Einführung in die Astronomie und Astrophysik I - Jochen Liske Fachbereich Physik Hamburger Sternwarte - Hamburger ...

Einführung in die
Astronomie und Astrophysik I

                Teil 1

            Jochen Liske
            Fachbereich Physik
           Hamburger Sternwarte
       jochen.liske@uni-hamburg.de

Präliminarien: Kontakt

   Email: jochen.liske@uni-hamburg.de

   Web: www.hs.uni-hamburg.de/jliske

   STiNE

   Sprechstunde: nach Vereinbarung, entweder an der
    Sternwarte in Bergedorf oder vor der Vorlesung an der
    Jungiusstr.

   Übungsgruppenleiter:
       Jochen Liske
       Robert Baade, rbaade@hs.uni-hamburg.de
       Wolfram Schmidt, wolfram.schmidt@hs.uni-hamburg.de

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   Übungsgruppenleiter:
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       Robert Baade, rbaade@hs.uni-hamburg.de
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Wo ist eigentlich die Sternwarte?
           Oder auch: Sternwarte ≠ Planetarium

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   STiNE

   Sprechstunde: nach Vereinbarung, entweder an der
    Sternwarte in Bergedorf oder vor der Vorlesung an der
    Jungiusstr.

   Übungsgruppenleiter:
       Jochen Liske
       Robert Baade, rbaade@hs.uni-hamburg.de
       Wolfram Schmidt, wolfram.schmidt@hs.uni-hamburg.de

Präliminarien: Was, wo und wann?
   Vorlesung:
       Do 14:15 – 15:45
       HS II
   Übungen:
       4 Gruppen:
        Gruppe    Gruppenleiter   Wann?             Wo?
        A         Schmidt         Do, 16-17:30      SemRm 1
        B         Baade           Do, 16-17:30      SemRm 2
        C         Baade           Do, 17:45-19:15   SemRm 2
        D         Liske           Do, 16-17:30      HS AP

       Übungszettel und Besprechung
       Aktive und regelmäßige Teilnahme  Bonuspunkte
       Start: 25.10.2018
       Aufteilung in Gruppen am Ende dieser Vorlesung

Präliminarien: Leistungsnachweis

   Benotete Modulabschlussklausur / Prüfungsklausur:
       Di, 05.02.2019, 10:00 – 12:00, HS II
       2. Termin: Di, 19.03.2019, 10:00 – 12:00, HS II
       Anmeldung erforderlich (in STiNE)
       3 Versuche möglich
       Prüfungsstoff orientiert sich an den Übungszetteln

Präliminarien: Leistungsnachweis

   Bonus:
       Voraussetzung: aktive und regelmäßige Teilnahme
        an den Übungen  Präsentation von mindestens
        2 Lösungen von Übungsaufgaben
       Bonus wird gewährt, wenn ≥ 60 % der für die
        Übungsaufgaben zu vergebenen Punkte erreicht
        worden sind
       Bonus besteht aus:
         • Klausurpunktzahl ≥ 50%?  Note – 0,3
         • Klausurpunktzahl < 50%?  Bis zu 20
           Prozentpunkte (linear abhängig von der erreichten
           Punktzahl für Übungsaufgaben), maximal
           erreichbare Note = 3,7

Präliminarien: Literatur

   Folien
       In STiNE und auf meiner Web-Seite
       Kein Ersatz für Lehrbücher!

   Astronomie und Astrophysik
    Weigert, Wendker & Wisotzki
    Wiley-VCH, 5. Auflage, 2009

   Der neue Kosmos
    Unsöld & Baschek
    Springer, 7. Auflage, 2004

   Abriss der Astronomie
    Voigt, Hrsg. Röser & Tscharnuter
    Wiley-VCH, 6. Auflage, 2012

Themen
   Einstieg: Was ist Astrophysik?
   Koordinatensysteme
   Astronomische Zeitrechnung
   Sonnensystem
   Gravitation
   Keplersche Gesetze
   Himmelsmechanik
   Gezeiten und Finsternisse
   Strahlung
   Helligkeiten
   Teleskope und Instrumente
   Extrasolare Planeten
   Charakterisierung von Sternen
   Sterne: Äußere Schichten
   Sterne: Innerer Aufbau

Ausblick: Themen in EA&A II

   Sternentstehung
   Sternentwicklung
   Interstellare Materie
   Die Milchstraße
   Galaxien
   Galaxienhaufen
   Intergalaktische Materie
   Kosmologie

Einstieg: Was ist Astronomie?

Einstieg: Was ist Astronomie?
   Eine der ältesten Wissenschaften der Welt
   Alle frühen Hochkulturen (Babylonier, Ägypter, Chinesen, Inder, Maya, ...)
    führten Beobachtungen des Nachthimmels durch.
       Kalender
       Zeitmessung
       Religiöse Aspekte
   Großer Stellenwert in der Antike (z.B. Griechenland, islamische Welt)
       Erste „Experimente“
       Entwicklung von Weltbildern
       Frühe Form moderner Wissenschaft
   Frühe Neuzeit
       Positionsastronomie
       Zeitmessung für die Seefahrt
   Entwicklung zur Astrophysik im 17. – 19. Jahrhundert, vor allem durch
    Entdeckung der Spekrtoskopie

Hamburger Zeitball

Hamburger Zeitball

Begrifflichkeiten: historische Entwicklung

     Astrologie

                  Astronomie

Astrophysik

Begrifflichkeiten: heute

     Astrologie
                               Unterscheidung zwischen
                               Astronomie und Astrophysik
                               heute:
                  Astronomie      Kein einheitlicher Gebrauch
                                  Beobachtung vs Theorie?
                                  „Klassisch“ vs „modern“?
                                  Weitestgehend irrelevant!
Astrophysik

Einstieg: Was ist Astrophysik?
   Teildisziplin der Physik = Naturwissenschaft der unbelebten Welt

Credit: NASA

Einstieg: Was ist Astrophysik?
   Teildisziplin der Physik = Naturwissenschaft der unbelebten Welt
   Astrophysik = Physik von allem außerhalb der Erde

Credit: ESO

Das Sonnensystem

Mond

       Credit: G.H. Revera

Sonne

        Credit: NASA / SDO / AIA / GSFC

Planeten – hier: Saturn

                 Credit: NASA / JPL / Space Science Institute

Zwergplaneten – hier: Pluto

Credit: NASA / JHUAPL / SwRI

Kometen

Credit: ESA / Rosetta / NAVCAM

Dimensionen

Das Sonnensystem im Maßstab 1:109 (1000 km ≙ 1 mm):
   Sonne:     1.4 m ⌀
   Merkur:    Erbse (0.5 cm ⌀)       in 60 m Entfernung
   Venus:     Haselnuss (1.2 cm ⌀)   in 110 m
   Erde:      Haselnuss (1.3 cm ⌀)   in 150 m
   Mars:      Erbse (0.69 cm ⌀)      in 230 m
   Jupiter:   Apfelsine (14 cm ⌀)    in 800 m
   Saturn:    Apfelsine (12 cm ⌀)    in 1.4 km
   Uranus:    Mandarine (5 cm ⌀)     in 3 km
   Neptun:    Mandarine (5 cm ⌀)     in 4.5 km

Dimensionen

          „Planetenpfad“ an der
          Hamburger Sternwarte
          in Bergedorf

         Förderverein Hamburger
         Sternwarte e.V. (FHS)

                                  33

Dimensionen im Sonnensystem

   Radius Erde:                R♁ = 6382 km
   Radius Sonne:               R☉ = 696×103 km = 109 R♁
   Radius Jupiter:             RJup = 70×103 km = 11 R♁
   Entfernung Erde-Sonne:      ~150×106 km = 1 AU = 215 R☉
   Entfernung Sonne-Jupiter:   5.2 AU
   Entfernung Sonne-Pluto:     39.5 AU

Exoplaneten

Credit: ESO

Interstellare Materie

Credit: NASA, ESA, M. Livio and the
Hubble 20th Anniversary Team (STScI)

Credit: ESA/Hubble & NASA

Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Sterne

Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team
(STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

Explosionen!

Credit: NASA, ESA and Allison Loll /
Jeff Hester (Arizona State University)

Sternhaufen

Credit: NASA, ESA, and the Hubble
Heritage Team (STScI/AURA)

Galaxien

Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage
(STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration;
Davide de Martin and Robert Gendler

Galaktische Dimensionen

   Entfernung zum nächsten Stern (Proxima Centauri):
    4.22 Ly  1.3 pc  27×103 AU  4×1013 km

   1 Ly = 9.46×1012 km
    1 pc = 3.09×1013 km
    1 pc = 3.3 Ly

   Entfernung zum Zentrum der Milchstraße: ~8 kpc

   Durchmesser der Milchstraße: ~30 kpc

Galaxien

Credit: NASA, ESA and the Hubble Heritage
(STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

Credit: NASA, ESA, and the Hubble
Heritage Team (STScI/AURA)

Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage
Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble
Collaboration and K. Noll (STScI)

Galaxienhaufen

Credit: NASA, ESA, and J. Lotz,
M. Mountain, A. Koekemoer, and
the HFF Team (STScI)

Das Universum

Credit: NASA , ESA; S. Beckwith
and the HUDF Team

Extragalaktische Dimensionen
   Entfernung zu den Magellanschen Wolken: ~50 kpc

   Entfernung zur Andromeda Galaxie: ~800 kpc

   Größe der Lokalen Gruppe (Galaxienhaufen): ~1.4 Mpc

   Entfernung zum Virgo Haufen (Zentrum des Lokalen Superclusters):
    ~16 Mpc

   Entfernung zum entferntesten, je beobachteten Objekt (Gn-z11,
    z = 11.1): ~4.1 Gpc (Lichtlaufzeit)

   Sichtbares Universum: ~4.2 Gpc (Lichtlaufzeit)

Kosmologie

             Credit: NASA / WMAP Science Team

Der Urknall

              Credit: ESA, Planck Collaboration

Einstieg: Was ist Astrophysik?
   Teildisziplin der Physik = Naturwissenschaft der unbelebten Welt
   Astrophysik = Physik von allem außerhalb der Erde

Einstieg: Was ist Astrophysik?
   Teildisziplin der Physik = Naturwissenschaft der unbelebten Welt
   Astrophysik = Physik von allem außerhalb der Erde
   Sehr viele Teilbereiche, viele mögliche Unterteilungen
       Theorie, Beobachtung, Instrumentierung, Laborexperiment

Einstieg: Was ist Astrophysik?
   Teildisziplin der Physik = Naturwissenschaft der unbelebten Welt
   Astrophysik = Physik von allem außerhalb der Erde
   Sehr viele Teilbereiche, viele mögliche Unterteilungen
       Theorie, Beobachtung, Instrumentierung, Laborexperiment
       Nach Wellenlänge: Optisch, Infrarot, Radio, Röntgen, …
       Nach Methode: Photometrie, Spektroskopie, Astrometrie, Interferometrie, …
       Nach Entfernung: Galaktisch, Extragalaktisch, Kosmologie
       Nach Objekt: Sonne, Planeten, Sterne, Galaxien, Schwarze Löcher, …
       Nach Physik: Strahlungsprozesse, Hydrodynamik, Gravitation, …
   Viele Überschneidungen mit anderen Teildisziplinen der Physik
       Atomphysik, Nuklearphysik, Teilchenphysik, Gravitationsphysik, …
       Alle 4 fundamentalen Wechselwirkungen spielen in der Astrophysik eine Rolle
   … und mit anderen Naturwissenschaften
       Chemie, Mathematik, Informatik, …, und neuerdings: Biologie
   Sehr starker Bezug zum technologischen Fortschritt

Die Boten

   Direkte Exploration

   Kosmische Strahlung

   Neutrinos

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Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum

Credit: ESO

    Credit: NASA

Astronomie – warum?

Astronomie – warum?

Astronomie:
   liefert Kontext und setzt uns in Beziehung zum Rest des
    Universums
   berührt fundamentale Fragen unserer Existenz
   ist vergleichsweise günstig
   führt bisweilen zu technischen Neuerungen von breitem Interesse