Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

8 KAPITEL 1. GEOMETRIE
(sich aber bereits durch einen Infrarot Exzess bemerkbar machen) und seit kurzem die sog. Braunen
Zwerge.
Grundlage zum Studium dieser Objekte ist ihre Kontinuumstrahlung. In gröbster Näherung entspricht
diese der des schwarzen Körpers (Plancksches Strahlungsgesetz) mit der Sonne als Paradigma. Diese
Strahlung heißt thermisch. Sie ist inkohärent und rührt meist aus der Translations - Energie der Atome
bzw. Moleküle her; Sender sind die bei Stößen beschleunigten Elektronen. Einen Sonderfall bildet der
Staub, der wie ein Festkörper erhitzt wird und thermisch strahlt.
Beide, Wolken und Sterne, kann man allerdings wesentlich detaillierter durch ihre Linienstrahlung
untersuchen. Dazu benötigt man die Atom- und Molekülphysik, also die Quantenmechanik (nichtrelativistisch
und – etwa bei der Feinstruktur und der 21 cm Linie – relativistisch erweitert).
Die verschiedenen Dimensionen von Energie E (erg), Temperatur T (Kelvin) und Frequenz ν (Hertz)
bzw. Wellenlänge λ (cm) werden wie folgt ineinander umgerechnet
E = kT = hν = h c
λ
(1.19)
Wieder mit dimensionslosen Parametern und den Grundeinheiten geschrieben, hat man es für Atome
und Moleküle mit den folgenden physikalischen Prozessen zu tun:
1. elektronische Anregung (Grundeinheit); Bereich: optisch bis UV oder Röntgen
Eel ≈ 1
2 Z2 α 2 mec 2
Für Z = 1 (Wasserstoff) ist die übliche Einheit Eel = 13.6 eV.
2. Vibration; Bereich: IR bis optisch
Evib ≈
� me
Amp
Eelekt
3. Feinstruktur; Bereich: IR bis optisch
Efs ≈ α Eelekt
4. Rotation; Bereich: Radio und sub – mm Bereich
Erot = ¯h2
2I
me
≈ Eel
Amp
5. Hyper - Feinstruktur; Bereich: Radio und sub – mm Bereich
Ehfs ≈ me
α
mp
2 Eel
Damit kann man das kalte und das warme Universum hervorragend untersuchen.
• ANMERKUNG (QUANTENMECHANISCHE GRUNDLAGEN)
Alle Felder (und Teilchen als Felder aufgefasst) haben einen diskreten, inneren Freiheitsgrad, Spin genannt. Fermionen
(Quarks und Leptonen) haben halbzahligen Spin, Bosonen (Gluonen, Photon und Weakonen) haben ganzzahligen Spin.
Die Natur scheint mit Spin 1/2¯h für Fermionen und Spin 1¯h für Bosonen auszukommen. Die Gravitation bildet (mit Spin
2¯h) die einzige Ausnahme, ist aber bisher unquantisiert.
Die natürliche Einheit des Bahn-Drehimpulses J ist für Bosonen und für Fermionen ist
J = n¯h mit n = 0, 1, 2, . . .
Der Bahndrehimpuls kann klassisch verstanden werden und darf verschwinden.
Für Photonen ist auch der Spin S ganzzahlig: S = ¯h. Jedes Photon, welches in einem Strahlungsprozeß erzeugt wird, hat
mindestens den (diskreten) Drehimpuls S = 1 × ¯h plus eventuell einen Bahndrehimpuls. Der Spin kann klassisch nicht
verstanden werden.