Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

132 KAPITEL 2. GRAVITATION
Licht oder Radiowellen) parallel oder senkrecht zum Sehstrahl. Und zwar entweder die Dopplerverschiebung
von Spektrallinien bzw. die Pulsankunftszeiten von Signalen (Radiopulsen) oder (bei nahen
Doppelsternen und Planetensystemen) die Parallaxe.
Die Spektroskopie und damit die Chemie der Sterne geht zwar auf Fraunhofer bzw. Kirchhoff und
Bunsen zurück, verstanden werden konnte sie jedoch nur mit der Quantenmechanik, also ebenfalls erst
zu Beginn dieses Jahrhunderts.
Wie wir später zeigen wollen, werden Sterne in dichten Wolken geboren, welche aus Material bestehen,
welches selbst wieder in Sternen gekocht wurde. Wie wir aus Beobachtungen von solchen
Molekülwolken wissen, ist das Hauptausgangsmaterial heute Wasserstoff, H, und Helium, He, mit einer
Beimischung von schwereren Elementen wie C, N, O mit etwa 10 −3 Massenanteil und mit bis zu
1% Staub. Die numerische kosmische Häufigkeit von Fe und Si beträgt etwa 3·10 −5 , was einer Massenhäufigkeit
von ebenfalls etwa 1:1000 entspricht. Obwohl sie nur als Spurenelemente vorkommen,
sind die Metalle für das Aussehen und Kühlen der Sterne wesentlich. Bei Molekülwolken übernimmt
Staub diese Rolle.
Zum Nachweis des Vorhandenseins bestimmter chemischer Elemente benötigt man das Spektrum der
Elemente, welches für jedes Element so charakteristisch ist, wie der Fingerabdruck oder der genetische
Code beim Menschen. Dabei kann man aus dem Dopplereffekt an einer einzelnen Linie auf die
Geschwindigkeit der Wolke oder des Sterns schließen; für den Quotienten zweier Linien kürzt dieser
sich jedoch heraus: so kann man zeigen, daß im gesamten Universum die gleichen Atome und
Moleküle vorhanden sind und es keine anderen gibt.
Die Linienintensitäten schließlich geben Auskunft über die kosmische Häufigkeit und die Anregungsbedingungen.
Zur quantitativen Bestimmung der Häufigkeiten, welche aus der Linienstärke resultiert,
muß man neben den Anregungsbedingungen des Mediums, also atomare Wirkungsquerschnitte, Dichte
und Temperatur, auch den Strahlungstransport verstehen (Quantenmechanik). Dazu ist bei Atomen
und Molekülen die Saha Gleichung die wesentliche Grundlage.
Damit erst kann man dann auch die Linienform zur Interpretation der physikalischen Bedingungen heranziehen.
Man findet in Sternatmosphären, Wolken, Nebeln und Supernova - Überresten Bedingungen,
wie sie im Labor nicht zu realisieren sind. In der Sprache der Astronomen entdeckt man ’verbotene Linien’,
also Linien, die im Labor nicht vorkommen, da die Physik dort meist stossdominiert ist. Man
findet auch Elemente, die im Labor nur schwer oder gar nicht herzustellen sind, etwa Radikale wie H −
in der Sonnenatmosphäre.
Bei noch extremeren Situationen, wie sie bei akkretierenden Röntgensternen oder bei Radio Pulsaren
vorliegen, ist die Physik noch weitgehend unverstanden. Dies gilt auch für die kosmischen Maser. So
ist es z. B. bis heute noch nicht gelungen, eine Linie vorherzusagen, die anschließend auch beobachtet
wurde.
2.2 Mechanik und Newtonsche Gravitationstheorie
• DEFINITION (ZUM NACHSCHLAGEN)
Wir definieren zum Nachschlagen für diese Kapitel folgende Größen.
α, Kopplungskonstante, α = GmM = Gm1m2, (Newton)
oder α = Z1Z2e 2 (Coulomb)
T , kinetische Energie T = (m/2)�v 2 ,
U, Gravitationsenergie U(r) = −α/r,
oder elektrische Wechselwirkungsenergie U(r) = Z1Z2e 2 (Coulomb)
M, Gesamtmasse M = m1 + m2 und
m, reduzierte Masse m = m1m2/M,
r, Abstandsvektor, gerichtet von 1 nach 2, �r = �x2 − �x1,
v, Relativgeschwindigkeit �v = d�r/dt
R, Schwerpunktsvektor � R := (m1�x1 + m2�x2)/M,