Faszination Astronomie: Ein topaktueller Einstieg für alle naturwissenschaftlich Interessierten

268 Pages·2016·11.89 MB·German

by  Arnold Hanslmeier (auth.)

Arnold Hanslmeier
Faszination
Astronomie
Ein topaktueller Einstieg für
alle naturwissenschaftlich Interessierten
2. Aufl age
Faszination Astronomie
Arnold Hanslmeier
Faszination Astronomie
Ein topaktueller Einstieg für alle
naturwissenschaftlich Interessierten
2. Auflage
ArnoldHanslmeier
Graz,Österreich
ISBN978-3-662-49036-5 ISBN978-3-662-49037-2(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-49037-2
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Vorwort
AstronomieisteineWissenschaft,dieandieGrenzengeht.Manhatesmitunvorstellbar
riesigenRaum-undZeitdimensionenzutun,unvorstellbarenheißenundauchkaltenOb-
jekten,undselbstinunseremmittlerweileauchdurchSatellitenmissionenguterforschten
SonnensystemgibteslaufendneueEntdeckungen.Dazukommtnoch,dassAstronomen
nichtdirektmitihrenForschungsobjektenarbeitenkönnen.DieeinzigeInformation,die
wir über Sterne und Galaxien erhalten, ist deren Strahlung und Position am Himmel.
Trotzdem erlauben es die physikalischen Gesetze, über diese Objekte Informationen zu
bekommen: Von vielen Sternen und Galaxien wissen wir, woraus sie bestehen, wie alt
siesind,wieweitsievonunsentferntsindusw.ErkenntnissederAstronomiehabenun-
serDenkenwesentlichbeeinflusst.DieErdeistkeineswegsderMittelpunkt,sondernnur
ein winziger Planet im Universum, das unendlich, aber doch endlich ist und das selbst
keinenMittelpunktbesitzt. WirwerdenindiesemBuch,dasauseineranderUniversität
GrazgehaltenenVorlesungfürStudierendeallerFakultätenentstandenist,astronomische
Kenntnissevermitteln,ohnezuvielaufPhysikundMathematikeinzugehen.Etwastiefer-
gehende Formeln und Textstellen sind vom Rest des Textes getrennt und können, ohne
denZusammenhangzuverlieren,übersprungenwerden.TrotzdemsollderEindruckent-
stehen,dassastronomischeZahlenbelegbarsindundErgebnissorgfältigerMessungen.
ImerstenKapitelbeschreibenwirdieFaszinationdesUrsprungsdesUniversums.Mo-
derneErkenntnisse der theoretischen Physik helfen hierbei und Astrophysik und Physik
bringenzusammenneueErkenntnisseundwerfengleichzeitigauchneueFragenauf.Wir
behandelnDunkleMaterie,dasSonnensystem,dieSonnesowiedieEntwicklungderSter-
ne. Riesige supermassive Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der Galaxien,
erstmalsistesmöglich,diesedurchBeobachtungennachzuweisen.Seitmehrals25Jah-
ren kennen wir auch Planeten außerhalb unseres Sonnensystems. Damit versuchen wir
dannamEndedesBucheseineAntwortaufdiewohlspannendsteFragederNaturwissen-
schaftenzugeben:SindwiralleineimUniversum?
Das Buch wendet sich nicht nur an Studierende, sondern auch an interessierte Laien
sowiean alle, diesich mitmodernenErkenntnissen derNaturwissenschaftbeschäftigen.
Physik,insbesondereAstrophysik,kannextremspannendsein,ichhoffe,meineLeserin-
nenundLesergewinnendurchdieLektürediesesBuchesdiesenEindruck!
V
VI Vorwort
DievorliegendezweiteAuflagediesesBuchesberücksichtigtneuesteErkenntnissevon
Satellitenmissionen wie z.B. die erste erfolgreicheweiche Landungauf einem Kometen
oderspektakuläreBilderdesZwergplanetenPluto.NeuesteErkenntnissederExoplaneten-
forschung wurden ebenfalls eingearbeitet. Fehler wurden korrigiertund zahlreiche neue
AbbildungeneingeführtumdasVerständniszuerleichtern.
Danksagung: Ich bedanke mich bei Frau Bettina Saglio und Frau Meike Barth vom
SpektrumVerlagfürdieausgezeichneteZusammenarbeit.MeinerLebensgefährtinAnita
dankeichfürzahlreicheDiskussionenundihreGeduld.
Februar2016 ArnoldHanslmeier
Inhaltsverzeichnis
1 Kräfte,diedasUniversumbestimmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 DieGravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 NewtonundderApfel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 WohörtdieSchwerkraftauf? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 WiedasSonnensystemzusammenhält . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.4 VomPlanetensystemzumUniversum. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 DieelektromagnetischeKraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Ladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 DasCoulombgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Atome–Miniaturplanetensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 Elektrizität+Magnetismus=Elektromagnetismus . . . . . . . . . 10
1.2.5 Plasma–derhäufigsteMateriezustandimUniversum . . . . . . . 11
1.3 DiestarkeunddieschwacheKraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 WashältAtomkernezusammen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 DieschwacheKraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Elementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.2 Elementarteilchen–Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.3 QuarksundHadronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.4 WirbaueneinUniversum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 DerUrknall–Wieallesbegann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 DieGalaxienflucht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1 VermessungdesUniversums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.2 Hubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.3 DerBlickindieVergangenheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.4 Galaxienflucht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 DieExpansiondesUniversums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 SindwirderMittelpunkt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 DasUniversumdehntsichaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 DasAlterdesUniversums. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
2.3 DerheißeUrknall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.1 DasUniversumundderKühlschrank . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.2 DieHintergrundstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.3 HintergrundstrahlungundRotverschiebung . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.4 TemperaturschwankungenimfrühenUniversum. . . . . . . . . . . 32
2.3.5 DunkleMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 DieEntstehungderElemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.1 KernfusionamAnfang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2 ElementeschwereralsHelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 DasfrüheUniversum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.1 DieSuperkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.2 DasinflationäreUniversum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6 Zeitskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.7 DieZukunftdesUniversums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7.1 MasseundEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.7.2 DasnichtleereVakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.7.3 MaterieundRaum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7.4 EnergieundMasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7.5 UrknallundPlanck-Ära . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8 DasUniversumundTeilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.1 Bosonen-Ära. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.8.2 Quark-Ära . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8.3 Hadronen-Ära . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.8.4 Leptonen-Ära . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.8.5 DasUniversumwirddurchsichtig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3 DieWeltderPlaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1 AllgemeineEigenschaftenderPlaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 MasseundRadius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2 Entfernungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3 Temperaturen,Atmosphären . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.4 WiesehenwirPlanetenamHimmel? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 DieerdähnlichenPlaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.1 Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.2.2 Merkur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 Venus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.4 Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.5 Zusammenfassung:Warumsounterschiedlich? . . . . . . . . . . . 74
3.3 DieRiesenplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.1 Jupiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.2 Saturn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 UranusundNeptun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Inhaltsverzeichnis IX
3.3.4 Zusammensetzung:Riesenplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4 DieMondederPlaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.1 UnserMond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.2 DieMondedesMars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.3 DieJupitermonde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.4 WeitereMondedesJupiters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.5 Saturnmonde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.6 DieMondedesUranusundNeptun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4 ZwergplanetenundKleinkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1 AsteroidengürtelimSonnensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1.1 Asteroidengürtel,Hauptgürtel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1.2 Kuipergürtel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.3 DieOort’scheWolke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2 Kleinplaneten,Asteroiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.1 Beobachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.2.2 Trojaner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2.3 Erdbahnkreuzer,sindwirinGefahr? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3 Kometen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.1 Hilfe,derKometkommt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.2 PeriodischeKometen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.3 WassindKometen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.4 Kometenimpakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3.5 WoherkommendieKometen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4 Zwergplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.1 Pluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.2 WeitereZwergplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.5 Meteoroiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.5.1 Sternschnuppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.5.2 Meteorströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5 DieMechanikdesHimmels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.1 DieMondbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.1.1 Sonnen-undMondfinsternisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2 ErdachseundKreisel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2.1 DiePräzession. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2.2 Nutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3 DerJahreslaufderSonne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4 Planetenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.1 DieKeplergesetze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.2 StabilitätderPlanetenbahnen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
X Inhaltsverzeichnis
6 DieSonne–derStern,vondemwirleben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.1 DieSonne–Grunddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.1.1 DieSonnevonderErdeaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.1.2 MasseundGrößederSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.1.3 WieheißistesaufderSonne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.1.4 BeobachtungenderSonne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.2 DieSonne–dasInnere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.2.1 WohernimmtdieSonneihreEnergie? . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.2.2 Sonnenbeben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.3 Neutrinos–GeisterteilchenvonderSonne . . . . . . . . . . . . . . 153
6.3 Energietransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.3.1 EnergietransportdurchStrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.3.2 Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.4 DieOberflächederSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.4.1 Randverdunklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.4.2 Sonnenflecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.4.3 Granulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.4.4 Fackeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.5 DieobereAtmosphärederSonne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.5.1 DasgroßeRätselderSonnenphysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.5.2 Chromosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.5.3 DieKorona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.6 DieveränderlicheSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.6.1 DerAktivitätszyklusderSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.6.2 BeeinflusstdieSonneunserWetter? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.6.3 SonnenwindundHeliosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.6.4 SonneundWeltraumwetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7 Sterne–Entstehung,AufbauundEntwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.1 WasisteinStern? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.1.1 Sterne–BrauneZwerge–Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.1.2 PhysikalischeEigenschaftenvonSternen . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2 DieHelligkeitderSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.2.1 ScheinbareHelligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.2.2 AbsoluteHelligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.3 Spektralklassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.3.1 KlassifikationderSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.3.2 RiesenundZwerge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4 Sternentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.4.1 DieEntwicklungunsererSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.4.2 WielangelebenSterne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.4.3 RoteRiesenundÜberriesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190