Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

220 KAPITEL 4. THERMODYNAMIK: TEMPERATUR
Unbekannte Zustandsform
Wir lassen bei den folgenden Überlegungen Dunkelmaterie außer Betracht. Dann sieht die Situation
in unserer Milchstraße etwa folgendermassen aus: verteilt man die Materie, die heute in Sternen ist,
gleichmäßig über das Volumen der Milchstraße, so erhält man etwa 10 H Atome im cm 3 (in der galaktischen
Ebene). Im Innern der Sterne ist die mittlere Dichte 23 dex höher (ρ ≈ 1 g cm −3 ). Das
ist eine enorme Verdichtung. Ist zwischen den Sternen noch Materie übriggeblieben? Ursprünglich
glaubte man, der interstellare Raum sei leer. Zu den berühmten Beispielen von ’evidence of absence’
gehören (im niederenergetischen Bereich) die Entdeckung von interstellarer Materie (ISM) bzw. Staub
und von Molekülen (OH, CO, H2 . . . ) in Wolken, ferner (im hochenergetischen Bereich) die kosmische
Strahlung (Hess).
• BEISPIEL (ISM UND STAUB)
Seit Galilei erstmals ein Teleskop auf die Milchstraße richtete weiß man, daß diese aus sehr vielen schwach leuchtenden
Sternen (und nicht aus der Milch der Hera) besteht. Was sonst noch am Himmel leuchtet ahnte erstmals W. Herschel. Mit
seinem grossen Spiegelteleskop entdeckte er 1811 helle Nebelflecken und Löcher im Sternenhimmel (die vorher niemand
gesehen hatte).
Die Existenz von Staub vor Sternen war bereits 1847 von Struve aus Sternzählungen deduziert worden (mit der korrekten
Größenordnung für die mittlere Extinktion von Av ≈ 1 m pro kpc). Aber erst durch die Arbeiten von Trümpler (1930)
wurde dies allgemein be- und anerkannt.
Die Entdeckung einer scharfen Absorptionslinie, der berühmten ruhenden Kalziumlinie im Spektrum des spektroskopischen
Doppelsternes δ Orionis durch J. Hartmann im Jahre 1911 (verursacht durch die ISM) wurde zunächst nicht in
ihrer Tragweite richtig eingeschätzt. Als eine alternative Möglichkeit wurde zirkumstellare Materie diskutiert. Es handelt
sich hier um ein weiteres, historisch wichtiges, Beispiel vom Beginn des 20ten Jahrhunderts für den indirekten Nachweis
von Materie. Der wirkliche Durchbruch kam hier mit der Einführung der Photographie und es wurden viele schwächere
Dunkelwolken und Nebel (von u. a. E.E Barnard, F. Ross und M. Wolf) entdeckt.
Staub wurde zeitlich sogar noch vor Molekülen in unserer Milchstraße entdeckt. Der Nachweis war indirekt: an den galaktischen
Sternhaufen hatte Trümpler die Standardkerzen der Galaxis geeicht und dabei nebenbei die interstellare Absorption
AV durch Staub bestätigt!
Die Grundidee von Trümplers Entdeckung ist folgende. Wenn die galaktischen Sternhaufen gleiche Leuchtkraft und gleichen
Durchmesser haben, dann sollten sterischer Öffnungswinkel der Sternhaufen, Θ 2 = (D/r) 2 , und ihre scheinbare
Helligkeit f = L/4πr 2 proportional sein. Was man findet ist aber eine Abschwächung (und Rötung) des Sternenlichts.
• BEISPIEL (MOLEKÜLE)
Die ersten Moleküle waren CH und CN. Sie wurden bezeichnenderweise optisch in Absorption gegen helle Hintergrund
Sterne bereits 1937 (von T. Dunham Jr) postuliert und 1941 nachgewiesen (A. McKellar). Radioastronomisch wurde die
Möglichkeit, Moleküle über ihre Hyperfeinstruktur zu identifizieren, erstmals von Shkolvski diskutiert und an OH (mit
vier Hyperfeinlinien) als erstes 1963 in Absorption von Weinreb et al. entdeckt. Kurz darauf wurde OH auch in Emission
(in der Nähe von starken Radioquellen, die Westerhout vorher entdeckt hatte) gefunden. Die Linien sind sehr schmal, die
Strahlung ist hochgradig polarisiert und sie wurde (von Perkins, Gold und Salpeter) als Maser interpretiert. Maser ist ein
Akronym für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Der Linienemission entspricht formal eine
Strahlungstemperatur von 10 12 K. Der genaue Pumpmechanismus ist allerdings nicht bekannt. (Pulsare erreichen sogar
10 30 K).
Die Strahlungstemperatur Tν (auch mit Antennentemperatur Ta bezeichnet) wird aus gemessenem Fluß Φν und bekanntem
Öffnungswinkel der Quelle Ωs bestimmt. Die Strahlungstemperatur Tν in Rayleigh - Jeans Näherung ist dabei gegeben
durch
Tν = c2
2kν 2 Jν mit Jν = Φν
oder allgemein
c2 2kν2 Jν = hν
k
1
e hν/kTν − 1
Ωs
Der direkte optische Nachweis von molekularem Wasserstoff, H2, dem häufigsten Molekül, gelang dagegen erst 1970 (im
UV bei λ = 1108 ˚Angstrøm, mithilfe einer Raketenbeobachtung).
Der Nachweis von molekularem Wasserstoff, H2, geht auch heute noch indirekt, über das Fehlen der 21 cm Linien-
Emission. Begründung: da H überall vorhanden ist, deutet die Abwesenheit der 21 cm Linie astrophysikalisch auf die
Existenz von H im molekularen Zustand hin.
(4.22)