Einführung in die Astro-nomie und Astrophysik I - Jürgen Schmitt Hamburger Sternwarte

Einführung in die Astro-
nomie und Astrophysik I

           Jürgen Schmitt
        Hamburger Sternwarte

Literatur
   Unsöld, Baschek: Der neue
    Kosmos, Springer

   Shu,F. The Physical Universe

   Carroll, B.W., Ostlie, D.A.
    Modern Astrophysics
    Addison Wesley

Einführung in die Astronomie und Astrophysik (I)

  I.       Übersicht/Einordnung der Astrophysik in die Naturwissenschaften
  II.      Stellarastrophysik (I)
      II.1 Fundamental messbare Größen von Sternen
      II.2 Sternpositionen
      II.3 Helligkeitssystem
      II.4 Parallaxe
      II.5 Entfernungen der Sterne
      II.6 Absolute Helligkeit
      II.7 Spektralklassifikation
      II.8 Effektivtemperatur
      II.9 Hertzsprung-Russell-Diagramm
 III.      Zweikörperproblem
      III.1 Gravitationsgesetz
      III.2 Keplersche Gesetze
      III.3 Ableitung der Keplerschen Gesetze aus Gravitationsgesetz
      III.4 Massenbestimmung mit 3. Keplerschen Gesetz
      III.5 Gravitationsfeld ausgedehnter Körper
 IV.        Stellarastrophysik (II)
      IV.1 Doppelsternsysteme
      IV.2 Drehimpuls und Energieinhalt ausgedehnter Körper
      IV.3 Gezeitenkraft und Gezeitenreibung
 V.         Sonnensystem
      V.1 Inventar des Sonnensystems
      V.2 Bahnen
      V.3 Einschlagkrater
 VI.        Stellarastrophysik (III)
       VI.1 Sternaufbau: Grundgleichungen
       VI.2 Zustandsgleichung der Sternmaterie
       VI.3 Virialsatz
       VI.4 Abschätzung der Stellarparameter und einfache Sternmodelle
       VI.5 Energietransport durch Strahlung
       VI.6 Opazität
       VI.7 Kernfusion in Sternen: CNO-Zyklus und proton-proton
       VI.8 Nachweis der stellaren Neutrinos
 VII.       Stellarastrophysik (IV)
       VII.1 Homologierelationen: Masse-Radius und Masse-Leuchtkraft-Beziehung
       VII.2 Lebensdauer von Sternen
       VII.3 Grundzüge der Sternentwicklung
       VII.4 Bildung von Riesensternen

Warum und wozu Astronomie ?
   Astronomie befriedigt grundlegendes Bedürfnis der
    Menschheit nach Verständnis des Kosmos
   Astrophysik adressiert die Frage: Warum sind wir hier ?
   Astronomie ist eine kulturelle Errungenschaft
   Astronomie ist Grundlagenforschung
   Astronomie studiert Materie unter im Labor nicht herstellbaren
    Bedingungen
    Temperatur               Dunkle Materie
    Dichte                  Kosmologische Konstante
    Magnetfeld               Plasmazustand
    Schwerkraft

Why are we here ? (Carroll,Ostlie p. 1321)
    We are here because, more than ten billion years ago, the universe borrowed
energy from the vacuum to create vast amounts of matter and antimatter in nearly
equal numbers. Most of it annihilated and filled the universe with photons. Less
than one part per billion survived to form protons and neutrons, and then the
hydrogen and helium that makes up everything there is. Some of this hydrogen and
helium collapsed to form the first generation of massive stars, which produced the
first batch of heavy elements in their central nuclear fires. These stars exploded
and enriched the interstellar clouds that would form the next generation of stars.
Finally, about five billion years ago, one particular cloud in one particular galaxy
collapsed to form our Sun and its planetary system. Life arose on the third planet,
based on the hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen and other elements found in the
protostellar cloud. The development of life transformed Earth‘s atmosphere and
allowed life to move onto land. Sixty-five millions years ago, a fortunate collision
with a large meteorid hastened the demise of the dinosours and allowed small furry
mammals to take center stage. Primitive men and women evolved and moved out
of Africa to conquer the world with their knowledge of tools, language, and
agriculture. After raising food on land, your ancestors, your parents and then you
consumed this food and breathed the air. Your own body is a collection of the
atoms that were created billions of years earlier in the interiors of stars, the fraction
of a fraction of a percent of normal matter that escaped annihilation in the first
microsecond of the universe. Your life and everything in the world around you is
intimately linked to countless aspects of modern astrophysics.

Historische Entwicklung
der Astronomie
    Älteste Wissenschaft
    Astronomie/Astrologie
    Astronomie und Navigation
    Astronomie und Zeitmessung
    Astronomie/Astrophysik
    Astrophysik = Physikalisches
     Verständnis des uns umgebenden
     Kosmos

Skalen des Kosmos

 Erde         12000 km             4.5 Mill Jahre
 Sonne       700000 km             4.5 Mill Jahre
 Milchstraße    1018 km         13 Mill Jahre
        Erde              24
                      5 10 kg
 Universum      1023 km         13 Mill Jahre
        Sonne         2 1030 kg
Masse
        Milchstraße ca. 1041 kg
         Universum   ca. 1052 kg

Zeitliche Entwicklung
   Dimension von Erde und Mond:
    -100
   Dimension und Masse des
    Sonnensystems: 1700 - 1800
   Abstand Sonne-Sterne: 1840
   Masse von Sternen:      1880
   Dimension der Milchstraße: 1900
   Dimension der Galaxien:    1930
   Dimension des Universums: 1965

Die 3 Säulen der modernen Astrophysik
    Beobachtungen
                             Moderne Technik/Technologie
Beobachtungsinstrumente

                               Anwendung physikalischer
Theoretische Beschreibung
                                      Gesetze

Computational Astrophysics         Computertechnik

Astrophysik als interdisziplinäre
Wissenschaft
              Atom- und Molekülphysik
                  Grundlage für Diagnostik
                   elektromagnetischer Strahlung
                     Spektrallinien
                     Atome in extremen Zuständen
                      (Dichte, Magnetfelder)
                  Zustand kosmischer Materie
                     Ionisation und Rekombination
                     Molekülbildung

                     Staubbildung

Astrophysik als interdisziplinäre
Wissenschaft
         Plasmaphysik (heiße Materie)
              Sonnenaktivität
              Jets

              Beschleunigung kosmischer
               Strahlung
         Hydrodynamik/Gasdynamik
              Sternentstehung und Entwicklung
              Sternexplosionen

              Akkretionsscheiben

Astrophysik als interdisziplinäre
Wissenschaft
           Kernphysik
                Fusionsprozesse in Sternen
                Fusionsprozesse in SN-
                 Explosionen
                Kernprozesse in der kosmischen
                 Strahlung
                Materie in kompakten Objekten

           Elementarteilchenphysik
                Dunkle Materie
                Dunkle Energie

               ⇒ (Astro-)Teilchen-(Astro)physik
                Neutrino-Astrophysik

Kernphysik

Astrophysik als interdisziplinäre
Wissenschaft
         Allgemeine Relativitätstheorie
           Astrophysik ist Labor für ART
           Gravitationslinsen
           Kompakte Objekte
           Gravitationswellen
           Kosmologie

         Mathematik/Informatik
           Astronomie -- Mathematik
           Himmelsmechanik (Gauss)
           Numerische Simulation

Astrophysik als interdisziplinäre
Wissenschaft
        Chemie
          Moleküle im interstellaren Medium
          Chemische Prozesse an
           Staubkörnern
          Analyse von Meteoriten
          Chemische Prozesse in
           Planetenatmosphären

Astrophysik als interdisziplinäre
Wissenschaft

         Geowissenschaften
           Planeten/exosolare Planeten
           Seismologie
           Planetenatmosphären/Klimatologie

         Biologie
             Lebensbedingungen auf Erde und
              anderen Planeten
              ⇒ Astro-Biologie

Der Sonnen(flecken)zyklus über 400 Jahre

                           Σχηωαβε

Maunder Minimum

Hendrick Averkamp (1585 - 1663)

Astrophysik als interdisziplinäre
Wissenschaft
          Technik
            Stürmische Entwicklung in den
             letzen Jahren durch technischen
             Fortschritt
            Weltraumastronomie

          Philosophie / Religion
              Astronomie als Ideenlieferant und
               Konfliktstoff

Technik

UVES
Spektro
graph

HEGRA Cherenkov-Teleskop LaPalma

Astronomie als aktuelle Wissenschaft
      Nobelpreise:
           Hess, Entdeckung der Kosmischen Strahlung
            1936
           Bethe, Energieerzeugung in Sternen durch
            Kernfusion 1967
           Ryle & Hewisch, Entdeckung der Pulsare
            1974
           Penzias & Wilson, Entdeckung der
            Mikrowellen-Hintergrundstrahlung 1978
           Chandrasekhar & Fowler, Aufbau und
            Entwicklung von Sternen 1983
           Hulse & Taylor, Binär-Millisekunden-Pulsar
            1993
           Davis, Koshiba, Giacconi, Neutrino- und
            Hochenergie-Astrophysik 2002
           Schmidt Dunkle Energie 2011