Einführung in die Extragalaktische Astronomie und Kosmologie

455 Pages·2006·14.969 MB·German

by  Peter Schneider (auth.)

Peter Schneider
Einführung in die
Extragalaktische
Astronomie
und Kosmologie
Peter Schneider
Einführung in die
Extragalaktische Astronomie
und Kosmologie
Mit444Abbildungenund10Tabellen
123
Prof.Dr.PeterSchneider
Argelander-InstitutfürAstronomie
UniversitätBonn
AufdemHügel71
53121Bonn
e-mail:[email protected]
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of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin Umschlaggestaltung:ErichKirchner,Heidelberg
(STScI),G.Hartig(STScI),G.Illingworth(UCO/LickObservatory),
theACSScienceTeamandESA
Quelle:http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/
2003/01/image/a GedrucktaufsäurefreiemPapier55/3141/YL–543210
V
Vorwort
Dieses Buch entwickelte sich aus dem Skriptum einer dazugehörige Statistik ist nicht klein: Mein Kollege
Vorlesung, die ich als zweiten Teil einer Einfüh- KlaasdeBoerundichnehmenproJahrzusammenetwa
rungsvorlesung seit dem Jahre 2001 jährlich an der 100Vordiplomsprüfungenab.VereinzeltenBeurteilun-
Universität Bonn gehalten habe. Die Vorlesung richtet genderStudierenden,dieVorlesungseizuumfangreich
sich an Studienanfänger, die in der Mehrzahl Astro- oder zu schwer, ist entgegenzuhalten, dass es keinen
nomie als Nebenfach wählen; die meisten Hörer sind Grund gibt, warum eine Astronomie-Vorlesung we-
Studierende im ersten Jahr ihres Physik-Studiums, die niger anspruchsvoll sein soll als eine Physik- oder
zuvor schon den ersten Teil der Einführung besucht Mathematik-Vorlesung.
haben,inderSterneundastronomische Grundbegriffe Warum ein Buch daraus erstellen? Bei der Kon-
und Messmethoden behandelt werden. Die Vorlesung zeption der Vorlesung wurde mit schnell klar, dass
konzentriert sich daher ganz auf die extragalaktische ich nicht nach einem vorhandenen Lehrbuch vorge-
Astronomie und Kosmologie, wobei zu Beginn die henkonnte(oderwollte).DeutschsprachigeLehrbücher
Milchstraße als eine typische Spiralgalaxie diskutiert überAstronomiegibtesnurwenige,unddievorhande-
wird. Um dieses Buch einem weiteren Leserkreis zu nenbehandelndieExtragalaktiknichtannäherndindem
eröffnen,werdenineinemAnhangkurzeinigeastrono- UmfangundderTiefe,wieichmirdieVorlesungvor-
mische Grundbegriffe und die für das Verständnis des gestellthatte.AberauchimenglischsprachigenBereich
Stoffes relevanten Fakten des Strahlungsfelds und der ist die in Frage kommende Auswahl nicht groß. Wäh-
Sternezusammengestellt. rendeineganzeReihesehrguterEinführungstexteauf
Ziel der Vorlesung und damit auch dieses Buches dem Markt existieren, sind diese meist in ihrer tech-
ist, schon frühzeitig Studierende der Physik an die nischen Behandlung eher zurückhaltend. Viele Dinge
Astronomie heranzuführen. Da im ersten Studienjahr lassen sich jedoch besser erklären, wenn man (auch)
das physikalische Grundwissen nur eingeschränkt zu ein technisches Argument anführen kann. Es ist daher
Verfügung steht, müssen viele Sachverhalte mit ver- die Hoffnung, mit diesem Text einen Bereich der mo-
einfachendenArgumentenbehandeltwerden.Dennoch dernenAstrophysikaufeinemNiveaudarzustellen,das
ist es erstaunlich, in welchem Umfang mit solchen derobengenanntenZielgruppeangepasstist.
Argumenten die moderne Extragalaktik nahegebracht Ziel ist weiterhin, dieExtragalaktik so breit zu be-
werdenkann.DieVorlesungerstrecktsichüberdasge- handeln,dassdiesesBuchdieLeserindieLageversetzt,
samte hier präsentierte Material und ist deshalb recht entsprechendeFachliteraturzulesen,sodasszumindest
umfangreich.AndererseitsgestattetnurdieserUmfang, die Terminologie erläutert werden muss. Da praktisch
dieStudierendenschonfrühzeitigandieFrontunseres sämtlicheFachliteraturaufEnglischgeschriebenwird,
astrophysikalischenWissensheranzuführen;sielernen habeichwenigSinndaringesehen,diegesamteFach-
deshalbauchvieldarüber,waswirzurZeitnochnicht terminologie auf Deutsch zu übersetzen, und wo dies
wissen.GeradedieserAspekterscheintmirvongroßer geschieht, werden die englischen Begriffe gleichzeitig
BedeutungfürdieRollederAstrophysikinderPhysik- eingeführt. Aus dem gleichen Grund werden die ge-
Ausbildung, da in anderen Teilgebieten die Grenzen bräuchlichen Abkürzungen benutzt, die am Ende des
unseres heutigen Wissens erst in einem viel späteren Buchesaufgelistetwerden.
StadiumdesStudiumssichtbarwerden. Bei der Einführung in die Astronomie sehen sich
Besonders die Aspekte der Kosmologie stoßen die Studierenden mit zwei Problemen gleichzeitig
auf reges Interesse. Trotz des Stoffumfangs gelingt konfrontiert:aufdereinenSeitedemVerständnisastro-
es der großen Mehrheit der Zuhörer, sich den Inhalt physikalischer Zusammenhänge – beispielsweise den
der Vorlesung anzueignen, wie wir aus den Vor- Argumenten,diezudemSchlussführen,dassdiezen-
diplomsprüfungen leicht ersehen können – und die trale Maschine der Aktiven Galaxien ein Schwarzes
Vorwort
VI
Lochist;aufderanderenSeitederVielzahlvonneuen dieAstronomie alsHobbyundsindfasziniert vonden
Begriffen, Klassifizierungen, die zum Teil nur als his- Geschehnissen außerhalb der Erde. Ich habe versucht,
torischer Ballast zu betrachten sind. Als Beispiel sei dieseFaszinationaneinigenStellenderVorlesungauf-
hier die Klassifizierung der Supernovae angeführt, die leben zu lassen, etwa durch historische Schilderungen
zwar auf Beobachtungstatbeständen beruht, mit unse- oderdurchdieDiskussionvonbestimmtenBeobachtun-
remheutigenVerständnisderverschiedenenSN-Typen gen oder Instrumenten. An einigen Stellen bot es sich
aberweniggemeinhat;einanderesBeispielistdieKlas- selbstverständlich an, Erstaunen hervorzurufen, etwa
sifikationderAktivenGalaxien.InderVorlesunghabe bei der Schilderung von scheinbar überlichtschnellen
ich versucht, die beiden Schwierigkeiten so weit wie Bewegungen – um dann durch die Erklärung dieses
möglich zu trennen, also deutlich zu machen, wann Phänomens der Superluminal Motion die Beobach-
Faktenpräsentiertwerden,diezunächstmaleinfachzur tungstatsachenwiederinunserphysikalischenWeltbild
Kenntnisgenommenwerdensollen,undwannmanei- einzufügen.AusdiesemGrundewirdbeimanchenGe-
nem astrophysikalischen Zusammenhang auf der Spur legenheiten der traditionell eher trockene Lehrbuchstil
ist, wobei letzterer Aspekt stets deutlich mehr Raum beiseitegeschoben.
einnahm als ersterer. Es ist zu hoffen, dass dieser Un- AberdieeigentlicheFaszinationergibtsichausden
terschied auch in dieser schriftlichen Niederlegung zu Inhalten selbst – es ist immer wieder verblüffend zu
erkennenist. erkennen, wie sehr unser Wissen über den Kosmos in
GenauwieinderVorlesungselbstwurdenichtder den letzten Jahren gewachsen ist, wiePhänomene, die
Versuch gemacht, erst die physikalischen Grundlagen zunächst als Besonderheiten eingeordnet wurden, sich
zu behandeln, um sie dann ,,in einem zweiten Teil“ in ein Gesamtbild einfügen und wie weit das Modell
auf die Astrophysik anzuwenden. Stattdessen werden des isotrop expandierenden Universums die kosmolo-
die wichtigsten Prozesse an der Stelle erläutert, wo gischen Beobachtungen erklären kann. Auch auf die
sie zum ersten Mal zentral wichtig werden. Weiter- Gefahrhin,dasseinigeAbschnittediesesBuchesnach
hin wurde berücksichtigt, dass die Studierenden im relativ kurzer Zeit überholt sein können, wurden auch
ersten Studienjahr sehr schnell ihr physikalisches und Themen aufgenommen, die sich erst am Beginn einer
mathematisches Wissenerweitern;ausdiesemGrunde sicherlich rasanten Entwicklung befinden – und wenn
istderStoffzumTeilnachSchwierigkeitgeordnet.So esgelingt,dasInteressederLeseransolchenGebieten
wird beispielsweise zunächst der homogene Kosmos zuerweckenundindieLageversetzt,neueEntwicklun-
besprochen und erst später die Prozesse der Struktur- gendurcheigenesLiteraturstudiumzuverfolgen,dann
entwicklung,diezwischenzeitlichdurchdieDiskussion hatdiesesBuchsicherlicheinwichtigesZielerreicht.
überGalaxienhaufenmotiviertwurde. Die Erstellung des Vorlesungsskripts und dessen
DasThemaundderUmfangdiesesBuchesimplizie- Erweiterung zu einem Buch wäre ohne die aktive
ren,dasseineAuswahldesMaterialsnotwendigistund HilfevonzahlreichenStudierendenundKollegennicht
der Text nicht umfassend sein kann. Ich möchte daher möglich gewesen, denen ich hier danken möchte. Jan
andieserStellebeidenKollegenumVerständnisbitten, Hartlap, Elisabeth Krause und Anja von der Linden
die ,,ihr“ Gebiet nicht in dem Umfang hier wiederfin- haben zahllose Verbesserungsvorschläge gemacht, un-
den,wieesderBedeutungnachangemessenwäre.Ich ermüdlich Abbildungen erstellt bzw. herausgesucht,
habe mir ebenfalls die Freiheit erlaubt, mein persönli- Tabellen geTEXt – bei ihnen bedanke ich mich ganz
chesForschungsgebiet–dieGravitationslinsen–etwas herzlich. Oliver Czoske, Thomas Erben und Patrick
überproportionalzubetonen.WenneseinerRechtferti- Simon haben das gesamte Manuskript sehr detail-
gungbedarf:DieGrundgleichungenderLinsentheorie liert gelesen und unzählige konstruktive Kommentare
sindgenügendeinfach,dassmanbereitsimfrühenSta- dazu gemacht, die zur Verbesserung des Textes ge-
dium der Ausbildung diesen Effekt sehr gut erläutern führt haben. Klaas de Boer und Thomas Reiprich
kann. haben Teile des Buches gelesen und sehr hilfreich
VieleZuhörersindnichtnurandenphysikalischen kommentiert. Bei der Suche nach Quellen der Abbil-
Inhalten der Astronomie interessiert, sondern sind be- dungen waren weiterhin Leonardo Castan˜eda, Martin
geisterte Astronomen. Manche betreiben seit Jahren Kilbinger, Jasmin Pielorz und Peter Watts von großer
Vorwort
VII
Hilfe. Schließlich danke ich meinen Kollegen und grund ihrer hervorragenden Arbeit zur Verbreitung
Studenten, die mich immer wieder bei der Arbeit astronomischen Wissens in der Öffentlichkeit unver-
zu diesem Buch ermutigt und unterstützt haben, so- zichtbare Dienste leisten und gleichzeitig eine reiche
wie Herrn Wolf Beiglböck und Herrn Ramon Khanna Quelle für Bildmaterial darstellen, von der ich auch
vom Springer-Verlag für deren Ermunterung und hier vielfach Gebrauch gemacht habe. Stellvertretend
konstruktiveZusammenarbeit. seien erwähnt: Das European Southern Observatory
Weiterhin bin ich auch allen Kollegen zu Dank (ESO),dasSpaceTelescopeScienceInstitute(STScI),
verpflichtet, die mir gestattet haben, ihre Abbildun- das NASA/SAO/CXC-Archiv für Chandra-Daten und
gen hier zu verwenden, sowie den Pressestellen der das Legacy Archive for Microwave Background Data
AstronomischenOrganisationen undInstitute,dieauf- Analysis(LAMBDA).
IX
Inhaltsverzeichnis
1. EinleitungundÜberblick 1.1 Einleitung ...................................................... 1
1.2 Überblick ...................................................... 4
1.2.1 UnsereGalaxisalsGalaxie .................................... 4
1.2.2 DieWeltderGalaxien .......................................... 6
1.2.3 DieHubbleExpansiondesWeltalls ........................... 9
1.2.4 AktiveundStarburstGalaxien ................................. 11
1.2.5 Voids,GalaxienhaufenundDunkleMaterie ................... 13
1.2.6 WeltmodelleundthermischeGeschichtedesUniversums .... 15
1.2.7 StrukturbildungundGalaxienentwicklung .................... 18
1.2.8 KosmologiealsTriumph
desmenschlichenGeistes ...................................... 18
1.3 WerkzeugederextragalaktischenAstronomie ............. 19
1.3.1 Radioteleskope ................................................. 20
1.3.2 Infrarot-Teleskope .............................................. 24
1.3.3 OptischeTeleskope ............................................. 26
1.3.4 UV-Teleskope .................................................. 31
1.3.5 Röntgen-Teleskope ............................................. 32
1.3.6 Gamma-Teleskope ............................................. 33
2. DieGalaxisalsGalaxie 2.1 GalaktischeKoordinaten ..................................... 35
2.2 EntfernungsbestimmungeninnerhalbunsererGalaxis .... 36
2.2.1 TrigonometrischeParallaxe .................................... 37
2.2.2 Eigenbewegungen .............................................. 38
2.2.3 Sternstromparallaxe ............................................ 38
2.2.4 PhotometrischeEntfernung;
ExtinktionundRötung ......................................... 40
2.2.5 SpektroskopischeEntfernung .................................. 43
2.2.6 EntfernungenvonvisuellenDoppelsternen .................... 44
2.2.7 EntfernungenpulsierenderSterne ............................. 44
2.3 StrukturderGalaxis .......................................... 46
2.3.1 DieGalaktischeScheibe:Sternverteilung ..................... 47
2.3.2 DieGalaktischeScheibe:
chemischeZusammensetzungundAlter ...................... 48
2.3.3 DieGalaktischeScheibe:StaubundGas ...................... 51
2.3.4 DiekosmischeHöhenstrahlung ................................ 53
2.3.5 DerGalaktischeBulge ......................................... 55
2.3.6 DersichtbareHalo ............................................. 55
2.3.7 DieEntfernungzumGalaktischenZentrum ................... 56
2.4 KinematikderGalaxis ........................................ 57
2.4.1 BestimmungderGeschwindigkeitderSonne ................. 57
Inhaltsverzeichnis
X
2.4.2 DieRotationskurvederGalaxis ................................ 60
2.5 DerGalaktischeMikrolinseneffekt:
SuchenachkompakterDunklerMaterie ................... 65
2.5.1 DerGravitationslinseneffektI .................................. 65
2.5.2 GalaktischerMikrolinseneffekt ................................ 70
2.5.3 SurveysundResultate .......................................... 73
2.5.4 VariationenundErweiterungen ................................ 75
2.6 DasGalaktischeZentrum .................................... 78
2.6.1 WoistdasGalaktischeZentrum? .............................. 78
2.6.2 DerzentraleSternhaufen ....................................... 80
2.6.3 SchwarzesLochimZentrumderMilchstraße ................. 81
2.6.4 DieEigenbewegungvonSgrA∗ ............................... 84
3. DieWeltderGalaxien 3.1 Klassifikation .................................................. 88
3.1.1 MorphologischeKlassifikation:DieHubble-Sequenz ........ 88
3.1.2 AndereArtenvonGalaxien .................................... 89
3.2 ElliptischeGalaxien ........................................... 90
3.2.1 Unterteilung .................................................... 90
3.2.2 Helligkeitsprofil ................................................ 92
3.2.3 ZusammensetzungvonElliptischenGalaxien ................. 93
3.2.4 DynamikvonElliptischenGalaxien ........................... 93
3.2.5 AnzeichenkomplexerEntwicklung ............................ 96
3.3 Spiralgalaxien ................................................. 98
3.3.1 TrendsinnerhalbderSpiralensequenz ......................... 98
3.3.2 Helligkeitsprofil ................................................ 98
3.3.3 RotationskurvenundDunkleMaterie .......................... 100
3.3.4 StellarePopulationundGasgehalt ............................. 102
3.3.5 Spiralstruktur ................................................... 103
3.3.6 KoronavonSpiralen? .......................................... 104
3.4 Skalierungsrelationen ........................................ 104
3.4.1 DieTully–Fisher-Relation ..................................... 104
3.4.2 DieFaber–Jackson-Relation ................................... 107
3.4.3 DieFundamentalebene ......................................... 107
3.4.4 D –σ-Relation .................................................. 109
n
3.5 SchwarzeLöcherinZentrenvonGalaxien ................. 109
3.5.1 DieSuchenachsupermassivenSchwarzenLöchern .......... 110
3.5.2 BeispielefürSMBHsinGalaxien ............................. 111
3.5.3 ZusammenhangderSMBH-Masse
mitGalaxieneigenschaften ..................................... 113
3.6 ExtragalaktischeEntfernungsbestimmungen .............. 114
3.6.1 EntfernungzurLMC ........................................... 115
3.6.2 DieCepheiden-Entfernung ..................................... 116
3.6.3 SekundäreEntfernungsindikatoren ............................ 116
3.7 LeuchtkraftfunktionvonGalaxien .......................... 118
Inhaltsverzeichnis
XI
3.8 GalaxienalsGravitationslinsen .............................. 121
3.8.1 DerGravitationslinseneffekt–TeilII .......................... 121
3.8.2 EinfacheModelle ............................................... 122
3.8.3 BeispielefürGravitationslinsen ............................... 125
3.8.4 AnwendungendesLinseneffekts .............................. 129
3.9 Populationssynthese .......................................... 131
3.9.1 Modellannahmen ............................................... 132
3.9.2 EntwicklungswegeimHRD;integriertesSpektrum ........... 133
3.9.3 Farbentwicklung ................................................ 134
3.9.4 SternbildungsgeschichteundGalaxienfarben ................. 135
3.9.5 Metallizität,Staub,undHIIRegionen ......................... 136
3.9.6 Zusammenfassung .............................................. 137
3.9.7 SpektrenvonGalaxien ......................................... 137
3.10 ChemischeEntwicklungvonGalaxien ...................... 138
4. KosmologieI: 4.1 EinleitungundgrundlegendeBeobachtungen .............. 141
Homogeneisotrope 4.1.1 GrundlegendekosmologischeBeobachtungen ................ 142
Weltmodelle 4.1.2 EinfacheSchlussfolgerungen .................................. 142
4.2 EinexpandierendesUniversum .............................. 146
4.2.1 NewtonscheKosmologie ....................................... 146
4.2.2 KinematischeBeschreibung ................................... 146
4.2.3 DynamikderExpansion ........................................ 147
4.2.4 ModifikationdurchdieART ................................... 148
4.2.5 DieMateriekomponentendesUniversums .................... 150
4.2.6 ,,Herleitung“derExpansionsgleichung ........................ 150
4.2.7 DiskussionderExpansionsgleichungen ....................... 151
4.3 KonsequenzenderFriedmann-Expansion .................. 153
4.3.1 DieNotwendigkeiteinesBigBang ............................ 153
4.3.2 DieRotverschiebung ........................................... 156
4.3.3 EntfernungeninderKosmologie .............................. 158
4.3.4 Spezialfall:DasEinstein–de-Sitter-Modell .................... 160
4.3.5 Zusammenfassung .............................................. 161
4.4 ThermischeGeschichtedesUniversums .................... 161
4.4.1 ExpansioninstrahlungsdominierterPhase .................... 162
4.4.2 EntkopplungderNeutrinos .................................... 162
4.4.3 Paarvernichtung ................................................ 164
4.4.4 PrimordialeNukleosynthese ................................... 164
4.4.5 Rekombination ................................................. 168
4.4.6 Zusammenfassung .............................................. 170
4.5 ErfolgeundProblemedesStandardmodells ................ 171
4.5.1 Erfolge .......................................................... 172
4.5.2 ProblemedesStandardmodells ................................ 172
4.5.3 ErweiterungdesStandardmodells;Inflation ................... 175