pdf-Version - Ruhr-Universität Bochum

Astronomie 1
Vorlesung:
Mittwoch,
8:30 – 10:00
HZO 70
HD Dr. Susanne Hüttemeister
NA 7/26
huette@astro.ruhr-uni-bochum.de
0234 – 322 3462

Teilnehmen...!
Übungen
Gruppe 1:
Mittwoch, 13 ct (bis 15), NA 7/32
Gruppe 2:
Mittwoch, 13 ct (bis 15), NB 4/158
Gruppe 3:
Mittwoch, 14 ct (bis 16), NB 3/158
Übungsleiter:
Dominik Rosenbaum (Gr. 1), Eva Manthey (Gr. 2)
Daniel Brown (Gr. 3)
Scheinvergabe:
>50% gelöste Aufgaben: Schein erteilt
Benotung nach erreichter Prozentzahl
und aktiver Teilnahme an den Übungen
4 Credit Points (Bachelor / Master Physik)
5 Credit Points (Optionalbreich)

H. Karttunen et al.
Fundamental Astronomy
Literatur
***
Springer Verlag, 1996, 2000, $ 69.95 (€ 60.-)
B.W. Carroll & D.A. Ostlie
Introduction to Modern Astrophysics
Addison Wesley, 1996, € 105.18
A. Unsöld & B. Baschek
Der Neue Kosmos -> Uni-Bibliothek
Springer Verlag, 2002, € 49,95
A. Weigert & H. Wendker
Astronomie und Astrophysik: Ein Grundkurs
Wiley VCH 2001, € 49,-
H. Voigt
Abriss der Astronomie
Spektrum Akademischer Verlag, € 34.95
**
Keine Angst
vor
englischer
Literatur!

Übersicht – Wintersemester
(1) Ein Blick in die Geschichte
(2) Sphärische Astronomie: die Klassik
(3) Meßgrößen: Helligkeiten, Temperaturen
(4) Himmelsmechanik
Doppelsterne, Sternmassen
(5) (Optische) Teleskope
(6) Sterne 1: spektrale Klassifikation und
Hertzsprung-Russell Diagramm
(7) Sternaufbau, Energieerzeugung - auch: Sonne
(8) Sternentwicklung

Übersicht – Sommersemester
(9) Veränderliche Sterne
(10) Planetensysteme
(11) Das Interstellare Medium
(12) Sternhaufen
(13) Die Milchstraße
(14) Galaxien
(15) Galaxienentwicklung
(16) Kosmologische Aspekte

Die Milchstraße
vor Serpens
bis Scorpius
(1)
Ein Blick in die Geschichte
Götter und Mythen am
Himmel:
etwa die Sternbilder,
Planetennamen,
Sonne und Mond als
Gott / Göttin
`Solange es Menschen gibt´
z.B. Cro Magnon,
vor 30000 Jahren
Der Blick zum gestirnten
Himmel, das Staunen
... und Erklärungsversuche
Das
Sternbild
Orion

Von Anfang an...
Direkte, praktische Bedeutung astronomischen Wissens:
Jahreszeiten -> Landwirtschaft (Nilschwemme...)
Zeitbestimmung -> Kalender
Navigation (Längengrad? Harris 17. Jhdt.)
Sinnfragen:
Vorhersagen, basierend auf genauer Kenntnis
der Positionen von Himmelskörpern
-> Astronomie = Astrologie (Babylon)
... und auch noch heute:
Astronomie als (älteste) Grundlagenwissenschaft,
Motiviert durch Neugierde, Drang, Universum und
unseren Platz darin zu verstehen
Jedoch: Naturwissenschaftliche Methode des
Erkenntnisgewinns...
(1/2)

Archäoastronomie
Archäologie + Astronomie (auch methodisch)
Häufig durchaus spekulativ
Beispiele: 1: Die Pyramiden von Gizeh
Eines der 7 antiken Weltwunder
Insbesondere die
Cheops-Pyramide
(1/3)
Unstrittig: Erbaut als
Grabmal für Pharao
Cheops
um 2600 v.Chr.
Die größte von
3 Pyramiden
(Chephren,
Mykerinos)

Pyramidologie
... ist ein umstrittenes Geschäft. Unzweifelhaft:
Erstaunlich sorgfältige
Orientierung nach den
Himmelsrichtungen
- Abweichung nicht mehr
als 5.5´
Grundfläche fast perfektes
Quadrat – Abweichung
maximal 20cm
... vor 4600 Jahren !
(1/4)
Schon unklarer: Bedeutung der `Luftschächte´, die von der
Königskammer ausgehen. Ausrichtung auf Sternbild Orion
(assoziiert mit Gott Osiris) bzw. Stern Thuban – Polarstern
vor 4600 Jahren (?)
Wesentlich: Berücksichtigung der Präzession der Rotationsachse
der Erde von ~ 26 000 Jahren Periode (Kap. 2)

2: Stonehenge
3 Konstruktionsphasen (3000 – 1500 v.Chr.)
Ab 3000 (ausgehende Jungsteinzeit):
56 kreisförmig angeordnete `Aubrey´-Löcher, Graben,
erste Steine, einschließlich `Heelstone´ (Höhe 6m,
Position 27m außerhalb
(1/5)

Stonehenge
Ab 2800: unklare Phase mit Holzbauten
2100 – 1500: Aufrichtung der meisten stehenden Steine
Sarsen (Hufeisen, umgeben von Kreis aus 30 Steinen)
und `Bluestones´ aus (vielleicht) 380km Entfernung
(1/6)

Stonehenge – Warum?
(1/7)
Tempel oder Observatorium?
Astronomische
Interpretationen
Am 21. Juni geht Sonne
hinter Heelstone auf, Schatten
fällt in Sarsen Hufeisen
-> Anzeige des Wechsels der Jahreszeiten, Kalender
(Hawkins / Hoyle): Relation von 4 rechteckig angeordneten
`Station Stones´ zu Auf- und Untergängen von Sonne
und Mond
Vorhersage von Finsternissen mit Hilfe der Aubrey-Holes?
Astronomische Interpretationen oft auf frühe Bauphasen
bezogen
Bedeutungswechsel über 2000 Jahre hinweg möglich

Und hierzulande?
In kaum sichtbaren Resten einer
Wallanlage fanden Raubgräber
die Sternenscheibe oder
`Himmelsscheibe von Nebra´
Anschließender `Krimi´
Anfang 2002: Scheibe in Besitz
des Landes Sachsen-Anhalt,
wissenschaftliche Untersuchung
Der Mittelberg bei Sangershausen
/ Nebra in der Magdeburger
Börde in Sachsen-Anhalt
Datierung mit Hilfe gleichzeitig gefundener Bronzeschwerter
~ 1600 v.Chr., zeitgleich etwa Mykene, trojanischer Krieg,
letzte Phase Stonehenge
(1/8)

Die Himmelsscheibe
(1/9)
Kein Zweifel an astronomischer
Bedeutung (Prof.
Schlosser), auch wenn
Details unklar sind
Horizontbögen
Mondsichel
Vollmond oder
Sonnenscheibe
Himmelsbarke oder
Milchstraße
Fiktive Wallanlage
Älteste Darstellung des
gestirnten Himmels?
Statistische Anordnung
der Sterne...

Die griechische Tradition
... ist uns wissenschaftsgeschichtlich näher
Periode etwa 700 v.Chr. – 300 n.Chr.
Mathematische eher als physikalische Tradition der
Beschreibung astronomischer Phänomene, Einführung
der Sprache der Mathematik als angemessene
Beschreibung, v.a. durch
Thales von Milet
(ca. 600 v.Chr.)
Pythagoras (Samos)
(ca. 550 v.Chr.)
(1/10)
Begründung griechischer Naturphilosophie/Mathematik

Veränderungen am Himmel
... waren vor allem erklärungsbedürftig:
(1/11)
Konstante Bewegung der `Fix´sterne von Ost nach West
Jahreszeitliche Änderungen
Änderungen von Mondposition und Mondphase
Bewegungen der
Planeten vor den
Fixsternen, v.a.
rückläufige
Bewegung
Bewegung des
Mars während
der Opposition
2003 –
Oppositionsschleife

Geozentrisches Erklärungsmodell
Begonnen von Plato
(428 – 347 v.Chr.) und seinen
Schülern Aristoteles und
Eudoxos
Fixsterne am Nachthimmel
(Himmelskugel)
drehen sich um Erde im
Zentrum – `reinste´ Form der
Bewegung: Kreisbewegung
Planetenbewegung?
Eudoxos von Knidos:
Jeder `Wandelstern´ auf seiner eigenen Sphäre, alle Sphären
durch Achsen unter verschiedenen Winkeln verbunden, die
unterschiedlich schnell rotieren
Marginal erfolgreich, aber schnell zu große Abweichungen
von wachsender Beobachtungsbasis
(1/12)

Hipparchos: ein großer
Beobachter
(190 – 120 v.Chr.)
Unter seinen Leistungen:
Jahreslänge auf 6 Minuten genau
berechnet
Jährliche Präzession der Erdachse auf
besser als 10% bestimmt
Sternkatolog mit mehr als 850 Sternen – noch heute
benutztes System der Größenklassen
Theorien der Bewegung von Mond und Sonne, aber
nicht der Planeten – Daten reichten nicht aus
-> Anwendung der wissenschaftlichen Methode
1989: Astrometrie-Satellit HIPPARCOS startet
(1/13)

Ptolemeus: Epizykel
Claudius Ptolemeus (85 – 165)
Hauptwerk
`Almagest´
Erklärung für
Planetenbewegung,
die
bis Kopernikus
(~1540) `galt´
Planet auf kleinem Epizykel,
der auf größerem `Deferenten´ umläuft. Größere Helligkeit
während retrogader Bewegung: größere Nähe zur Erde
Prinzip schon bei Hipparchos, aber Verfeinerung: Equanten
(konstante Winkelgeschwindigkeit dθ/dt),
Erde nicht mehr im Zentrum des Deferenten, Schwankung
des Deferenten
Empirisch erfolgreich, aber Bewegung nicht mehr sehr
uniform und kreisförmig...
(1/14)

Aristarch: Seiner Zeit voraus (1/15)
~ 310 - 230 v.Chr., Samos
Messung des Verhältnisses der
Entfernung von Sonne und Mond:
-> Sonne viel weiter entfernt als
Mond
Sonne viel größer als sowohl Erde
als auch Mond
Entwicklung einer heliozentrischen
Theorie
Natürlich auch Annahme, Erde sei eine Kugel
Wenig erfolgreiche Theorie bei seinen Zeitgenossen,
unbewiesen, Vorhersagekraft war nicht besser als
geozentrische Modelle, die immer weiter verfeinert
wurden

Die Kopernikanische Wende
Nikolaus
Kopernikus
1473 - 1543
Kanoniker in der
Kathedrale von
Frauenburg
Im 16. Jhdt: Geozentrische
Theorie sehr kompliziert,
mit vielen weiteren
Epizykeln, um Beobachtungen zu erklären
Heliozentrisches Weltbild
erschienen in Nürnberg 1543, in Kopernikus´ Todesjahr
(1/16)

Ein mathematischer Fortschritt? (1/17)
Kopernikanisches
Weltbild
`Zwischenmodell´:
Zunächst nicht unbedingt, da
Kopernikus perfekte Kreisbahnen
für die Planetenbahnen annahm
- und wieder Epizykel brauchte!
Der exzellente
Beobachter Tycho
(Beobachtung
einer
Supernova 1572)
Mond und Sonne rotieren um Erde,
Alle anderen Planeten umlaufen
aber die Sonne
Tycho Brahe
1546 - 1601

Konflikte um das
heliozentrische Weltbild
... das uns nur heute offensichtlich erscheint
Galileo Galilei (1564 – 1642)
1609: Beobachtungen mit einem
selbstgebauten Teleskop:
`Galileische´ (Medicäische) Monde
des Jupiter
Sonnenflecken
Phasen der Venus
Auflösung des Bandes der Milchstraße in Sterne
erscheint 1610
(1/18)
Zusammenstoß mit der Inquisition 1616 / 1632
Hausarrest und Publikationsverbot (dennoch Publikation
in den Niederlanden)

Paradigmenwechsel
Johannes Kepler (1572 – 1630)
Physikalischer Beweis der Keplerschen Gesetze durch
Isaac Newtons Gravitationstheorie
Wissenschaftliche Revolution
Begründer der Himmelsmechanik,
in seinen 3 Keplerschen Gesetzen
Elliptische Planetenbahnen
Funktionsweise von Teleskopen
Formulierung universell gültiger
Naturgesetze
Paradigma: Art, die Welt um uns zu sehen, Rahmen auch
für Interpretation neuer Phänomene (Kuhn)
(1/19)
Übergang geozentrisches – heliozentrisches Weltbild:
Fundamentale Veränderung der Sicht auf das Universum

Mondphasen
Auch im heliozentrischen System: Mond dreht sich um
die Erde (West -> Ost, gleicher Drehsinn wie Erdrotation)
Vollmond,
Nachthimmel
1. Viertel, zunehmender Halbmond, Abendhimmel
Neumond,
Taghimmel
3. Viertel, abnehmender Halbmond, Morgenhimmel
... und wird dabei von der etwa 400x weiter entfernten
Sonne beschienen
Mondbahnebene um 5.1467 o gegen Erdbahnebene geneigt
Schnittpunkte: aufsteigender (Süd-> Nord) bzw.
absteigender Knoten (Verbindung: Knotenlinie)
(1/20)

Sonnenfinsternisse
... sind entsprechend nur möglich, wenn der Mond
zwischen Sonne und Erde steht (Neumond)
gerade durch einen Bahnknoten geht
Finsternisverlauf
11. 8. 1999
(1/21)
Kernschatten –
Totale Finsternis: Zone typisch
ca. 150 km breit, 4000 km lang
Halbschatten –
Partielle Finsternis
Der Mondschatten
im Blick eines
Wettersatelliten

Total oder ringförmig?
(1/22)
pa2 –b2 Mondbahn elliptisch:
Mittlerer Abstand:
384 460 km
Numerische Exzentrizität ε =
a
ε = 0.0549
a: große Halbachse
Erdnächster Punkt (Perigäum)
363 460 km
Erdfernster Punkt (Apogäum)
400 500 km
Finsternis
perigäumsnah:
Total, lang
(max. ~ 7min)
b: kleine Halbachse
Finsternis apogäumsnah: ringförmig –
Mond kann Sonne nicht ganz abdecken
Weiterer Zufall nötig: Sonne (31´31´´ - 32´35´´)
und Mond (29´22´´ - 33´33´´) scheinbar
gleich groß! Dies war nicht immer so – Mond
entfernt sich langsam von der Erde
Sambia, 3.8.01
Kalifornien, 4.1.92

Mondfinsternisse
... finden entsprechend bei Vollmond statt, falls der Mond
durch einen Bahnknoten geht
Sequenz: Totale Mondfinsternis 20./21. 1. 2000
(1/23)
Typische Dauer der
-Totalen Verfinsterung:
gut eine Stunde
-Gesamten Finsternis:
gut 3 Stunden
Natürlich wieder abhängig
von Entfernung Erde-
Mond und Geometrie
(Nähe zum Knoten)
Mondfinsternisse: auf der gesamten
Hemispäre, auf der der Mond zu sehen ist, sichtbar
Rötung: Von der Erdatmosphäre in den Kernschatten hineinge-
brochenes
Licht
partiell total

... im heliozentrischen Modell
Bahn
äußerer
Planet
(Mars,
Jupiter,
etc.)
Planetenbahnen
Bahn
Innerer
Planet
(Merkur/
Venus)
Erdbahn
Innere Planeten: maximale Elongation (Winkelabstand
von der Sonne): Merkur 28 o , Venus 47 o , Sonnenabstand
0 o : obere / untere Konjunktion (Transit möglich –
Venus Juni 2004)
Äußere Planeten: 180 o Sonnenabstand = erdnächster
Punkt = Opposition
(1/24)

Retrograde Planetenbewegung (1/25)
Anschauliche Erklärung im heliozentrischen System:
Planet mit größerem Sonnenabstand (etwa Mars):
langsamere Bewegung
wird von der Erde auf ihrer Bahn überholt
Scheinbare Bewegung vor Fixsternen wird in der
Nähe der Opposition rückläufig
Da Planetenbahnen nicht exakt in einer Ebene liegen:
Oppositions-Schleifen

Weitere Konsequenz
... für periodische
Bewegungen im
Sonnensystem
Zeitintervall zwischen
aufeinanderfolgenden
Oppositionen/Konjunktionen
verschieden von
Intervall zwischen einem
Orbit relativ zu
Hintergrund-Sternen
Von Opposition zu Opposition: Synodische Periode
Umlauf gegen Fixsterne: Siderische Periode
(1/26)

Meilensteine: Sterne
Immer schneller werdender Erkenntnisgewinn im
19./20. Jhdt. - einige Wegmarken
1596: (Fabricius) Mira – der 1.
veränderliche Stern
1838: (Bessel et al.)
Sternparallaxen - Entfernungen
1863: Bonner Durchmusterung
1910: Hertzsprung-Russell
Diagramm, Physik der Sterne
1929: (Gamow) Fusion als
stellare Energiequelle
1938: (Bethe/Weizsäcker)
pp und CNO Prozesse
1961: (Hayashi) voll konvektive Sterne im HRD
(1/27)

Bis ins 19. Jhdt.
... war Astronomie überwiegend Positionsastronomie,
Astrometrie, meist von Sternen
F.W.A.
Argelander
1799 –
1875
... und sein
Fernrohr
(1/28)
Bonner Durchmusterung
1844 – 1863: Positionen von
324 198 Sternen mit
Deklinationen +90 o - +2 o
Absicht eigentlich durchaus `physikalisch´: Bewegung
des Sonnensystems relativ zu den Fixsternen

Die Physik der Sterne
... ist ein Kind des 20. Jahrhunderts
Henrietta Leavitt
1868 - 1922
1908: Perioden-
Leuchkraft-Beziehung
für Cepheiden
1910: HRD
~ 1910: spektrale
Klassifikation von
Sternen (OBAFGKM)
1924: (A. Eddington) Masse-Leuchtkraft
Beziehung für `normale´ Sterne (Hauptreihensterne)
Wechsel des Schwerpunkts der Betrachtung von der
Position auf das `Wesen´ und die `Funktionsweise´
von Sternen, erschlossen aus Beobachtungen, interpretiert
mit den Methoden der Physik
(1/29)
Annie Jump Cannon
1863 - 1941

Meilensteine: Galaxien
1521: (Magellan) Magellansche
Wolken beobachtet
1845: (Rosse) Spiralstruktur in M51
1920: (Shapley/Curtis) Great Debate
über Natur der Spiralnebel
1923: (Hubble) Spiralnebel als
extragalaktisch erwiesen (Ceph)
1933: (Zwicky) Dunkle Materie im
Coma-Galaxienhaufen
1939: (Reber) extragalaktische Radioquelle Cygnus A
1943: (Seyfert) Galaxien mit `aktiven´ Kernen
1963: (Schmidt) Quasare als Objekte großer Rotverschiebung
1978: (Rubin et al.) flache Rotationskurven -> DM in
Spiralgalaxien
(1/30)

Astronomie – Physik – Astrophysik (1/31)
Einerseits: Die Sprache der Mathematik – seit der Antike
Andererseits: Die Rückführung auf allgemeine physikalische
Gesetze und Prozesse
Erfolgreich auch beim Verständnis sehr `exotischer´
Phänomene:
Pulsierende Sterne
Röntgenquellen
Schwarze Löcher
Quasare...
Nötig: Praktisch alle Gebiete der modernen Physik:
Teilchenphysik -> frühes Universum, dunkle Materie
Kernphysik -> Nukleosynthese im Inneren von Sternen
Atomphysik -> Interaktion zwischen Atomen und mit
Strahlung, Aussendung von Licht
etc...
... auch ein `Problem´ dieser Vorlesung

Größe Masse Dichte Temp.
Die Dimensionen
10 40
10 20
1
10 -20
In der Astronomie
relevanter
Bereich
(1/32)
Der größte Teil aller
möglichen Größen,
Massen, Dichten,
Temperaturen begegnet
uns in astronomischen
Objekten
-
und häufig nur dort!

Durch das gesamte Spektrum (1/33)
Das elektromagnetische Spektrum: heute – auch durch
Satelliten - ganz für die Astronomie erschlossen
Integral
Mauna Kea
Chandra
VLT
ISO
HST
IRAM
30m Effelsberg 100m

Das Erstaunlichste am
Universum ist,
daß wir in der Lage sind,
es zu verstehen
- Albert Einstein