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Einführung in die Astronomie und die Astrophysik

Beispiele und Lehrtexte zur Astronomie und Astrophysik<br>Wird die Astrophysik genauer eru00f6rtert.<br>Einfu00fchrungsskript fu00fcr die Astrophysik<br>Einfu00fchrung in die Astrophysik<br>Einfu00fchrung in die Astronomie.<br>Weitergabeskript<br>Weitere Literatur:

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Einführung in die Astronomie und die Astrophysik

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Presentation Transcript

  1. Einführung in die Astronomie I Teil 1 Peter Hauschildt yeti@hs.uni-hamburg.de Hamburger Sternwarte Gojenbergsweg 112 21029 Hamburg 24. Januar 2019 1/28

  2. Geplante Themen 1. Sonnensystem 2. Gravitation, Keplersche Gesetze 3. Physik der Planeten 4. Monde, Asteroiden, Kometen, Meteoriten 5. Strahlung & Teleskope 6. Charakteristische Größen von Sternen 7. Sonnen- und Sternatmosphären 2/28

  3. Geplante Themen 8. Sternaufbau 9. Sternentwicklung 10. Endstadien der Sternentwicklung 11. Stern- und Planetenentstehung 12. Veränderliche Sterne 3/28

  4. Überblick I Astronomie nicht mit Astrologie verwechseln! I Astronomie ist vielleicht die älteste Wissenschaft I dadurch viele seltsame Eigenheiten (Namen etc) I praktische Bedeutung durch Zeitmessung 4/28

  5. Überblick I Moderne Astronomie ist Teil der Physik → Astrophysik I Astronomie ist aber von je her interdisziplinär! I Mathematik, Physik, Chemie, Philosophie I seit neuestem: Informatik, Meteorologie, Biologie 5/28

  6. “Powers of ten” I Astronomie überspannt “astronomische” Größenordnungen 6/28

  7. Einige Zahlen I Radius der Erde: R⊕= 6382km I Radius von Jupiter: RJup= 11R⊕ I Radius der Sonne R?= 7 × 108m = 109R⊕ I Entfernung Sonne-Erde: ≈ 150 × 106km = 1AU ≈ 214R? I Entfernung Sonne-Jupiter: 5.2AU I Entfernung Sonne-Pluto: 39.5AU I Entfernung zum nächsten Stern (Proxima Cen): ≈ 1.3pc ≈ 4.22ly ≈ 267000AU ≈ 4 × 1013km 7/28

  8. Einige Zahlen I Entfernung zum Zentrum der Milchstraße: ≈ 8kpc I Durchmesser der Milchstraße: ≈ 50kpc I Entfernung zu den Magellanschen Wolken: ≈ 50kpc I Entfernung zum Andromeda Nebel (M31): ≈ 780kpc I Radius der lokalen Galaxiengruppe: ≈ 1.4Mpc I Entfernung zum Virgo Cluster: ≈ 16Mpc I Radius des beobachtbaren Universums: ≈ 4Gpc... 8/28

  9. Sternbilder I Ein Blick in den Himmel sieht ungefähr so aus: 9/28

  10. Sternbilder I Mythologisch wurde daraus 10/28

  11. Sternbilder I und heute 11/28

  12. Sternbilder I Modern: 88 Sternbilder, definiert durch die IAU I Sternnamen: I Eigennamen: Vega I Griechischer Buchstabe & Sternbild: α Lyrae I Katalogname: BD +38◦3238, HD 172167, GC 25466, SAO 67174 etc. I Sternbilder auch verwendet zur ungefähren Angabe der Position nicht-stellarer Objekte (z.B. Galaxien) 12/28

  13. Koordinatensysteme !! I Horizontsystem I Zenithdistanz z I Höhe h I Azimut A I hängt von Ort und Zeit ab! 13/28

  14. Koordinatensysteme !! I Äquatorialsystem I Deklination δ I Rektaszension (“right ascension”) α I Stundenwinkel t (Abstand vom Meridian) 14/28

  15. Koordinatensysteme !! I warum? I Erdachse geneigt um ≈ 23.5◦ I → Jahreszeiten! 15/28

  16. Koordinatensysteme !! I Sonne (und Planeten etc.) wandert auf der Ekliptic I → Abstand Sonne – Himmelsäquator variabel I Sonne im Himmelsäquator: → Frühlingspunkt (“vernal equinox”) → Herbstpunkt (“autumnal equinox”) 16/28

  17. Koordinatensysteme I Weitere Systeme sind I Ekliptikalsystem → Länge λ (Frühlingspunkt) Breite β I Galaktisches System → Länge l (Zentrum der Galaxis) Breite b 17/28

  18. Präzession !! I Erde → Kreisel I Neigung der Erdachse → Sonne/Mond versuchen Kreisel aufzurichten I → Präzession I 25700 Jahre Periode 18/28

  19. Präzession I Himmelspol folgt Kreis um den Pol der Ekliptik I → Frühlingspunkt wandert entgegen der scheinbaren Bewegung der Sonne I → Äquatorialkoordinaten ändern sich langsam! 19/28

  20. Nutation !! I Mondbahn → Kreisel I Sonne → Präzession der Mondbahn I 18.6 Jahre Periode I variiert Drehmoment auf Erdkreisel → erzwungene Schwingung → Nutation 20/28

  21. Nutation I Nutation ändert den Winkel der Erdachse periodisch I → extra Nutationskegel mit 8” Öffnung I + zusätzliche Effekte (z.B. Planetenpräzession) 21/28

  22. Zeitmessung !! I astronomische Zeit am genauesten ... aber Atomuhren sind jetzt genauer I Sternzeit I Stundenwinkel Θ des Frühlingspunkts I Sterntag = 24h Sternzeit I astronomisch sehr brauchbar 22/28

  23. Zeitmessung !! I Sternzeit I scheinbare Bewegung der Sonne → Aufgangs/Untergangszeit ändert sich ca. 4min pro (Sonnen) Tag I → Sternzeit nicht brauchbar für “normale” Zeitmessung 23/28

  24. Zeitmessung I Wahre Sonnenzeit I Stundenwinkel der Sonne I +12h → Tagesanfang um Mitternacht I Problem: nicht gleichförmig! I Erde schneller im Winter (179 Tage), langsamer im Sommer (186 Tage) I Tageslänge hängt von Abstand Sonne – Himmelsäquator ab 24/28

  25. Zeitmessung I Mittlere Sonnenzeit I mittlere Sonne: konstante Winkelgeschwindigkeit 360◦/Jahr I 24h mittlerer Sonnenzeit → Zeit zwischen Kulminationen der mittleren Sonne I Zeitgleichung = Wahre Zeit − mittlere Zeit 25/28

  26. Definition: Jahr I Tropisches Jahr (Jahreszeiten): Frühlingspunkt zu Frühlingspunkt 365.24219d I (Gregorianisches) Kalenderjahr: 365.24250d(27s länger, 1dpro 3200 Jahre) I siderisches Jahr: relativ zu Fixsternen 365.25636d(Präzession et al) I anomalistisches Jahr: Periheldurchgänge der Erde 365.25964d(nicht konstant!) 26/28

  27. Parallaxe !! I Erde ”kreist” um Sonne → scheinbare Änderung der Position eines relativ nahen Sternes 27/28

  28. Parallaxe !! I Parallaxe sinπ = a/r I π = 100→ 206265AU I → Definition des parsec (pc) I a/r ? 1 → sinπ ≈ π I → π/100= 1pc/r 28/28

  29. Einführung in die Astronomie I Teil 2 Peter Hauschildt yeti@hs.uni-hamburg.de Hamburger Sternwarte Gojenbergsweg 112 21029 Hamburg 24. Januar 2019 1/35

  30. Tagesübersicht I Übersicht Sonnensystem I Bahnbewegungen I Kepler’sche Gesetze I Finsternisse 2/35

  31. Übersicht Sonnensystem I 1 Stern (333 × 103M⊕) I 8 Planeten + > 2 Zwergplaneten (5 × 103...140 × 103km, 448M⊕) I 62+ Monde (10...5000km, 0.12M⊕) I 50000+ Planetoiden (1...800km, 0.0005M⊕) I 107...11Kometen (1...100km, 0.1M⊕) I Meteoriten (cm–km, 10−9M⊕) 3/35

  32. Übersicht Sonnensystem I Sonne und Planeten im richtigen Verhältnis 4/35

  33. Große Monde 5/35

  34. Bahnbewegungen I Retrograde Bewegungen einiger Planeten 6/35

  35. Bahnbewegungen !! I Geozentrische Idee (Ptolemäus): I Erklärt sowohl normale wie retrograde Bewegungen I Einstellungen: Radien Deferent/Epicyle & Perioden I → guter Fit zu Beobachtungen möglich 7/35

  36. Bahnbewegungen I Probleme: I Keine physikalische Erklärung I Fit nicht gut über lange Zeiträume I Neue Beobachtungen: Jupiter hat Monde (Galileo, 1610) 8/35

  37. Bahnbewegungen I Probleme: I Neue Beobachtungen: Größe und Phasen von Venus (Galileo, 1610) 9/35

  38. Bahnbewegungen !! I Geozentrisches Modell → immer < 50% Phase von Venus I Erklärung: Venus umkreist die Sonne 10/35

  39. Heliozentrisches System !! I Nikolaus Copernicus (1473–1543) I Retrograde Bewegung → Erde überholt äußeren Planeten 11/35

  40. Heliozentrisches System I Kreisbahnen um Sonne I Konstante Winkelgeschwindigkeit ωP= 360◦/UP I synodische Umlaufzeit Usyn: Opposition → Opposition I ω⊕− ωP= 360◦/Usyn → 1/Usyn= 1/U⊕− 1/UP I ω- ausserer Planet< ωinnerer Planet 12/35

  41. Johannes Kepler (1571–1630) I Copernicus’s System: Probleme mit Ephemeriden I Kepler → Erweiterung des Modells I Beobachtungen von Tycho Brahe → Marsbahn I “trial and error” Methode → extrem aufwendig 13/35

  42. Kepler’sche Gesetze !! I Kepler 1: Bahn ist Ellipse mit Sonne in Brennpunkt I Kepler 2: gleiche Zeiten — gleiche Flächen I Kepler 3: P2= a3(P in Jahren, a in AU) 14/35

  43. Kepler 3 !! I Kepler 3 in cgs: 4π2a3 P2= G(m1+ m2) I Drei- und Mehrkörperproblem im allgemeinen nicht analytisch geschlossen zu lösen! 15/35

  44. Bahnen der (Zwerg)Planeten I Inklinationen klein i ≤ 3◦ I Exzentrizitäten klein e ≤ 0.1 I Ausnahme: Merkur i = 7◦, e = 0.21 I Ausnahme: Pluto i = 17◦, e = 0.25 I genaueste Bahnberechnung durch numerische Integration der Bewegungsgleichungen 16/35

  45. Bahnen der Planeten I Abstände von der Sonne: Titius-Bode Reihe a = 0.4 + 0.3 · 2n mit n = −∞, 0, 1, 2,... I gute Wiedergabe aber Neptun ’fehlt’ und Asteroiden sind Nummer 3 I Heute: Keine physikalische Bedeutung I Historisch wichtig (Entdeckung von Ceres und Pluto) 17/35

  46. Erdbahn I a = 1AU = 149.6 × 106km I e = 0.0167 I Periheldistanz RP= a(1 − e) = 147 × 106km (Ende Januar) I Apheldistanz RA= a(1 + e) = 152 × 106km ( Anfang Juli) I Präzession → langsame Änderung 18/35

  47. Mondbahn I a = 384.4 × 103km I e = 0.0549 I Neigungswinkel ≈ 5◦ 19/35

  48. Der Monat !! I Siderischer Monat: Zeit für 360◦Orbit um die Erde I Synodischer Monat: Neumond → Neumond 20/35

  49. Der Monat I Drakonitischer Monat: Orbit relativ zur Knotenlinie I Details I Siderisch: 27.32166d I Synodisch: 29.53059d I Drakonitisch: 27.21222d (Nutation) I Mond bewegt sich “unregelmäßig” durch Bahn (Kepler 2, Sonne etc.) 21/35

  50. System Erde-Mond I Gravitationskraft der Sonne auf Mond ca. doppelt so groß wie die der Erde! I → Mondbahn mehr “pendeln” um die Erdbahn als Bahn um die Erde! I “Doppelplanet” 22/35

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