Astrophysik : Eine Einführung in Theorie und Grundlagen

zugeschrieben wird: "Cosmologists are often in error, but never in doubt." Wahrscheinlich wird sich bei manchen Erklärungsversuchen erst in den nächsten Jahren "die Spreu vom Weizen trennen".Abschließend noch ein Wort zur Darstellung. Bewusst sind in diesem "Leitfaden" die meisten Abbildungen recht plakativ gestaltet. Dementsprechend findet man nicht allzu viele Reproduktionen aus Originalpublikationen mit all den wichtigen Details, die für eine seriöse wissenschaftliche Weiterarbeit nötig sind. Wir leben im Zeitalter des Internets mit schnellem Zugang zu einer unermesslichen Zahl von wissenschaftlichen Publikationen und Daten. Wenn man weiß, was man suchen soll, wird man in der Regel schnell in allen Details fündig. Die entscheidende Frage ist dabei: Was ist wichtig, und wie ordne ich es ein? Zur Beantwortung dieser Fragen soll das Buch Hilfestellung leisten.Die Abfassung des Buches hat viel Zeit und Geduld gekostet. Ich bin meiner Frau Gertrud für ihr Verständnis sehr dankbar. Dem Fach Physik an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf danke ich für die zahlreichen Hilfestellungen und Möglichkeiten, den Inhalt immer wieder Studierenden vermitteln zu können. Im Springer-Verlag haben Frau Dr. Lisa Edelhäuser und Frau Anja Groth die Entwicklung des Buches konstruktiv kritisch und stets motivierend begleitet. Für ihre zahlreichen und äußerst wertvollen Anregungen bin ich sehr dankbar. Viel Positives ist mit fremder Hilfe eingeflossen -für das verbliebene Negative übernehme ich die alleinige Verantwortung.In dieser dritten Auflage wurden alle Kapitel überarbeitet, mit deutlichen Erweiterungen in Teil III. Aber auch die beiden ersten Teile erfuhren Verbesserungen, die über die Korrektur von Schreibfehlern deutlich hinaus gehen. Allen, die mit ihren Anregungen dazu beigetragen haben, sage ich herzlichen Dank. Düsseldorf im Januar 2021 Vorwort Inhaltsverzeichnis Teil I Einführung in die moderne Astrophysik 1 Einige wichtige physikalische Grundlagen 1.1 Überblick 1.2 Größenordnungen und Modellbereiche 1.2.1 Orts- und Zeitskalen 1.2.2 Kräfte und Energieskalen 1.2.3 Gravitation 1.2.4 Modellbildung 1.3 Astrophysikalische Strukturen 1.3.1 Das Universum insgesamt 1.3.2 Virialtheorem 1.3.3 Größe von Strukturen 1.4 Strahlung und Helligkeit 1.4.1 Photonen im Gleichgewicht 1.4.2 Helligkeit und Größenklassen 1.4.3 Hertzsprung-Russell-Diagramm 1.5 Strahlungs- und Energietransport 1.5.1 Strahlungstransportgleichung 1.5.2 Diffusionsmodelle für den Transport 1.5.3 Konvektiver Transport 2 Beobachtungsmöglichkeiten 2.1 Klassische Verfahren 2.1.1 Methoden der Abstandsbestimmung 2.1.2 Stark vereinfachte Modelle für Cepheiden 2.1.3 Massenbestimmung 2.1.4 Radiusbestimmung 2.1.5 Oberflächentemperatur 2.1.6 Geschwindigkeitsbestimmung 2.2 Beobachtungsinstrumente 3 Kosmische Strahlung 3.1 Überblick 3.2 Beschleunigungsmechanismen 3.2.1 Beschleunigung durch magnetische Spiegel 3.2.2 Fermi-Beschleunigung 4 Sternaufbau und Sternentwicklung 4.1 Grundgleichungen für leuchtende Sterne 4.1.1 Sternaufbaugleichungen 4.1.2 Zustandsgleichungen 4.1.3 Sternaufbaugleichungen und Virialtheorem 4.2 Stellare Energiequellen 4.2.1 Grundsätzliches 4.2.2 Fusionsprozesse in Sternen 4.3 Unsere Sonne 4.3.1 Sonnenparameter 4.3.2 Transport und Stabilität 4.3.3 Sonnenatmosphäre 4.3.4 Helioseismologie 4.3.5 Prototyp eines Standardsonnenmodells 4.3.6 Solare Neutrinos 4.3.7 Ausblick 4.4 Zustandsgleichungen und Chandrasekhar-Masse 4.4.1 Ideales klassisches Gas 4.4.2 Ideale Quantengase 4.4.3 Weiße Zwerge 4.4.4 Polytrope Zustandsgleichungen 4.4.5 Chandrasekhar-Masse 4.4.6 Dichte Coulomb-Systeme 4.4.7 Neutronen kommen ins Spiel 4.5 Strukturbildung 4.5.1 Qualitative Aussagen 4.5.2 Jeans-Instabilität 4.6 Sternentwicklung: Anfänge 4.6.1 Entwicklung der Protosterne 4.6.2 Hertzsprung-Russell-Diagramm 4.6.3 Lösung der Sternaufbaugleichungen 4.6.4 Massengrenzen 5 Endstadien leuchtender Sterne 5.1 Sterbende Sterne 5.1.1 Weiße Zwerge 5.1.2 Neutronensterne 5.1.3 Quellen hochintensiver Strahlung 5.2 Schwarze Löcher 6 Galaxien 6.1 Die Milchstraße 6.2 Allgemeine Eigenschaften von Galaxien 6.2.1 Galaxienbeobachtung 6.2.2 Olbers'sches Paradoxon 6.2.3 Materiehaushalt 6.3 Modellierung Teil II Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie 7 Rechenregeln der ART 7.1 Mathematische Terminologie der SRT 7.1.1 Lorentz-Transformation 7.1.2 Beschleunigte Bezugssysteme 7.2 Einstein'sche Feldgleichungen 7.2.1 Prinzipien 7.2.2 Die Feldgleichungen „fallen vom Himmel“ 7.3 Newton'scher Grenzfall 7.3.1 Bewegungsgleichung 7.3.2 Bestimmungsgleichung für das Potenzial 7.4 Struktur der Einstein'schen Feldgleichungen 7.4.1 Mathematischer Hintergrund 7.4.2 Der Quellterm 7.4.3 Kovarianz der Bewegungsgleichung 7.5 Feldgleichungen und Variationsprinzip 7.5.1 Metrische Determinante 7.5.2 Homogene Einstein-Gleichungen 7.5.3 Energie-Impuls-Tensor 7.5.4 Kosmologische Konstante 7.5.5 Notationen im Vergleich 8 ART-Effekte 8.1 Äußere Schwarzschild-Metrik 8.1.1 Metrische Koeffizienten 8.1.2 Teilchen im Schwarzschild-Feld 8.2 Periheldrehung des Merkurs 8.3 Licht im Schwerefeld 8.3.1 Lichtablenkung im Schwerefeld 8.3.2 Frequenzverschiebung 8.3.3 Laufzeitverzögerung 8.4 Gravitationswellen 8.4.1 Wellengleichung im materiefreien Raum 8.4.2 Eichung, Polarisation und Erzeugung 8.4.3 Nachweismethoden 9 Relativistische Sterndynamik 9.1 Relativistische Sterngleichgewichte 9.1.1 Innere Schwarzschild-Metrik 9.1.2 Relativistische Gleichgewichte 9.1.3 Stabilität 9.2 Gravitationskollaps 9.2.1 Zeitabhängige Metriken 9.2.2 Zeitabhängige Lösungen 9.3 Rotierende Schwarze Löcher 9.3.1 Grundsätzliches 9.3.2 Kerr-Metrik 9.3.3 Aktuelle Forschung zu Schwarzen Löchern Teil III Einführung in die Kosmologie 10 Homogene Kosmologie 10.1 Ausgangslage für kosmologische Ansätze 10.2 Friedmann-Lemaître-Gleichungen 10.2.1 Robertson-Walker-Metrik 10.2.2 Friedmann-Lemaître-Gleichungen 10.2.3 Historische Rückschau 10.2.4 Friedmann-Gleichung für P=0 10.2.5 Friedmann-Gleichung mit drei Komponenten 10.2.6 Universum mit Strahlungsdominanz 10.2.7 Dominanz von Materie 10.2.8 Von Strahlungs- zu Materiedominanz 10.2.9 Kosmografie 10.3 Weltmodelle 10.3.1 Kosmologische Konstante 10.3.2 Schwarzschild-deSitter-Raum 10.3.3 Lösungen der Friedmann-Lemaître-Gleichungen 11 Primordiale Nukleosynthese 11.1 Grundlagen 11.1.1 Bausteine des Universums 11.1.2 Freiheitsgrade 11.2 Thermische Entwicklung des jungen Universums 11.2.1 Die ersten Bruchteile von Sekunden 11.2.2 Ausfrieren von Freiheitsgraden 11.3 Das Universum wird „erwachsen“ 12 Supernovae Surveys 12.1 Entfernungsmaße 12.2 Beobachtungslängen 12.3 Auswertungen 12.3.1 Leuchtkraftentfernung und Rotverschiebung 12.3.2 Beobachtungen 13 Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung 13.1 Beobachtungen 13.2 Erste Analysen 13.2.1 Temperatur und Skalenfaktor 13.2.2 Entkopplungsmodell 13.2.3 Horizontproblem der CMB 14 Inflation 14.1 Ansätze 14.1.1 Konforme Zeit 14.1.2 Phänomenologie der Inflation 14.2 Inflatonfeld in klassischer Beschreibung 14.2.1 Normierungen und Konventionen 14.2.2 Modell 14.2.3 Approximative Lösung 14.2.4 Auflösung wichtiger kosmologischer Probleme 14.2.5 Flachheitsproblem 14.2.6 Monopolproblem 15 Inhomogene Kosmologie 15.1 Newton'sche Subhorizontstörungen 15.1.1 Jeans-Rechnung mit expandierendem Hintergrund 15.1.2 Jeans-Masse 15.1.3 Verhalten Dunkler Materie 15.2 Grundlagen der inhomogenen Kosmologie 15.2.1 Gestörte metrische Koeffizienten 15.2.2 Freiheit der Eichung 15.2.3 Gestörter Energie-Impuls-Tensor 15.2.4 Gestörte Einstein-Gleichungen 15.3 Informationsübertrag aus der Frühphase 15.3.1 Entwicklung der Krümmungsstörung 15.3.2 Einritt in den Horizont 15.3.3 Spektrale Verteilungen 15.4 Quantenfluktuationen 15.4.1 Zusammenhang zwischen calR und δφ 15.4.2 Subhorizontartige Feldfluktuationen 15.4.3 Krümmungsskalar 15.5 Phänomenologie 15.5.1 Dichte- und Massenansammlungen 15.5.2 Vermessung von Galaxien 15.5.3 Fluktuationen in der CMB 15.5.4 Polarisation in der CMB Literatur Stichwortverzeichnis Von weißen Zwergen und schwarzen Löchern: Diese Einführung in Grundlagen und Theorie vermittelt anschaulich und kompakt ein Verständnis der Physik des Universums. Dargestellt werden die wichtigen physikalischen Modelle, mit denen die Sterne beschrieben werden können. Viele der faszinierenden Phänomene unseres Universums lassen sich so quantitativ untersuchen. Von weissen Zwergen und schwarzen Loechern: Diese Einfuhrung in Grundlagen und Theorie vermittelt anschaulich und kompakt ein Verstandnis der Physik des Universums. Dargestellt werden die wichtigen physikalischen Modelle, mit denen die Sterne beschrieben werden koennen.