnisse:

- Aufbau und Entwicklung von Sternen; Kernfusion(Wirkungsquerschnitte, meist im Labor nicht messbar); Erzeugung instabiler Kerne bei SN-Explosionen (z.T. im Labor nicht herstellbar)

- Innerer Aufbau von kompakten Sternen, z.B. Neutronensterne.Extreme Dichten → Frage nach der Zustandsgleichung der Materie Auch von Interesse bei kernphysikalischen Experimenten (LHC, CERN)

Kernphysik

Kernphysik Kernphysik

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Elementarteilchenphysik

- Von fundamentaler Bedeutung für Theorie der Entstehung des Kosmos und Frühphasen seiner Entwicklung

- Natur der dunklen Materie und der dunklen Energie; 95% des Kosmos besteht aus unbekannten Formen von Materie und Energie

→ Astroteilchenphysik

Elementar-teilchenphysik

Allgemeine Relativitätstheorie

Offensichtlich bedeutend für Kosmologie, aber auch für:

• Theorie der Gravitationslinsen (Bestimmung der Hubble-Konstanten)• Struktur kompakter Objekte (Neutronensterne)• Erzeugung von Gravitationswellen

Keine andere physikalische Theorie ist bzgl. experimenteller Überprüfung so stark auf die Astronomie angewiesen wie die ART.

Allgemeine Relativitätstheorie

Allgemeine RelativitätstheorieStarke Verflechtung zw. Astrophysik und Physik auch erkennbar anVerleihung von Physik-Nobelpreisen an Astrophysiker

1936 Hess: Entdeckung der kosmischen Strahlung1967 Bethe: Energieerzeugung in Sternen durch Kernfusion1974 Ryle & Hewish: radioastronomische Techniken bzw.

Entdeckung von Pulsaren1978 Penzias & Wilson: Entdeckung der kosmischen

Hintergrundstrahlung1983 Chandrasekhar & Fowler: Aufbau und Entwicklung von Sternen

bzw. Entstehung der chem. Elemente1993 Hulse & Taylor: Entdeckung eines Binärpulsars: indirekter

Nachweis von Gravitationswellen2002 Davis (Nachweis von Sonnenneutrinos), Koshiba (Nachweis

Neutrinos von Supernova 1987A), Giacconi (erstes Röntgen-Weltraumteleskop)

2006 Smoot & Mather: Eigenschaften der kosmischen Hintergrundstrahlung

(201x experimenteller Nachweis von Gravitationswellen ?)

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Beziehungen zwischen Astronomie und anderen Wissens chaften

Mathematik

- engste Beziehung seit dem Altertum, bis heute wichtig: Astrophysikalische Theorien haben of komplexe mathematische Struktur (z.B. ART)

- von zentraler Bedeutung: nummerische Mathematik zur Simulation von kosmischen Systemen auf dem Computer.

Nummerische Mathematik

Chemie

Komplexe (organische) Moleküle im interstellaren Raum. Problem: sehr geringe Teilchendichten, im Labor nicht realisierbar; dahertheoretische q.m. Berechnungen wichtig.

→ Astrochemie

Nachgewiesene interstellare Moleküle

Zahl der Atome

Chemie

Biologie

Zahlreiche Planeten um andere Sterne entdeckt. Welche Voraussetzungen für organische Chemie und Entstehung von Leben müssen gegeben sein?

→ Astrobiologie

Geowissenschaften

- Planetenkunde- Asteroseismologie (Helio-Seismologie und Seismologie der Sterne): Untersuchung der inneren Struktur der Sterne

Saturnmond Titan

Geowissenschaften/Biologie

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Geowissenschaften/Biologie

Geowissenschaften/Seismologie

Technik

Stürmische Entwicklung der astrophysikalischen Forschung geht Hand in Hand mit rasanter technischer Entwicklung. Beispiele:

- Entwicklung von Beobachtungsinstrumenten in allenWellenlängenbereichen (Weltraumteleskope)

- Neutrino-Astronomie (Detektoren)- Gravitationswellenastronomie- Detektoren für kosmische Teilchenstrahlung

Instrumente und Detektoren auch anderweitig einsetzbar (z.B. Röntgendetektoren für die Medizin)

Astrophysik liefert auch Grundlagenkenntnisse für andere technisch-wissenschaftliche Anwendungen, z.B.- Kernfusion

Missbrauchsgefahr! Z.B. Strahlungstransport und Opazitäten in Sternen →Simulationen von Nuklearexplosionen

Hubble Space Telescope

Technik

ORFEUS• UV-Teleskop, 2 Flüge mit US-Raumfähren (1991, 1996)• Bau unter Tübinger Führung

TechnikAussetzen von ORFEUS aus der Shuttle-Ladebucht

Technik

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H/HeSchichtung

Aufstieg einerHelium-Aschen-Blase

Geschwindigkeit

Herwig, Freytag,& Werner (2006)

Explosionsartige thermonukleare Verbrennung von Wasse rstoff im weißen Zwerg

Missbrauchsgefahr ! H/He

Schichtung

Aufstieg einerHelium-Aschen-Blase

Geschwindigkeit

Herwig, Freytag,& Werner (2006)

Explosionsartige thermonukleare Verbrennung von Wasse rstoff im weißen Zwerg

Philosophie und Religion

Heutiges Weltbild ohne Beiträge der Astronomie nicht vorstellbar. Beispiele:

• Kosmologie - Entstehung der Welt aus dem „Nichts“? (Theorie des inflationären Universums)• Entstehung des Lebens (extrasolare Planeten) - Stellung und Rolle des Menschen im Kosmos

Kosten der Astronomie

Astronomie ist Grundlagenforschung. Wie viel Geld soll dafür ausgegeben werden? Den Wert muss jede Kultur/Gesellschaft für sich selbst entscheiden.

Investitionen: Bislang nicht astronomisch, aber: Tendenz steigend →Großforschung

Bündelung von Aktivitäten auf internationaler Ebene:- Forschungsorganisationen (ESO - European Southern Observatory)- Verbünde für spezielle Großteleskope, z.B. Hubble-Weltraumteleskop (NASA + ESA)

In Deutschland: • Etwa 30 Institute, zumeist an Universitäten, aber auch Max-Planck-Institute und einige weitere außeruniversitäre Einrichtungen • Etwa 530 Wissenschaftler, 400 Doktoranden, 200 Diplomanden, 400Techniker, 90 Verwaltungsangestellte• Ca. 200 Diplom- und 80 Doktorarbeiten werden jährlich abgeschlossen

0.2 Die Dimensionen des Weltalls

• Planetensystem im Maßstab 1:109 (1000 km entspr. 1mm)Sonne 1.4 m DurchmesserMerkur Erbse in 60 m Entfernung von SonneVenus Haselnuss in 110 mErde ´´ in 150 mMars Erbse in 230 mJupiter Kohlkopf in 800 mSaturn ´´ in 1,4 kmUranus Mandarine in 3 kmNeptun ´´ in 4,5 kmNächster Stern in 40.000 km

• Entfernungen in LichtjahrenNächster Stern 4,4Zentrum der Galaxis 25.000Magellansche Wolken 190.000Andromedagalaxie 2,5 MillionenQuasare 13 Milliarden

• Größe der Sterne Sonne: 700.000 km Radius (grob 100 Erdradien; Erde: 6400 km)Roter Riese: 10.000 ErdradienWeißer Zwerg: 100 Erdradien

Neutronenstern: 1/500 Erdradius (ca. 13 km)

Masse eines weißen Zwergs: ~1 Sonnenmasse → mittlere Dichte ca. 1 Millionen mal höher als in Sonne

→ 1 cm3 Materie „wiegt“ etwa 1 Tonne

• Entwicklungszeitskala astronomischer ForschungPlanetensystem 17. Jh.

Sterne 1830Galaxien 1920Quasare 1960Gammablitze 1998

Dunkle Materie, dunkle Energie ?

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0.3 Teilgebiete der modernen Astrophysik

Aufteilung nach Objekten nach BeobachtungstechnikPlanetenforschung RadioastronomieSonnenphysik Millimeter & InfrarotSterne Optische AstronomieInterstellares Medium UV-Astronomie

Milchstraße und Galaxien RöntgenastronomieGalaxienhaufen GammastrahlungUniversum (Kosmologie) (Unterscheidung nach Wellenlänge

elektromagnetischer Strahlung)

und:Kosmische (Teilchen-) StrahlungNeutrinoastronomie

. Gravitationswellenastronomie

Trumpf: multi-wavelength und multi-messenger Astronomie