1 Astronomie & Astrophysik

Die Astronomie (“Sternkunde”) und Astrophysik befasst sich als exakte Naturwissen-schaft mit dem Studium des Kosmos (Kosmologie) und der in ihm geltenden Gesetze,insbesondere mit der Entstehung, Bewegung, physikalischen Beschaffenheit (Eigenschaften)und Entwicklung der Himmelskorper.

1.1 Spharische Astronomie

Abbildung 1: Zirkumpolarsterne und Sternbilder des nordlichen Sternenhimmels

• die Sterne des Nordhimmel umkreisen scheinbar, auf Grund der Ausrichtung der Erdach-se und der Erdrotation, den Polstern (Polaris)

• der Himmelspol umkreist auf Grund der Prazession der Erdachse den Pol der Ekliptikin 25 700 einmal =⇒ Verschiebung (360◦) von Fruhlingspunkt und der Tierkreiszeichen

1.1.1 Koordinatensysteme

Abbildung 2: Horizontalsystem und Aquatorsystem mit den jeweiligen Himmelskoordinaten

1

• Horizontalsystem: die Koordinaten Hohe, Zenitdistanz und Azimut des Systemshangen von dem Beobachtungsort und -zeit ab

• Aquatorsystem: die Koordinaten Rektaszension und Deklination sind unabhangigvon Beobachtungsort und -zeit =⇒ eindeutige Zuordnung

– die Lage eines Sternes oder anderen astronomischen Objektes wird beschriebendurch:

– Deklination δ: Abstand vom Himmelsaquator zum Objekt (−90◦ ≤ δ ≤ +90◦)

– Rektaszension RA: Abstand des Stundenkreises durch den Stern und durch denFruhlingspunkt (RA in h : m : s)

1.1.2 Keplerbahnen

Abbildung 3: Keplerbahn eines Planeten um die Sonne

• 1. Keplersches Gesetz: die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen um dieSonne, in deren einem Brennpunkt sich die Sonne befindet

• 2. Keplersches Gesetz: der Radiusvektor eines Planeten uberstreicht in gleichenZeiten gleiche Flachen

• 3. Keplersches Gesetz: die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhaltensich wie die Kuben ihrer großen Halbachsen

• Newtonsches Gravitationsgesetz: Gravitationskonstante G = 6, 673·10−11m3s−2kg−1

F (r) = G ·m1 · m2

r2

1.2 Sonnensystem - Planeten & Sonstiges

• innere Planeten (erdahnlich): Merkur, Venus, Erde und Mars

• außere Planeten (Gasplaneten): Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun

• Asteroidengurtel trennt die inneren und außeren Planeten und besteht aus einerAnsammlung von Asteroiden oder Kleinplaneten (wenige bis 100 km Durchmesser)

• Kleinplaneten oder Zwergplaneten wie Pluto, Eris, Quaoar, Varuna, Sedna, Ixion,Orcus

2

Abbildung 4: Aufbau des Sonnensystems

• Kometen: kleiner Himmelskorper bestehend aus Kern (Staub und Eis), Koma (durchSonnenwind aufgelostes Kernmaterial) und Schweif (durch Sonnenwind abgetriebenensKomamaterial =⇒ zeigt immer von der Sonne weg)

• Meteore, Meteoriten: sind Staubkorner, kleine Metall- oder Gesteinskorner aus deminterplanetaren Raum =⇒ verursachen Leuchterscheinungen in der Erdatmosphare(Sternschnuppen)

“Mein Vater Erklart Mir Jeden Sonntag Unseren Nachthimmel.”

Abbildung 5: Sonnensystem mit Großenverhaltnissen

3

1.3 Elektromagnetische Strahlung & Beobachtung

Abbildung 6: Absorption elektromagnetischer Strahlung in der Atmosphare

• elektromagnetische Strahlung (Photonen) kann man in verschiedene Energiebereicheeinordnen (geringe Energie =⇒ hohe Energie):

– Radiostrahlung =⇒ Radioteleskope (z.B. 100 m Effelsberg, VLA)

– Infrarotstrahlung =⇒ erdgebundene und Weltraumteleskope (UKIRT, IRAS)

– sichtbares Licht (visuell) =⇒ erdgebundene und Weltraumteleskope (VLT, HST)

– ultraviolette Strahlung (UV) =⇒ Weltraumteleskope (HST, SOHO)

– Rontgenstrahlung (X-ray) =⇒ Weltraumt. (ROSAT, Chandra, XMM-Newton)

– Gammastrahlung (γ-ray) =⇒ Weltraumteleskope (INTEGRAL, GLAST)

• die Atmosphare ist fur die Radiostrahlung und fur das sichtbare Licht durchlassig =⇒in diesen Wellenlangenbereichen kann man von der Erde aus beobachten

• in den anderen Wellenlangenbereichen: Infrarot, UV, Rontgen und Gamma sind Beob-achtungen nur mit Weltraumteleskopen (Satelliten) moglich

• Spektroskopie: auf Grund der Wechselwirkung der elektromagnetische Strahlung mitder Materie und den daraus entstehenden Strahlungseigenschaften der untersuchtenObjekte, werden Ruckschlusse auf die Eigenschaften der beobachteten Objekte gezogen(Aufbau, Temperatur, chemische Zusammensetzung, Geschwindigkeit, Masse, Energieetc.)

4

1.4 Sonne

Die Sonne (lat. “Sol”; gr. “Helios”) ist der Stern im Zentrum unseres Planetensystems, dasnach ihr als Sonnensystem bezeichnet wird.

• Durchmesser: 1, 3914 · 106 km (109-facher Erddurchmesser)

• Alter: ca. 4, 57 · 109 a

• Masse: 1, 989 · 1030 kg =⇒

• Strahlungsleistung: 3, 846 · 1026 W

• ist ein Stern der Hauptreihe (HRT)

• Spektralklasse ist G2V =⇒

• die Sonne ist ein durchschnittlicher, gelb leuchtender Stern, der sich in der etwa 10Milliarden Jahre dauernden Hauptphase seiner Entwicklung befindet

5

1.4.1 Aufbau

• die Sonne besteht auf Grund der hohen Temperaturen aus Plasma (Atomkerne undfreies Elektronengas)

• Kern (=⇒ 0, 2 R⊙): T = 15, 6 · 106 K

– im Kern wird 35 % der Sonnenmasse durch Kernfusion in Energie umgewandelt(bisher nur 6 % des Wasserstoffes in den letzten 4, 5 · 109 a fusioniert)

– pro Sekunde werden 564 · 106 t Wasserstoff zu 560 · 106 t Helium fusioniert

– 4 · 106 t Differenz pro Sekunde ergeben eine Gesamtleistung von etwa 3, 7 · 1026W

• Strahlungszone (=⇒ 0, 85 R⊙):

– Energietransport durch Strahlung, d.h. standiges Emittieren, Streuen, Absor-bieren von Photonen

– ein standig absorbiertes und reemittiertes Photon braucht etwa 10.000 bis 170.000Jahre, um die Sonne zu verlassen

– die Strahlungsenergie des Photons ab und seine Wellenlange nimmt zu, die Gam-mastrahlung wird in Rontgenstrahlung umgewandelt

• Konvektionszone (=⇒ 0, 98 R⊙): T = 2 · 106 K

– Energietransport durch Konvektion, d.h. heißes Plasma steigt in Blasen auf, diean der “Oberflache” die Granulation bilden, sich abkuhlen und zurucksinken

• Photosphare (=⇒ R⊙, 200 km): T = 5800 K Entstehung der Kontinuumsstrahlungund der Frauenhoferschen Linien, Sonnenflecken

• Chromossphare (10.000 km): sichtbar bei Mondabdeckung, Temperatur innen 4500 Kaußen 106 K, “flockige” Struktur infolge starker Turbulenzen und Fackeln, Eruptio-nen, Protuberanzen

• Korona: nur sichtbar bei Verdeckung der Sonnenscheibe, extrem geringe Dichte undhohe Temperatur, Korona geht in den Sonnenwind (Protonen, Elektronen und α-Teilchen) uber

6

7

1.4.2 Energieerzeugung - Kernfusion

• die Sterne durchlaufen im Verlauf ihres Lebens verschiedene Stadien der Kernfusion

– das Wasserstoffbrennen dauert fast den gesamten Lebenszyklus der Sterne an

– nach dem Wasserstoffbrennen im Kern beginnt das Heliumbrennen und das Wassser-stoffbrennen verlagert sich in eine außere Schale um den Kern

– die anderen Kernfusionen treten in Abhangigkeit von der Restmasse des Sternsnach dem Heliumbrennen auf

• Wasserstoffbrennen – PP-Zyklus: bei T = 5 − 15 · 106 K

Abbildung 7: PP-Zyklus des Wasserstoffbrennens

1

1H +1

1 H −→2

1H + 0

+1e + ν + 0, 42 MeV

2

1H +1

1 H −→3

2He + γ + 5, 49 MeV

3

2He +3

2 He −→4

2He + 2 1

1H + 12, 58 MeV

• Wasserstoffbrennen – CNO-Zyklus: bei T = 15 − 30 · 106 K

12

6 C +1

1 H −→13

7 N + γ + 1, 95 MeV

13

7 N −→13

6 C + 0

+1e + ν + 1, 19 MeV

13

6 C +1

1 H −→14

7 N + γ + 7, 55 MeV

14

7 N +1

1 H −→15

8 O + γ + 7, 35 MeV

15

8 O −→15

7 N + 0

+1e + ν + 1, 68 MeV

15

7 N +1

1 H −→12

6 C +4

2 He + 4, 96 MeV

8

Abbildung 8: CNO-Zyklus der Wasserstoffbrennens

– das Endprodukt des Wasserstoffbrennens (PP- und CNO-Zyklus) ist Helium

• Heliumbrennen: bei T ∼ 108 K

4

2He +4

2 He −→8

4Be

8

4Be +4

2 He −→12

6 C + γ

12

6 C +4

2 He −→16

8 O + γ

– das Heliumbrennen im Kern tritt nach dem Wasserstoffbrennen in der Entwick-lung zum Roten Riesenstern auf =⇒ es entsteht Kohlenstoff

• Kohlenstoffbrennen: bei T ∼ 5 · 108 − 1 · 109 K

12

6 C +12

6 C −→24

12Mg + γ

12

6 C +12

6 C −→23

12Mg + n

12

6 C +12

6 C −→23

11Na +1

1 H

12

6 C +12

6 C −→20

10Ne +4

2 He

• Sauerstoffbrennen: bei T ∼ 1, 4 · 109 K

16

8 O +16

8 O −→32

16S + γ

16

8 O +16

8 O −→31

16S + n

16

8 O +16

8 O −→31

15P +1

1 H

16

8 O +16

8 O −→28

14Si +4

2 He

9

• Siliziumbrennen: bei T ∼ 2 · 109 K

28

14Si +28

14 Si −→56

26Fe

– Eisen ist das letzte und schwerste Element, welches mittels Kernfusion erzeugtwerden kann =⇒ bei noch schwereren Elementen wurde mehr Energie verbrauchtals freigesetzt

1.4.3 Aktivitat der Sonne

• Magnetfeld:

– die Sonne unterliegt einer diffrentiellen Rotation (Rotationsdauer: am Aquator 25Tage, an den Polen 37 Tage)

– in der Sonne zirkulieren elektrische Strome =⇒

– das Innere der Sonne wirkt wie ein gigantischer Dynamo, der die Bewegungsener-gie eines elektrischen Leiters in elektrische Energie und ein Magnetfeld umwandelt

– es gibt starke lokale Magnetfelder, die durch die Stromung der elektrisch leitendenGase entstehen

– das Magnetfeld kehrt sich alle 22 Jahre um und ist die Ursache fur den 11-Jahreszyklus der Sonne

• Sonnenflecken:

– Sonnenflecken entstehen durch lokale Storungen im solaren Magnetfeld in derNahe des Aquators

– Sonnenflecken treten in bipolaren Gruppen auf, meist dominieren zwei auffalligeFlecken, die eine entgegengesetzte magnetische Ausrichtung aufweisen =⇒ einFleck ist “magnetischer Nordpol”, der andere ein “Sdpol”

– die Haufigkeit der Sonnenflecken schwankt in einem 11-jahrigen Sonnenfleckenzy-klus, wobei sich das globale Magnetfeld umpolt

10

– Lebensdauer der Flecken: wenige Tage bis zu 4 Monaten

• Protuberanzen:

– zwischen den Sonnenflecken bilden sich Magnetfeldlinienschleifen, an denen dasSonnenmaterial mitgerissen werden kann

– das Sonnenmaterial bewegt sich entlang der Feldlinien in einem Bogen zuruck aufdie Sonnenoberflache =⇒ Protuberanz

– Protuberanzen haben eine Lange von einigen hunderttausend Kilometern, 40.000 kmHohe und 5.000 km Dicke

• Flares (Sonneneruptionen):

– Flares sind Strahlungsausbruche, die innerhalb 10 min bis 90 min große Energie-mengen als UV- und Rontgenstrahlung freisetzen

– Flares treten oft in Sonnenfleckengruppen auf und entstehen durch das “Verdrehenund Kurzschliessen” von Magnetfeldlinien zwischen Sonnenflecken

– die Flares fuhren auf der Erde zu intensiven Polarlichtern, Storungen des Erdma-gnetfeldes (magnetischen Sturmen), Storung im Datenverkehr zu Satelliten undder Radiowellen

11

1.5 Sternentwicklung

1.5.1 Sternentstehung

• ein großer Anteil der Sterne ist im Fruhstadium (vor uber 10 Milliarden Jahren) desUniversums entstanden

• eine Gaswolke, die uberwiegend aus Wasserstoff besteht, kollabiert aufgrund ihrer Ei-gengravitation

• durch die weitere Verdichtung der Gaswolke entstehen einzelne Globulen (raumlich engbegrenzte Staub- und Gaswolken), aus denen spater die Sterne entstehen

• bei der weiteren Kontraktion der Globulen steigt die Dichte und die Temperatur weiteran, bis das Wasserstoffbrennen einsetzt

• die Kontraktion dauert insgesamt 10 − 15 · 106 Jahre

12

• massereiche Sterne (8 Sonnenmassen =⇒ heiße Sterne) entstehen seltener als masse-arme Sterne und kontrahieren schnell

• Sterne mit 0, 07 Sonnenmassen (75 Jupitermassen) erreichen nicht die notige Tempe-ratur, um eine Kernfusion zu zunden

• aus einer Globule bildet sich ein einzelner Stern oder ein Doppel- bzw. Mehrfachstern-system

• aus der Restmaterie, der Akkretionsscheibe, kann ein Planetensystem entstehen

• in großen Sternentstehungsgebieten mit sehr viel Gas und Staub entsteht eine großeAnzahl von Sternen =⇒ Sternhaufen

1.5.2 Entwicklung im Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD)

• die weitere Entwicklung der Sterne ist durch die Masse bestimmt

– je großer die Masse eines Sternes ist, umso kurzer ist seine Brenndauer/Lebenszeit

– massereiche Sterne verbrauchen ihr Brennmaterial in nur wenigen hunderttausendJahren, die Strahlungsleistung ubertrifft dabei die der Sonne um das 100.000fache

– das Universum ist etwa 14 Milliarden Jahre alt, die massearmsten Sternen habendie Hauptreihe noch nicht verlassen!

• die Sterne durchlaufen im Laufe ihres Lebens verschiedene Stationen des Hertzsprung-Russell-Diagramms HRD (Farben-Helligkeits-Diagramm)

• Sterne verbringen nach ihrer Entstehung den großten Teil ihrer (Wasserstoff-) Brenn-dauer (uber 90% ihrer Lebenszeit) auf der Hauptreihe des HRD – die Sonne befindetsich im Zentrum der Hauptreihe

13

• am Ende des Wasserstoffbrennens verlassen die Sterne die Hauptreihe und entwickelnsich zu einem Roten Riesen und fusionieren dabei die schwereren Elemente (durchSchalenbrennen)

• nach dem das restliche Brennmaterial verbraucht ist, kollabiert der Stern in Abhangig-keit von seiner Restmasse zu einem Endstadium =⇒ Weißer Zwerg, Neutronen-stern, Schwarzes Loch und wirft seine außere Hulle als Planetarischen Nebel ab

1.5.3 Endstadien der Sterne

• Sternentwicklung nach dem Wasserstoffbrennen:

– nach dem “langen” Wasserstoffbrennen setzt im Kern das Heliumbrennen ein unddas Wasserstoffbrennen verlagert sich in eine außere Schale

– der Stern entwickelt sich uber das Helium- und dem spateren Kohlenstoffbrennenzu einem Roten Riesenstern

– am Ende des Entwicklungsstadiums eines Roten Riesensterns stoßt dieser seineaußere Hulle ab (Novae und Supernovae), der verbleibende Reststern kollabiertentsprechend seiner Restmasse m zu einem kompakten Objekt =⇒

• Endstadien der Sterne:

14

Abbildung 9: Sternentwicklung in Abhangigkeit von der Masse eines Sterns

– Weißer Zwerg (m < 1, 44 M⊙): =⇒ Radien r < 103 km, Dichte ρ ∼ 105−107 g

cm3

– Neutronenstern (1, 44 M⊙ < m < 3 M⊙): =⇒ Radien r ∼ 10 km, Dichte ρ ∼

1011 − 1015 g

cm3

– Schwarzes Loch (m > 3 M⊙): =⇒ Radien r ∼ 2, 5 km, Dichte ρ > 1016 g

cm3

• Entwicklung der Sonne zu einem Weißen Zwerg

– die Sonne besteht z.Z. aus 70% Wasserstoff und 28% Helium

– in einer Sekunde verschmelzen 567, 0 ·106 t Wasserstoff zu 562, 8 ·106 t Helium =⇒Massendefekt pro Sekunde ∆m = 4, 2 · 106 t =⇒ E = 3, 8 · 1026 J

– die Sonne wird sich entsprechend ihrer Restmasse uber einen Roten Riesensternzu einem Weißen Zwerg entwickeln und dann nach einer Abkuhlphase als Braunerbzw. Schwarzer Zwerg enden

Abbildung 10: Entwicklung der Sonne zu einem Weißen Zwerg

15

1.6 Galaxis

1.6.1 Aufbau

• allgemein:

– die Galaxis gehort zu den Spiralgalaxien: Balkenspiralgalaxie SBc

– in der Galaxis befinden sich ca. 100− 300 · 109 Sterne (ca. 6000 mit bloßem Augesichtbar) und interstellare Materie (Gas, Molelulwolken & Staub)

– astronomische Entfernungen werden in Parsec pc oder Lichtjahren ly (Weg-strecke, die das Licht in einem Jahr zurucklegt – c ∼ 3 · 108 ms−1 = 3 · 103 kms−1)angegeben 1 pc = 3, 08 · 1016 m = 3, 26 ly

– Scheibendurchmesser: 100.000 ly Lichtjahre (30 kpc), Scheibendicke: 3.000 ly Licht-jahre (920 pc), Bulge-Durchmesser: 16.000 ly Lichtjahre (5 kpc), Halo-Durchmesser:165.000 ly Lichtjahre (50 kpc)

– Gesamtmasse: 1, 9 · 1012 M⊙ und Alter: ca. 13, 6 · 109 ± 800 · 106 a

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Abbildung 11: die galaktische Scheibe (“Milchstraße”) in verschiedenen Wellenlangenberei-chen der elektromagn. Strahlung beobachtet – jeder Energiebereich zeigt andere Details =⇒Kombination ergibt tiefgehende Erkenntnisse der Struktur der Galaxis

• galaktische Scheibe:

– die galaktische Scheibe besteht aus Spiralarmen, 2 Hauptarmen (Perseus & Scutum-Crux) und 2 Nebenarmen (Sagittarius & Norma)

– ein großer Teil der Sterne ist gleichmaßig auf die galaktische Scheibe verteilt

– die Spiralarme sind keine starre Struktur, sondern unterliegen standigen Verande-rungen (gravitative Storungen)

– in den Spiralarmen befinden sich große Mengen Wasserstoff =⇒ z.B. HII-Regionen(Sternentstehungsgebiete) =⇒

– Protosterne und Sterne der Populations I – junge, metallreiche Sterne – diegleichmaßig auf die galaktische Scheibe verteilt sind

– die Sonne befindet sich im Orionarm (lokaler Arm) zwischen den SpiralarmenSagittarius und Perseus

– die galaktische Scheibe ist nicht ganzlich gerade (nach unten gebogen) ⇐= gravi-tative Wechselwirkung mit den Maggellanschen Wolken

• Bulge:

– im Bulge (zentrale Verdickung der Scheibe) befinden sich gegenuber der Scheibealtere Sterne bis zu 10 · 109 a, die im Vergleich zur Population I metallarm sind

• Halo:

– Sterne der Populations II – alte, metallarme Sterne – die einzeln, oder gebun-den in Kugelsternhaufen vorkommen und kugelsymmetrisch um das galaktischeZentrum verteilt sind

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– wenig Gas sehr geringer Dichte und weitgehend staubfrei

– 1 · 1012 M⊙ Dunkle Materie (DM)!

– keine “gemeinsamen” Rotation um das galaktische Zentrum, jeder Einzelstern /Kugelsternhaufen unterliegt einer eigenen Rotation um das galaktische Zentrum

Abbildung 12: links oben: Infrarot-, links unten: Optisch-, rechts oben: Rontgen-, rechtsunten: Gamma-Aufnahme des Himmels

1.6.2 Galaktisches Zentrum

• galaktische Zentrum liegt zur Zeit im Sternbild “Schutze”

• das galaktische Zentrum kann im optischen Spektralbereich nicht beobachtet werden(verdeckt von Gas- und Staubwolken)

• Beobachtungen im Radio-, Infrarot-, Rontgen- und Gamma-Bereich

• im galaktischen Zentrum befindet sich eine starke Radio- und Rontgenquelle SagittariusA* (Sgr A*), die auf kleines Gebiet begrenzt ist

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• innerhalb dieser Region konzentriert sich eine Masse von ca. 3, 7 · 106 M⊙ =⇒ super-massives Schwarzes Loch

• das Schwarze Loch wird von einer Gruppe von Sternen in einem Radius von weniger alseinem halben Lichtjahr mit einer Umlaufzeit von etwa 100 Jahren und einem SchwarzenLoch mit 1, 3 · 103 M⊙ und der Entfernung von 3 ly umkreist

• der dem zentralen Schwarzen Loch am nachsten liegende Stern hat eine Umlaufdauervon 15, 2 a Jahren in einer Entfernung von 17 Lichtstunden

• um das zentrale Schwarze Loch werden weitere kleine Schwarze Locher vermutet, diedas supermassives Schwarzes Loch umkreisen

• die Sonne hat einen Abstand von ∼ 10 kpc und eine Umlaufdauer von 2, 5 · 108a umdas galaktisch Zentrum, die Umlaufgeschwindigkeit betragt 220 kms−1

1.6.3 Rotationskurve und Dunkle Materie

• eine Rotationskurve beschreibt den Zusammenhang zwischen Rotationsgeschwindigkeitund Abstand vom Galaxiezentrum

• die Messung der Geschwindigkeiten ergibt die Rotationskurve der Galaxis

• die Galaxis und andere Galaxien rotieren nicht wie ein starrer Korper (Ursprungsge-rade) oder ein Kepler-System (nach außen abfallende Kurve)

• die Rotationskurve fallt nicht ab, sondern bleibt bei großeren Abstanden konstant =⇒es muss weit mehr Materie in der Galaxis/Galaxien vorhanden sein, als sichtbar ist=⇒ die fehlende nicht sichtbare Materie wird als Dunkle Materie (DM) bezeichnet:

• mogliche Dunkle Materie:

– Baryonische Dunkle Materie: kaltes Gas, kalte Staubwolken, MACHOs (MassiveAstrophysical Compact Halo Objects) z.B. Braune Zwerge

– Heiße Dunkle Materie (HDM): Neutrinos

– Kalte Dunkle Materie (CDM): unbeobachtete Elementarteilchen, WIMPs (Weak-ly Interacting Massive Particles, dt. schwach wechselwirkende massive Teilchen)z.B. LSP (Lightest-supersymmetric-particle)

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1.6.4 Interstellare Materie

• als interstellare Materie (ISM) bezeichnet man die Materie zwischen den Sterneneiner Galaxie – zum interstellaren Medium gehort neben der ISM auch die elektroma-gnetische Strahlung und das galaktische Magnetfeld

• analog, als intergalaktische Materie/Medium (IGM) bezeichnet man die Materiezwischen den Galaxien/Galaxienhaufen

• die interstellare Materie setzt sich aus Molekulwolken, neutralem und ionisiertem Gas(90% Wasserstoff, 9% Helium) und Staub (1%) zusammen und hat ihren Ursprung imUrknall, den Sternwinden und den Supernovae-Explosionen

• Gas:

– Molekulwolken: =⇒ T = 20 − 50 K; neutrale Wasserstoffmolekule

– HI-Wolken: =⇒ T = 50 − 100 K; neutrale Wasserstoffatome

– warmes ionis. Medium (WIM): =⇒ T = 103 − 104 K; teilweise ionisiertes Plasma

– HII-Wolken: =⇒ T = 104 K; fast vollstandig ionisiertes Plasma

– koronales Gas: =⇒ T = 105 − 106 K; vollstandig ionisiertes Plasma

• Staub:

– Sternenstaub besteht aus Kristallen, amorphen Festkorpern und Molekulketten –die Partikelgroßen betragen 5 nm − 10 µm

– chemische Verbindungen sind Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Neon,Silizium, Eisen und Magnesium

– Sternenstaub bildet sich vorwiegend unter hoher Gasdichte und niedriger Tempe-ratur

– dichte Ansammlungen von Staub nennt man Dunkelwolken

– der Staub bewirkt die Extinktion, Verfarbung, Polarisation oder Reflexion vonSternlicht

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• die interstellare Materie ist ungleichmaßig verteilt =⇒ es gibt dichte interstellare Wol-ken und dunne Blasen/Superblasen =⇒ Dichte 10−4 Atome/cm3 bis 105 Atome/cm3

1.6.5 Galaktische Nachbarn

• zur Lokalen Gruppe werden gravitativ gebundene Galaxien im Umkreis von 5−7·106 lygezahlt

• 95% Prozent der sichtbaren Masse befindet sich in der Galaxis und in der Androme-dagalaxie (M31, 1, 2 · 1012 M⊙)

• die Andromedagalaxie ist eine der wenigen Galaxien im Universum, deren Spektrumeine Blauverschiebung aufweist =⇒ die Andromedagalaxie und unsere Galaxis bewegensich mit einer Geschwindigkeit von 120 km/s aufeinander zu

• in ca. 3 · 109 a werden die beiden Galaxien zusammenstoßen und zu einer großerenmassereichen elliptischen Galaxie verschmelzen

• die Mitglieder der Lokalen Gruppe bilden annahernd einen ellipsoiden Haufen

• die Lokale Gruppe ist Bestandteil des Virgo-Superhaufens und bewegt sich auf denViro-Haufen zu

• der lokale Virgo-Superhaufen strebt mit anderen Großstrukturen dem Großen Attrak-tor entgegen

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1.7 Extragalaktische Systeme

• die extragalaktische Astronomie befasst sich mit Objekten (Galaxien, Galaxienhaufen,Superhaufen, IGM etc.) außerhalb unserer Galaxis

• 1923 gilt als Geburtsstunde der extragalaktischen Astronomie, Edwin Hubble bestimm-te die Entfernung zur Andromeda-Galaxie, die auf Grund der Entfernung nicht zuunserer Galaxie gehoren kann/konnte

• mit heutiger Technik konnten theoretisch von (außerhalb) der Erde aus, ca. 50 · 109

Galaxien beobachtet werden

• das tiefste Bild des Universums (optischer Spektralbereich) ist das Hubble Ultra De-ep Field (HUDF), eine kleine Himmelsregion vom Hubble-Weltraumteleskop (2004)aufgenommen – enthalt 10.000 Galaxien (Belichtungszeit: 1 · 106 s oder 11, 3 Tage)

1.7.1 Entstehung der Galaxien

• die 3K-Hintergrundstrahlung gibt die Materieverteilung des Universums 380.000 Jahrenach dem Urknall wieder – das Universum war noch sehr homogen, aber:

• es gab kleine Dichtefluktuationen (Dichteschwankungen)

• unter dem Einfluss der Dunklen Materie wachsen die Dichtefluktuationen an, bis siezu dunklen Halos kollabieren

• das Gas folgt der Verteilung der dunklen Materie und fallt in diese Halos und verdichtetsich =⇒ Bildung der Sterne =⇒ Bildung von massearmen Proto-Galaxien

• aus den ersten Gaswolken entwickeln sich durch Rotation die Spiralgalaxien =⇒ durchdie Kollision von Spiralgalaxien entstehen die Elliptische Galaxien

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• die Galaxien entwickeln und verandern sich durch das Verschmelzen mit anderen Ga-laxien (Galaxis - Andromeda, Kleine & Große Magellansche Wolke)

• Fazit: Galaxien entstehen aus riesigen Gaswolken (Wasserstoff), deren Zentren zu su-permassiven schwarzen Lochern kollabieren, diese wiederum heizen das umliegende Gasso weit auf, dass sich durch Verdichtung Sterne und letztendlich Planeten bilden

1.7.2 Klassifikation der Galaxien

• Galaxien werden nach ihrer Morphologie (Form) in verschiedene Haupt- und Unter-gruppen eingeteilt (Hubble-Sequenz):

– Elliptische Galaxien: keine besonderen Unterstrukturen, beinhalten nahezukein Gas =⇒ kaum/keine Sternentstehung =⇒ alte (rote) Sterne, Klassen derExzentrizitat E0 (kreisformig) bis E7 (stark elliptisch), große und helle Galaxien(gleichmaßiger Helligkeitsabfall von innen nach außen), haufig in großen Gala-xienhaufen existent

– Spiralgalaxien: haben einen spharoidischen Kern (Bulge) und davon ausgehen-de Spiralarme (Scheibe), Sternentstehung in den Spiralarmen der Scheibe durchvorhandenes Gas und Staub, Spiralarme der Klassen Sa, Sb und Sc

– Balkenspiralgalaxien: haben vom Zentrum ausgehend einen langen Balken anden sich dann die Spiralarme anschließen, Spiralarme der Klassen SBa, SBb undSBc

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– Irregulare (unregelmaßige) Galaxien: haben weder Spiralarme noch ellipti-sche Form, sind im Mittel kleiner und leuchtschwacher als elliptische und Spiral-galaxien, oft Zwerggalaxien

– Zwerggalaxien: geringe Helligkeit, zahlreicher als Elliptische und Spiralgalaxien,Formen: elliptische (dE), spheroidale (dSph) und irregulare (dIrr) Zwerggalaxien

1.7.3 Wechselwirkende Galaxien

• wechselwirkende Galaxien sind Galaxien, die sich gegenseitig gravitativ beeinflussen

• im fruhen Universum verschmolzen Galaxien (Zwerggalaxien) relativ oft miteinander,heute befinden 1 − 2 von 100 Galaxien im direkten Verschmelzungsprozess

• wenn Galaxien aufeinander treffen, konnen Gaswolken innerhalb der Galaxie instabilwerden und kollabieren =⇒ Sternenstehung!

• Kollisionsphasen

– Annaherungsphase (Pre-Collision)

– Einschlag (Impact)

– Selbstgravitation (Gravitational Response) und Pause

– Verschmelzungsphase (Merging)

– Beruhigungsphase (Relaxation)

• Verschmelzungen von Galaxien dauern mehrere hundert Millionen Jahre bis 1,5 Milli-arden Jahre, die Beruhigungsprozesse dauern noch wesentlich langer

1.7.4 Aktive Galaxien & Schwarze Locher (work in process)

1.7.5 Galaxiehaufen und Superhaufen (work in process)

• großraumige Strukturen - Voids, Haufen, Superhaufen etc.

• Dunkle Materie

• Gravitationslinseneffekt, Einstein-Ring, Mehrfachbilder, QSO

24

1.8 Kosmologie

1.8.1 Urknall, zeitl. Entwicklung des Universums & Elemententstehung

• der Urknall selbst kann physikalisch nicht beschrieben werden (Singularitat)

• mit dem Urknall begann die Existenz der Materie und der Raumzeit

• seit dem Urknall befindet sich das Universum in einem Stadium der Expansion, diebis heute andauert

• die Urknalltheorie erklart:

– Expansion des Universums und Rotverschiebung der Galaxien

– 3 K-Hintergrundstrahlung

– Altersgrenze der Sterne bei ca. 13 · 109 a

– Haufigkeitsverteilung der Elemente im Universum (Wasserstoff, Helium)

• die Entwicklung des Universums wird durch die Einstein’schen Feldgleichungen derallgemeinen Relativitatstheorie (bzw. Friedmann-Gleichungen) beschrieben

• der Urknall ist eine Singularitat der Losung der Friedmann-Gleichungen (werden vom

heutigen Zustand in der Zeit zuruck gerechnet)

• die Entwicklungsphasen (Aren) des Universums werden durch den zeitl. Verlauf dessenmittlerer Temperatur charakterisiert:

• Planck-Ara: vor der Planck-Zeit t ≤ 5, 4 · 10−44 s, Temperatur T ∼ 1032 K, Dichte ∼ 1094 g/cm3, Ausdehnung l ≤ 1, 6 · 10−35 m (Plank-L”ange)

Abbildung 13: Entwicklung der physikalischen Kraften und deren Vereinigung/Abspaltungzur/von GUT-Kraft

– alle vier bekannten Grundkrafte: Gravitation, starke Wechselwirkung, schwa-che Wechselwirkung, elektromagnetische Wechselwirkung waren in einerUrkraft vereinigt

– fur die Beschreibung der Planck-Ara ware eine Theorie der Quantengravitationnotwendig

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– am Ende der Planck-Ara (mit Beginn der Expansion) spaltete sich die Gravitationals eigenstandige Kraft ab =⇒ die restlichen 3 Krafte bilden die GUT-Kraft(Grand Unified Theory)

– am Ende ein kleiner Uberschuß von Materie gegenuber der Antimaterie

• Inflation: t ∼ 10−36 s, T ∼ 1027 K

– starke Wechselwirkung spaltet sich ab ⇐⇒ elektroschwache Wechselwirkung

– die bei der verzogerten Abspaltung (ahnl. Kristallisieren von Wasser zu Eis) freigewordene Energie fuhrt zu einer explosionsartigen Ausdehnung (Inflation) derRaumzeit =⇒ zwischen t ∼ 10−35 s − 10−33 s um den Faktor 1050

– die Inflation erklart:

∗ Homogenitat des Universums

∗ großraumige Strukturen (Galaxien, Galaxienhaufen)

∗ geringe Krummung des Raumes

∗ Fehlen der magn. Monopole

• Quark-Ara: t ∼ 10−33 s, T ∼ 1025 K

– Bildung von Quarks und Anti-Quarks =⇒ Quark-Gluonen-Plasma

– instabile schwere X-Bosonen sterben aus

• vier Grundkrafte : t ∼ 10−12 s, T ∼ 1016 K

– die elektroschwache Wechselwirkung spalte sich in schwache und die elektroma-gnetische Kraft auf =⇒ Zerfall der Urkraft abgeschlossen

• Hadronen-Ara: t ∼ 10−6 s, T ∼ 1013 K

– Quarks vereinigten sich zu Hadronen, wobei schwere Hadronen wieder zerfallenund Protonen, Neutronen und deren Antiteilchen ubrig bleiben

– Entstehung von Neutrinos bei der Umwandlung von Protonen ⇐⇒ Neutronen

• Leptonen-Ara: t ∼ 10−4 s, T ∼ 1012 K

– die meisten Protonen und Neutronen waren durch Stoße mit ihren Antiteilchenvernichtet, bis auf ein Uberschuß von einem Milliardstel =⇒ Objekte im Univer-sum bestehen aus Materie und nicht aus Antimaterie

– auf Grund des Massenunterschieds (p, n) entsteht ein Protonen/Neutronen-Verhalt-nis von 6/1 =⇒ hoher Heliumanteil im Universum

– “geringe” Temperatur genugte nur noch fur die Bildung von Leptonen-Paaren:Elektron/Positron

– Dichte sank auf ∼ 1013 g/cm3 =⇒ weshalb Neutrinos entkoppelten (nicht mehrim thermischen Gleichgewicht)

– bei t ∼ 1 s und T ∼ 1010 K vernichten sich Elektronen und Positronen bis aufein Uberschuß von einem Milliardstel Elektronen =⇒ Ende der Bildung derMateriebausteine des heutigen Universums

• Nukleosynthese-Ara: t ∼ 10 s, T ≤ 109 K

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– Vereinigung von Protonen und Neutronen durch Kernfusion zu ersten Atomkernen(primordiale Nukleosynthese) =⇒

– es entstehen 25% Helium-4, sehr kleiner Anteil Helium-3, 0, 001% Deuterium,Lithium und Berylium =⇒ die restlichen 75% sind Protonen, die spateren Was-serstoffkerne

– bei t ∼ 5 min hatte die Dichte der Materie soweit abgenommen, dass die primor-diale Nukleosynthese beendet war

– schwere Elemente entstehen durch Kernfusion in Sternen

– die ubriggebliebenen freien Neutronen zerfielen in Minuten zu Protonen und Elek-tronen (n −→ p+ + e−)

– Materie liegt als Plasma (wegen hoher T ) aus freien Atomkernen, Protonen undElektronen vor =⇒ Temperaturstrahlung im Rontgenbereich

• Ubergang Strahlungs-/Materie-Ara: t ∼ 104 a

– bisher war die elektromagnetische Strahlung der Hauptanteil der Energiedichteim Universum

– nach t ∼ 10.000 y fallt die Energiedichte der Strahlung unter die der Materie,welche nun die Dynamik des Universums bestimmt =⇒ materiedominierte Ara

• Entkopplung der Hintergrundstrahlung: t ∼ 4 · 105 s, T ∼ 3 · 103 K

–

• Bildung großraumiger Strukturen: t ∼ 1 · 106 s

• heutiger Kenntnisstand

– Alter:

– Hubble-Konstante:

– Materiezusammensetzung:

– Hintergrundstrahlung: T = 2, 73 K

– Rotverschiebung

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Abbildung 14: Urknall, Inflation, Entwicklung der Strahlung und Materie im Universum bisheute (Billion ⇐⇒ Milliarde)

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