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

Einführung in die
Astronomie und Astrophysik I

                Teil 4

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

Astronomische Nachricht der Woche

Astronomische Nachricht der Woche

Astronomische Nachricht der Woche

Mitteilungen

   Übungen
       Problem mit Eintragung in STiNE dauert an – weitere Mitteilung
        folgt
       Lösungszettel = wortwörtliche Abschrift unseres Lösungszettels
        (aus der Fachschaft?)  0 Punkte

   Für Studierende aus anderen Fakultäten, die nur 2 LP brauchen:
       Es genügt die Anwesenheit in der Vorlesung
       Von mir nach jeder Vorlesung bestätigen lassen
       Am Ende des Semesters: Schein von mir auf Antrag

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

Das Sonnensystem
   1 Stern
   8 Planeten
   5 – 11 bekannte Zwergplaneten, insgesamt mehrere 100?
   146 Monde um Planeten (+27 Kandidaten) + Monde um
    Zwergplaneten, Asteroiden, etc.
   Asteroiden
   Kometen
   Meteroiden

Asteroiden

Asteroiden

Asteroiden
   Größe: ~1 m – ~1000 km

Asteroiden
   Größe: ~1 m – ~1000 km

Asteroiden
   Größe: ~1 m – ~1000 km
   Hauptsächlich zwischen Mars und Jupiter (2 – 3.5 AU)

Asteroiden
   Größe: ~1 m – ~1000 km
   Hauptsächlich zwischen Mars und Jupiter (2 – 3.5 AU)
   Viele Familien von Objekten mit ähnlichen Bahnelementen

Asteroiden
   Größe: ~1 m – ~1000 km
   Hauptsächlich zwischen Mars und Jupiter (2 – 3.5 AU)
   Viele Familien von Objekten mit ähnlichen Bahnelementen
       Trojaner: ko-orbitale Objekte in Lagrangepunkten
        L4 und L5

Asteroiden
   Größe: ~1 m – ~1000 km
   Hauptsächlich zwischen Mars und Jupiter (2 – 3.5 AU)
   Viele Familien von Objekten mit ähnlichen Bahnelementen
       Trojaner: ko-orbitale Objekte in Lagrangepunkten
        L4 und L5

Asteroiden
   Größe: ~1 m – ~1000 km
   Hauptsächlich zwischen Mars und Jupiter (2 – 3.5 AU)
   Viele Familien von Objekten mit ähnlichen Bahnelementen
   Gesamtmasse  3 x 1021 kg = 0.04 MMond
   Überbleibsel aus der Entstehungsphase des Sonnensystems
   Jupiter verhinderte die Entstehung eines kleinen Planeten
   Keine einheitliche Zusammensetzung, viele Typen
   Kohlenstoffe, Silikate
   Viele sind nur Geröllhaufen
   z.T. differenziert

Asteroiden
   Hayabusa2: japanische „sample-return“ Mission zu 162173 Ryugu
   Gestartet 2014-12-03, Ankunft 2018-06-27
   2 hüpfende Rovers abgesetzt am 2018-09-21
   Einsammlung von durch Projektilen aufgewirbeltem Material
   Rückflug zur Erde 2019-12
   Ankunft 2020-12

Asteroiden
   Hayabusa2: japanische „sample-return“ Mission zu 162173 Ryugu
   Gestartet 2014-12-03, Ankunft 2018-06-27
   2 hüpfende Rovers abgesetzt am 2018-09-21
   Einsammlung von durch Projektilen aufgewirbeltem Material
   Rückflug zur Erde 2019-12
   Ankunft 2020-12

Nomenklatur

   Asteroid: > ~1 m, innerhalb der
    Neptunbahn
   Meteoroid: kleiner als Asteroid,
    größer als Staub (keine scharfe
    Abgrenzung)
   Meteor (= „Sternschnuppe“): alles,
    was in die Atmosphäre eintritt
   Meteorit: alles, was es bis auf die
    Erdoberfläche schafft

Apropos Meteorit …

Apropos Meteorit …

Chicxulub Krater

Apropos Meteorit …

Das kann jederzeit passieren …
Peekskill Meteorit, 1992-10-09:

Das kann jederzeit passieren …
Chelyabinsk Meteor, 2013-02-15:

Das kann jederzeit passieren …

Das kann jederzeit passieren …

Das kann jederzeit passieren …

Das kann jederzeit passieren …
Die größten erdnahen Asteroiden nach Jahr:

Planetare Verteidigung

https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/06/National-Near-Earth-Object-Preparedness-Strategy-and-Action-Plan-23-pages-1MB.pdf

Planetare Verteidigung

https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2018/06/National-Near-Earth-Object-Preparedness-Strategy-and-Action-Plan-23-pages-1MB.pdf

Kometen
   Eis-, Staub- und Gesteinsbrocken aus den
    äußeren Bereichen des Sonnensystems
   Ausgasen bei Annäherung an die Sonne:
    Kern (~1 – 10 km), Koma (~105-6 km),
    Schweif (~107 km)
   Oft 2 Schweife:
       Plasmaschweif (durch Sonnenwind)
       Staubschweif (durch Strahlungsdruck)
   Mehrere Bahnfamilien
   Kurzperiodische (P < 200 a, ekliptisch,
    aus dem Kuipergürtel?)
   Langperiodische (P > 200 a, isotrop,
    aus der Oortschen Wolke?)

Kometen
   Eis-, Staub- und Gesteinsbrocken aus den
    äußeren Bereichen des Sonnensystems
   Ausgasen bei Annäherung an die Sonne:
    Kern (~1 – 10 km), Koma (~105-6 km),
    Schweif (~107 km)
   Oft 2 Schweife:
       Plasmaschweif (durch Sonnenwind)
       Staubschweif (durch Strahlungsdruck)
   Mehrere Bahnfamilien
   Kurzperiodische (P < 200 a, ekliptisch,
    aus dem Kuipergürtel?)
   Langperiodische (P > 200 a, isotrop,
    aus der Oortschen Wolke?)
   2014: erste Landung auf einem Kometen
    durch Philae  Rosetta

Kometen
   Eis-, Staub- und Gesteinsbrocken aus den
    äußeren Bereichen des Sonnensystems
   Ausgasen bei Annäherung an die Sonne:
    Kern (~1 – 10 km), Koma (~105-6 km),
    Schweif (~107 km)
   Oft 2 Schweife:
       Plasmaschweif (durch Sonnenwind)
       Staubschweif (durch Strahlungsdruck)
   Mehrere Bahnfamilien
   Kurzperiodische (P < 200 a, ekliptisch,
    aus dem Kuipergürtel?)
   Langperiodische (P > 200 a, isotrop,
    aus der Oortschen Wolke?)
   2014: erste Landung auf einem Kometen
    durch Philae  Rosetta

Der Kuipergürtel
   Existenz als Überbleibsel der Entstehung des Sonnensystems und als
    Ursprung der Kometen 1943 vorhergesagt
   Gürtel von Objekten in 30 – 50 AU, Gesamtmasse ~100 x Asteroidengürtel
   Ca. 2000 KBOs bekannt

Der Kuipergürtel
   Existenz als Überbleibsel der Entstehung des Sonnensystems und als
    Ursprung der Kometen 1943 vorhergesagt
   Gürtel von Objekten in 30 – 50 AU, Gesamtmasse ~100 x Asteroidengürtel
   Ca. 2000 KBOs bekannt
   Verschiedene Typen (Bahnelemente):
       Klassisch: 2/3 aller KBOs, z.B. Makemake
       Resonant (Plutinos): 1/3, z.B. Pluto
       Gestreut: durch Neptun(?), z.B. Eris, einzig dynamisch aktive Region 
        Kometenquelle?

Ein neunter Planet?

Die Heliosphäre
   Durch Sonnenwind (= geladener Partikelstrom von der Sonne)
    erzeugte „Blase“ in der umgebenen interstellaren Materie
   Heliopause = Grenze des Einflussbereichs des Sonnenwinds

Die Heliosphäre
   Durch Sonnenwind (= geladener Partikelstrom von der Sonne)
    erzeugte „Blase“ in der umgebenen interstellaren Materie
   Heliopause = Grenze des Einflussbereichs des Sonnenwinds

    Voyager 1

Die Oortsche Wolke

           Hypothetische Wolke von Objekten im
            Bereich (2 – 200) x 103 AU
           Objekte in der OW sind zu leucht-
            schwach  noch nie beobachtet
           Als Quelle von langperiodischen,
            isotropen Kometen postuliert
           Äußerer Teil nur noch schwach an
            Sonne gebunden
           Vermutlich weiter innen entstanden,
            dann durch Gasriesen nach außen
            gestreut
           1012 (?) Objekte > 1 km
           Gesamtmasse ~3 x 1025 (?) = 5 MErde

Struktur des Sonnensystems

               Entfernungen logarithmisch!

Exploration
Zusammenfassung aller bisherigen Missionen:

                                              Credit: NASA

Credit: NASA

Credit: NASA

NASA / JPL-Caltech / MSSS

NASA / JPL-Caltech

NASA / JPL-Caltech / U. of Arizona

NASA / JPL-Caltech

NASA / JPL-Caltech / MSSS

Exploration
            Einige der wichtigsten Missionen der letzten Jahre:
Mission                   Ziel                    Typ
LRO / LCROSS              Mond                    Orbiter /
                                                  Einschlagsprojektil
GRAIL                     Mond                    Orbiter
MESSENGER                 Merkur                  Fly-by, Orbiter
Venus Express             Venus                   Orbiter
Curiosity                 Mars                    Rover
MRO                       Mars                    Orbiter
Dawn                      Asteroiden Vesta, Ceres Orbiter
Rosetta / Philae          Komet 67P               Orbiter / Lander
Juno                      Jupiter                 Orbiter
Cassini / Huygens         Saturn / Titan          Orbiter / Lander
New Horizons              Pluto, Charon, TNO      Fly-by

Exploration
Ca. 30 aktive Missionen (Nov 2018):

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

Das geozentrische Weltbild

                    Im antiken Griechenland
                     erdacht
                    Erde im Mittelpunkt,
                     umgeben von den
                     konzentrisch angeordneten
                     Sphären des Mondes, der
                     Sonne, der Planeten und
                     der Fixsterne
                    Nah an der täglichen
                     Erfahrung
                    Entsprach der nicht
                     beobachteten stellaren
                     Parallaxe
                    Ca. 1400 Jahre lang das
                     vorherrschende Weltbild

Das geozentrische Weltbild
Herausforderung für das geozentrische Weltbild:
die retrograde Bewegung der Planeten

Das geozentrische Weltbild
Herausforderung für das geozentrische Weltbild:
die retrograde Bewegung der Planeten

Das geozentrische Weltbild

Erweiterung des geozentrischen
Weltbildes durch Claudius Ptolomäus
(100 – 160):
   Kreisbewegung der Planeten mit
    verschiedenen Zentren  Epizyklen
   „Erklärt” Planetenbewegungen (inkl.
    retrograde)
   Beobachtungsdaten können
    einigermaßen reproduziert werden

Das geozentrische Weltbild

Erweiterung des geozentrischen
Weltbildes durch Claudius Ptolomäus
(100 – 160):
   Kreisbewegung der Planeten mit
    verschiedenen Zentren  Epizyklen
   „Erklärt” Planetenbewegungen (inkl.
    retrograde)
   Beobachtungsdaten können
    einigermaßen reproduziert werden
   Allerdings nur mit weiteren, das
    Modell verkomplizierenden
    Annahmen

Das heliozentrische Weltbild

   Bereits im antiken Griechenland
    diskutiert (Aristarchos von Samos,
    310 – 230 v. Chr.)
   Wiederbelebung durch Nikolaus
    Kopernikus (1473 – 1543):
       Sonne im Mittelpunkt, Planeten
        auf Kreisbahnen
       Berechnung der Positionen der
        Planeten zwar nicht genauer,
        aber einfacher

Galileo Galilei (1564 – 1642)
   Mitbegründer der modernen Physik
   Versuche zu Mechanik und Trägheit
   Mehrere Entdeckungen mit dem 1609
    erfundenen Fernrohr, die das
    geozentrische Modell in Frage stellen:
       Monde des Jupiter
       Phasen der Venus
       Sonnenflecken

Johannes Kepler (1571 – 1630)

              Kaiserlicher Hofmathematiker in Prag
              Widmete sich dem Problem der
               Nichtübereinstimmung von
               Langzeitbeobachtungen mit
               kopernikanischem Modell
              Verbesserung des heliozentrischen
               Modells mit Hilfe von Tycho Brahes
               (1546 – 1601) Beobachtungsdaten
              Kreisbahnen  Ellipsen
              Keplersche Gesetze

Die Keplerschen Gesetze

1. Die Umlaufbahn eines Planeten um die Sonne ist eine
   Ellipse mit der Sonne in einem der Brennpunkte.
2. Die Verbindungslinie Sonne-Planet überstreicht in
   gleichen Zeiten gleiche Flächen.
3. P2 ~ a3

Die Keplerschen Gesetze

1. Die Umlaufbahn eines Planeten um die Sonne ist eine
   Ellipse mit der Sonne in einem der Brennpunkte.
2. Die Verbindungslinie Sonne-Planet überstreicht in
   gleichen Zeiten gleiche Flächen.
3. P2 ~ a3

Ellipse
   Menge aller Punkte der Ebene, für die die Summe ihrer
    Entfernungen zu zwei gegebenen Punkten (F1, F2) gleich
    einer gegebenen Konstante ist.
   Ellipsengleichung:

   a, b = große, kleine Halbachse
   p = Halbparameter = b2 / a
   F1, F2 = Brennpunkte
   e = lineare Exzentrität = (a2 – b2)1/2
   ε = numerische Exzentrizität = e / a
   Periapsisdistanz = a (1 – ε)            Polargleichung (bzgl. Brennpunkt):
   Apoapsisdistanz = a (1 + ε)
                                                                ε

Ellipse
   Menge aller Punkte der Ebene, für die die Summe ihrer
    Entfernungen zu zwei gegebenen Punkten (F1, F2) gleich
    einer gegebenen Konstante ist.
   Ellipsengleichung:

   a, b = große, kleine Halbachse
   p = Halbparameter = b2 / a
   F1, F2 = Brennpunkte
   e = lineare Exzentrität = (a2 – b2)1/2
   ε = numerische Exzentrizität = e / a
   Periapsisdistanz = a (1 – ε)            Polargleichung (bzgl. Brennpunkt):
   Apoapsisdistanz = a (1 + ε)
                                                                ε

Die Keplerschen Gesetze

   Ursprünglich rein phänomenologische (d.h. von
    Beobachtungen abgeleitete) Gesetze

   Die Herleitung von physikalischen Gesetzen kam erst später

   Herleitung: Anwendung der Newtonschen
    Bewegungsgleichung und des Newtonschen
    Gravitationsgesetzes auf das 2-Körper-Problem

Isaac Newton (1642 – 1726)
   Mitbegründer der modernen Physik
   Begründete mit seinen drei
    Newtonschen Gesetzen die
    klassischen Mechanik
   Entdecker des klassischen
    Gravitationsgesetzes
   Entwicklung der Infinitesimal-
    rechnung zeitgleich mit Leibniz

Die Newtonschen Gesetze

1. Trägheitsprinzip: Kräftefreie Bewegung  geradlinige
   Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit

2. Bewegungsgleichung:

3. Actio = Reactio:

Das Newtonschen Gravitationsgesetz

   Die Kraft zwischen zwei punktförmigen Körpern der Mass
    m1 und m2 ist gegeben durch:

   r = Verbindungvektor zwischen m 1 und m2
   G = Gravitationskonstante = 6.67259 x 10-11 m3 / kg / s2