Geschichte der Astronomie Altertum: –Kalender (Finsternisse) –Form der Erde –Distanz zum Mond...

Geschichte der Astronomie• Altertum:

– Kalender (Finsternisse)– Form der Erde– Distanz zum Mond und zur Sonne– Erddurchmesser– Planetenbewegung– Weltbild

• Mittelalter– Weltbild– Kepler-Gesetze– Newton

– zur modernen Astrophysik

hervorragendes Buch: The Cambridge concise history of astronomy Michael Hoskin (ed.)

Ekliptik und Wandersterne

Kalender

• Problem: 1 Jahr = 365.2422 Tage• Aegypten: 1 Jahr = 365 TageSiriusaufgang verspätet sich mit den Jahren

nach 1460 = 365x4 Jahren ist Siriusaufgang rechtzeitig

Julianischer Kalender: Schalttag alle 4 Jahre• 1 Jahr = 365.25 Tage Gregorianischer Kalender: (Korrektur 10 Tage)

kein Schalttag falls:

J/100 ganzzahlig und J/400 nicht ganzzahlig

• Astronomisches Datum (JD: Julian Date)• JD = 0 = 1.1.4713 v. Chr. • JD(21.Sept.2011, 1100) = 2`456`189.95833

Sonnen- und Mondfinsternisse konnten vorausgesagt werden

Trennungsmythen

Nut und Geb: Himmel und Erde werden getrennt

Griechische Astronomie (Mythen Philosophie empirische Wissenschaft)

500 v. Chr. Pythagoräer Erde ist eine Kugel die sich täglich einmal dreht400 v. Chr. Philolaus von KrotonDeutung der Planetenbewegung: Zentralfeuer um das sich Sonne, Erde

und Planeten in konzentrischen Kreisen bewegen350 v. Chr. AristotelesErde ist rund, weil der Erdschatten bei Mond-Finsternissen kreisförmig ist

(Erde 3x grösser als Mond) #265 v. Chr. Aristarch von Samos Heliozentrisches Weltbild; Versuch Entfernung der Sonne und des

Mondes bei Halbmond zu messen &220 v. Chr. EratosthenesMessung des Erdumfangs (39690 km) &150 v. Chr. HipparchScheinbare Geschwindigkeit der Sonne variabel, Entdeckung der

Präzession150 n. Chr. Ptolemäus(geozentr.) Epizyklentheorie für Planetenbahnen, fasst gesamtes

astronomisches Wissen zusammen

Beobachtung der Mondfinsterniss: Erdschatten ist rund Erde ist rund (Aristoteles)

Durchmesser Mond 1/2 GradMond bewegt sich ca. 1/2 Grad/Std.Totalitätsdauer einer zentralen Mondfinsterniss: ≈ 2 StundenDurchmesser Erdschatten ≈ 3 Monddurchmesser

Griechische Astronomie

• Erathostenes: Erdumfang Distanz: Erde-Mond

• Aristarch: Distanz Erde-Sonne Grösse des “Universums”

• Weltbild: Geozentrisches Weltbild war bei den Griechen weit verbreitet

Erde in der MitteMond, Sonne und 5 Planeten kreisen um die Erde Sterne befinden sich an der äussersten Sphäre

(Ausnahme: Aristarch von Samos)

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Probleme mit dem antiken Weltbild:Falsche Annahmen:

• geozentrisch• Kreisbahnen • gleichmässige Bewegung

A. Bewegung der Erde um SonneNäherung: Erde nicht im Zentrum des Kreises

Bewegung der Planeten:

innere Planeten immer nahe der Sonne

Bewegung der Planeten:

äussere Planeten zeigen vorläufige und rückläufige Bewegung

Epizyklen

Epizyklen:

erste Approximation

zweite Approximation

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Weltbild von Ptolemäus (145 n. Chr)Epizyklen bewegen sich entlang eines grossen Kreises (Deferent)

Astronomie im Mittelalter 1054 Supernova (Krebs-Nebel) Keine abendländische Dokumente (Sternhimmel ist eine perfekte und daher

unveränderliche Schöpfung)vor 1500 System von Ptolemäus wird von Arabern gelehrtAl Battani 858-928, Al Sufi 903-986, Alfons X von Kastilien 1226-1284 Alfonsische

Tafeln 1492 Kolumbus Entdeckung von Amerika1473-1542 Kopernikus Kopernikanisches Weltbild (Aristarch), heliozentrisches Weltbild mit Kreisbahnen

und Epizyklen für Planeten1546-1601 Tycho BraheSternkatalog, Marsbahn (2‘), Supernova 1572, Kometenbahn durch Planeten-

Spähren, Tychonisches Weltbild (Aegypter)1600 Giordano Bruno wird in Rom verbrannt„das All ist unendlich, mit unendliche vielen Welten mit eigenen Sonnen“1608 Hans Lippersheyerfindet das Teleskop1564 – 1642 Galileo GalileiVerfechter der kopernikanischen Lehre (Inquisition), baut Fernrohr 1609,Entdeckt Jupitermonde, Sonnenflecken, Venusphasen, Mondgebirge (Physik:

Gesetze des freien Falls und Pendelschwingungen)1571 – 1630 Johannes KeplerFindet die 3 Keplerschen Gesetze (Mars-Daten von Tycho), heliozentrisches

Weltbild mit Ellipsenbahnen

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Das heliozentrische WeltbildKopernikus: De Revolutionibus (Autograph 1543, Hinterseite Blatt 9)

Tycho Brahe 1546-1601

Kepler:

Analyse der Marsdaten von Tycho war der Schlüssel zum Durchbruch

• elliptische Bahnen• ungleichmässige Bewegunggeschwindigkeit

Keplersche Gesetze

1. Planeten auf Ellipsenbahnen, Sonne in einem Brennpunkt

2. Verbindungslinie Planet-Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächenstücke

3. P2/a3 = const.

a

Galileo Galilei

Entdeckt mit seinem selbstgebauten Teleskop die Jupitermonde

Bewegung der Monde entspricht den Keplerschen Gesetzen

Distanzen im “Universum”• Distanzen im Sonnensystem

(bisher: Erde-Sonne ~ 30 x Erde-Mond; Aristarch von Samos um 250 v. Chr)

– Trigonometrische Bestimmung der Distanz zum Mars• Marsopposition 1672• Gleichzeitige Messung der Marsposition von Frankreich und

Franz. Guayana (Südamerika)

Mars

α

sin α ~ α = x/d = 6000 km / d (α = 21”, d = 6x107 km = 0.4 AE)

d x

• alle anderen Distanzen folgen aus Keplergesetz

a3Mars/P2

Mars = a3Erde/P2

Erde = const. und d = aMars(tx) - aErde(tx)

3 Gleichungen und 3 Unbekannte: aMars, aErde, const (GMsun/4π2)

für alle anderen Planeten folgt a aus: a3/P2 = const

Distanzen zu den Sternen• Basis für die Triangulation ist die Erdbahn um die Sonne

Basislänge 1 AE = 1.5x108 kmAE = Astronomische Einheit

Parallaxe (Winkel)für π = 1‘‘ = 2π / (360x60x60) = 1/206265ist d = AE/π = 3.094 x 1013 km

Die Distanz d(1“) = 3.094 x 1013 km isteine Einheitsdistanz in der Astronomie und wird als parsec bezeichnet

d

AE

π

d

• Seit Tycho Brahe (um 1600) wurde versucht die Parallaxe zu den Sternen zu messen

• Bradley konnte um 1750 zeigen, dass die Sternparallaxen kleiner als 1’’ sind

(die Auflösung der Teleskope wird durch die Luftunruhe auf etwa 1’’ begrenzt).– 1781 entdeckte William Herschel Uranus beim Versuch Sternparallaxen zu

messen

• erst 1838 fand Struve die erste Sternparallaxe für Vega p = 0.12” Distanz = 8 pc (25 Lj)

• der nachste Stern “alpha Cen” (Dreifachsystem) hat einer Parallaxe von 0.75” (d=1.3pc)

• Durchmesser unserer Milchstrasse ~ 30 kpc• Distanz zu nahen Galaxien ~ Mpc• Distanz zu Quasaren und fernen Galaxien ~ Gpc

• Um 1995 hat der Satellit Hipparcos Sternparallaxen von etwa 100’000 Sternen gemessen (bis ca. d=150 pc)

• nächstes Jahr startet der Satellit GAIA – er wird Sternparallaxen von 100 Mio. Sternen messen (exakte Struktur unserer Milchstrasse)

Physikalische GrundgesetzeNewtonsche MechanikDie 3 Newtonschen Gesetze der Mechanik (1687):1) Trägheitsgesetz (Körper bleibt ohne Krafteinwirkung in

Ruhe oder gleichförmiger Bewegung)

2) F=dp/dt (eine Kraft bewirkt eine zeitliche Veränderung des Impulses in Richtung dieser Kraft)

3) Fij = - Fji (Actio = Reactio)

• Revolution für die Naturwissenschaften Mechanisches Weltbild • Die empirisch hergeleiteten Kepler-Gesetze

folgen exakt aus der Newtonschen Mechanik• Komet Halley (Periode 76 Jahre) als Beweis

Eigenschaften des Lichts

• Lichtgeschwindigkeit (300‘000 km/s)• Erfindung der Pendeluhr (Huygens1659)

– Bestimmung von c mit den Jupitermonden (Römer und Cassini 1675)

Beobachtung der Eintrittszeiten der Monde in den Jupiterschatten ist um mehr als 10 Minuten verspätet während der Konjunktion verglichen zur Opposition Weglaufdifferenz

Sonne

• Absorptionlinien im Sonnenspektrum (entdeckt von Frauenhofer 1814 Frauenhofer-Linien)

K H G F b E D C B A CaII CH HI MgI FeII NaI HI O2| terr O2|terr

Linienverzeichnis von Frauenhofer mit 567 Absorptionslinien (heute sind um die 100’000 Linien im Sonnenspektrum bekannt)

• Spektralanalyse Kirchhoff und Bunsen (1859) zeigen, dass die D-Linien von Natrium stammen

Astrophysik: der physikalischer Zustand von astronomischen Objekten kann untersucht werden

Dopplereffekt: Δλ / λ = v / c

ruhende Quelle: v=0, Wellenlänge identischsich entfernende Quelle v>0, Wellenlänge grösser Rotverschiebungsich nähernde Quelle v<0, Wellenlänge kleiner Blauverschiebung

Holzschnitt von Thomas Wright (1750) zur Illustration der Milchstrassenstruktur

Abschied vom Heliozentrisches Weltbild:Liegt die Sonne im Zentrum des Universums?

Sonne

Shapley zeigte um 1920, dass die Sonne ca. 10 kpc vom Zentrum der räumlichen Verteilung der Kugelsternhaufen liegt (= Zentrum der Milchstrasse)

Galaktozentrisches Weltbild:Liegt die Milchstrasse im Zentrum des Universums?

Sind Nebel (Spiralnebel) auch Milchstrassensysteme?

M51: William Parsons (Lord Rosse) endeckte 1845 die zum ersten Mal eine Spiralstruktur eines “Nebels” ( Zeichnung links)

Rotverschiebung CaII (Ca+)-Doublett in hellsten Galaxien in Galaxienhaufen

Annahme:

gleiche absolute Helligkeit (Standardkerzen)

• scheinbare Helligkeit ist ein grobes Mass fuer Distanz

l ~ L / 4πd2 (1+z)2

Kosmologische Expansion

• Edwin Hubble und andere entdeckten (um 1930), dass sich entfernte Galaxien von uns weg bewegen (Doppler-Effekt)

Fluchtgeschwindigkeit

Dis

tanz

d = H x vH = 70 km/s / Mpc

Das Universum ist homogen, isotrop und expandiert

“Zeitmaschinen”

HDFHubble Deep Field

2.5‘‘ x 2.5‘‘(3x10-8 des Himmels)

~3000 Objekte(~20 Sterne)

Das Licht der entferntesten Objekte wurde „nur“ 2-5 Mia Jahre nach dem Urknallausgesandt!

Fluktuationen (~0.001%) im Mikrowellenhintergrund