Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

1.1. DIE KOSMISCHEN HIERARCHIEN 7
Zur Beschreibung des Universums als ganzes (Kosmologie) benötigt man die Einsteinsche Allgemeine
Relativitätstheorie (ART), die Newtonsche Gravitationstheorie ist dazu nicht ausreichend. Damit
sind wir aber vor ein ganz neues, in der sonstigen Physik unbekanntes Problem gestellt: wir müssen
die Raumzeit, in der wir leben, erst bestimmen, und das zunächst aus lokalen Messungen. Daß dies
überhaupt möglich ist, liegt daran, daß wir (jedenfalls heute) in einen Kosmos mit hoher Ordnung und
Symmetrie leben.
Für alle anderen Objekte, Galaxien, Sterne usw. kann man einen dimensionslosen Parameter σg definieren,
der besagt, wie stark die Newtonsche Gravitationstheorie von der ART abweicht,
σg = Rs
R
= 2GM
c 2 R
(1.16) Rs = 2GM
c 2
(1.17)
wobei M die gravitierende Masse, R ein Radius oder eine typische Entfernung und c die Lichtgeschwindigkeit
ist. Die Größe Rs heißt Schwarzschild - Radius. Im Limes σg → 0 geht die ART in die
Newtonsche Gravitationstheorie über.
Der Zweig der Astrophysik, der sich mit den Phänomenen beschäftigt, die für nicht verschwindendes
σg auftreten, heißt relativistische Astrophysik. Hierzu gehören neben der Kosmologie und den klassischen
Tests (der ART) im Sonnensystem noch weiße Zwerge, Neutronensterne und schwarze Löcher.
Ein Geschenk des Himmels im wahrsten Sinne des Wortes ist hier der Hulse - Taylor Binär - Pulsar.
Es handelt sich dabei um ein Doppelsternsystem (mit der Bezeichnung PSR 1913+16), welches aus
zwei sich umkreisenden Neutronensternen besteht und welches so eng ist, daß es in der Sonne Platz
hat. An ihm können die wichtigsten Phänomene der ART direkt nachgewiesen werden, indirekt sogar
die bereits von Einstein vorhergesagte Emission von Gravitationswellen.
Für massive Teilchen kann man einen zweiten, dimensionslosen, (speziell) relativistischen Parameter
wie folgt definieren
γ = E
=
mc2 1
√ 1 − β 2
(1.18)
wobei jetzt β = v die Geschwindigkeit in Einheiten der Lichtgeschwindigkeit c, E die (Gesamt)
c
Energie eines Teilchens und m seine (Ruh) Masse ist. Teilchen mit Rumasse Null (z. B. Photonen)
sind immer relativistisch.
Das Hauptgebiet der relativistischen Astrophysik macht jedoch das Studium von Prozessen aus, an
denen Elementarteilchen mit γ ≫ 1 beteiligt sind. Hierher gehört die kosmische Strahlung (mit γ
bis zu ≈ 1015 ), Paarerzeugung und Vernichtung (im Zentrum der Galaxis) und die γ - Strahlung der
sog. Gamma Burster, aber auch die kohärente Radio - Strahlung der Pulsare. Erzeugt werden solche
Teilchenenergien in starken (oder grossräumigen) elektromagnetischen Feldern (nicht etwa in starken
Gravitationsfeldern).
Der überwiegende Teil des Kosmos – Galaxien, Sterne und Gaswolken – kann durch Newtonsche
Gravitationstheorie ausreichend genau beschrieben werden. Für die (mikroskopische) Behandlung der
Materie selbst reicht die Schrödinger Gleichung.
Die meisten Objekte des Universums werden durch ihre elektromagnetisch Strahlung nachgewiesen,
wozu die Maxwellsche Elektrodynamik zusammen mit der Thermodynamik die Grundlage liefern.
Das Universum selbst ist heute extrem kalt – 2.73◦ Kelvin – und liefert mit seiner Hintergrundstrahlung
eine untere Grenze für die Temperatur seiner Objekte. Zum kalten Universum gehören ferner die
Molekülwolken mit Temperaturen von 10 bis 300 ◦K. Wesentlich heißer – und damit für das menschliche Auge sichtbar – sind die (nichtentarteten) Sterne,
bei denen die (gemessenen) Temperaturen an ihrer Oberfläche von etwa 3000 bis 50000 ◦K reichen. In
der Temperatur zwischen Wolke und Stern gelegen, gibt es noch die Protosterne, Sterne bei denen das
Wasserstoffbrennen noch nicht gezündet hat, die von der schützenden Wolke noch verdeckt werden