Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

1.1. DIE KOSMISCHEN HIERARCHIEN 9
Der Spins S des Elektrons ist
S = 1
2 ¯h
Deutet man den Spin klassisch, dann bedeutet dies, daß ein Elektron oder Photon stets drehen muß. (Ein Elektron steht
nach einer Drehung um 360 Grad sogar auf dem Kopf).
Die natürliche Einheit der Energie ist für die elektromagnetische Wechselwirkung die Ruhmassenenergie des Elektrons
Erest = mec 2
Der dimensionslose Parameter, der die Energieniveaus bestimmt, ist die Sommerfeldsche Feinstrukturkonstante
α = e2
¯hc
Dabei ist es wesentlich für das Aussehen unserer Welt, daß α ≈ 1
eines Atoms der Ladung Z kann wie folgt geschrieben werden:
Etot = Erest + Ekin + Epot = mec 2 + p2
2me
− Ze2
r
137
(1.20)
klein ist. Die Gesamtenergie des Elektrons im Feld
Die Bindungsenergie Ebin = Etot − Erest ist eine Funktion von α und es gilt für die Ableitung E ′ bin = 0, d. h. Ebin hängt
in niedrigster Näherung nur von α 2 ab.
Der zweite dimensionslose Parameter ist das Massenverhältnis von Elektron und (reduzierter) Masse der Atomkerne des
Moleküls. Damit ergibt sich eine Überlappung von Vibration- und Feinstruktur bzw. von Rotation- und Hyper - Feinstruktur
Niveaus. Anregung – und damit Strahlung – findet statt, wenn die thermische Energie kT ausreicht, d. h. falls kT ≈ E.
Somit kann man mit Molekülen das kalte Universum untersuchen, mit Atomen die heißen Sternhüllen. Bei Molekülen
beobachtet man nur el. Dipol - Strahlungsübergänge, während man bei atomarem Wasserstoff sogar wegen seiner Häufigkeit
den (im Labor extrem verbotenen, weil durch Stöße unterdrückten) Hyper - Feinübergang eines Elektronen - Spinflips (21
cm Linie) beobachten kann. Bei optisch dünnen Medien sieht man die Linien meist in Emission, sonst in Absorption.
Damit hat man über den gesamten Spektralbereich (Radio bis UV und weiches Röntgengebiet) hervorragende
Thermometer zur Verfügung. Aus der Intensität der Linien kann man darüber hinaus über
die relative Häufigkeit der chemischen Elemente Aussagen gewinnen. Diese (Atomkerne) wurden
bzw. werden bis auf H und He alle im Innern von Sternen erzeugt. Der wichtigste Prozeß im Innern
der Sterne und, bei akkretierenden Neutronensternen (Röntgen - Pulsaren) sogar an deren Oberfläche,
ist die Nukleosynthese, welche durch die Kernphysik mithilfe der Schrödinger Gleichung und
phänomenologischem Kernpotential beschrieben wird. Neben der elektromagnetisch benötigt man dazu
noch die starke und schwache Wechselwirkung.
Der interstellare Raum ist mit einem heißen Gas angefüllt, welches durch Sterne und ihre Explosionen
(Novae und Supernovae) geheizt bzw. nachgefüllt wird. Die heißeste Komponente bildet das Gas in
Supernova Überresten. Hier handelt es sich bereits um ein extrem nichtthermisches Plasma (mit Synchrotronstrahlung):
die kosmische Strahlung gehört ebenfalls dazu und wird eventuell dort erzeugt.
Diese nichtthermische Komponente erzeugt ihrerseits ein galaktisches Magnetfeld, in dem die relativistischen
Elektronen Synchrotronstrahlung erzeugen, welche dann im Radiobereich nachgewiesen
werden kann. Die verschiedenen Komponenten sind zwar im zeitlichen und räumlichen Mittel im thermodynamischen
Gleichgewicht, womit man grob ihre Struktur erklären kann. Die genauere Analyse
hat aber gerade erst begonnen, es ist denkbar, daß von Zeit zu Zeit sich Instabilitäten bilden und explodieren
in Form von Jets oder Bursts. Diese heizen ein dünnes, thermisches Gas, welches die Galaxien
(wie ein Halo) umgibt und welches im Röntgenbereich nachgewiesen wurde.
Wir betrachten als Einführung den Makrokosmos und zwar in dieser Reihenfolge
1. Längenhierarchie (Geometrie)
2. Massenhierarchie (Newtonsche Gravitationstheorie, ART)
3. Alter (Kernphysik)
4. Temperatur (Thermodynamik und Elektrodynamik)