Galaxien: Aufbau und Entwicklung PDF
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Roger J. Tayler Galaxien Aufbau und Entwicklung Spektrum der Astronomie C. Payne-Gaposchkin, Sterne und Sternhaufen R. J. Tayler, Sterne. Aufbau und Entwicklung R. J. Tayler, Galaxien. Aufbau und Entwicklung Beratendes Komitee Herausgeber dieses Bandes Prof. Dr. Michael Grewing, Tübingen Prof. Dr. Michael Grewing, Tübingen Prof. Dr. Rudolf Kippenhahn, München Dr. Hans Michael Maitzen, Wien Prof. Dr. Karl Rakos, Wien Prof. Dr. Roman U. Sexl, Wien Dr. Werner W. Weiss, Wien J. Roger Tayler Galaxien Aufbau und Entwicklung Mit 84 Bildern und 9 Tabellen Übersetzt von Michael Grewing Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Dieses Buch ist die deutsche übersetzung von R. ]. Tayler Galaxies: Structure and Evolution © R. J. Tayler 1978 First published by Wykeham Publications Ltd., London 1978 Roger]. Tayler ist Professor für Astronomie an der University of Sussex, Großbritannien. Das Umschlagbild zeigt die Galaxie NGC 4565 im Sternbild "Haar der Berenice" . 1986 Alle Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 1986 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/Weisbaden 1986 Die Vervielfältigung und Übertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall muß über die Zahlung einer Gebühr für die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle Verfahren einschließlich Speiche rung und jede Übertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bänder, Platten und andere Medien. Umschlaggestaltung: Horst Dieter Bürkle, Darmstadt Satz: Vieweg, Braunschweig ISBN 978-3-663-01905-3 ISBN 978-3-663-01904-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-01904-6 Inhaltsverzeichnis Vorwort VI Vorwort zur deutschen übersetzung ....................... VII Zusammenstellung wichtiger Symbole und Größen ............ VIII 1 Einführung 1 2 Beobachtungen unserer Milchstraße 24 3 Die Eigenschaften anderer Galaxien 60 4 Stellardynamik ..................................... 97 5 Die Massen der Galaxien 116 6 Das interstellare Medium 137 7 Die chemische Entwicklung von Galaxien ................. 160 8 Galaxien und das Universum 187 9 Abschließende Bemerkungen 207 Anhang 1 Ursachen für die Unterschiede in den Sternspektren ... 212 Anhang 2 Die Gleichung für die Geschwindigkeitsverteilungs- funktion .................................... 215 Anhang 3 Das Virial-Theorem ............................ 222 Anhang 4 Das Gravitationsfeld in der Umgebung von sphärischen und sphäroidischen Massen ...................... 226 Weiterführende Literatur ................................ 228 Sachwortverzeichnis ................................... 229 Votworl In den letzten Jahren hat sich das Hauptinteresse der Astronomen von den Sternen zu den Galaxien verlagert. Zum Teil liegt das daran, daß man glaubt, die Eigenschaften der Sterne im wesentlichen verstanden zu haben, zum Teil liegt es daran, daß die Entwicklung neuer Teleskope und Zusatzgeräte die Untersuchung einer größeren Zahl vor allem auch schwächerer Galaxien möglich macht. Tatsächlich ist die Frage nach dem Aufbau und der Entwicklung von Galaxien ein Zentralthema der Astronomie. In einer typischen Galaxie gibt es etwa so viele Sterne wie es Galaxien im beobachtbaren Teil des Universums gibt, und wenn wir uns mit den Galaxien beschäftigen, dann müssen wir uns sowohl mit dem Aufbau und der Entwicklung von Sternen als auch mit Fragen der Kosmologie befassen. In diesem Buch beschreiben wir in allgemeinverständlicher Weise, was über die heutige Struktur der Galaxien und über ihre Entwicklung in der Vergangenheit bekannt ist. Zusätzlich machen wir einige An merkungen zur künftigen Entwicklung der Galaxien. Die ins Einzelne gehende Diskussion bezieht sich vor allem auf unsere eigene Galaxie. Trotz unseres Bemühens, die Sachverhalte wenn irgend möglich in exakter Form darzustellen, wird deutlich werden, daß die Grundvor stellungen zwar als gesichert gelten dürfen, daß bei Einzelfragen aber immer noch erhebliche Unsicherheiten bestehen. Insbesondere ist in jüngster Zeit deutlich geworden, daß weder die Ausdehnung noch die Massen der Galaxien als völlig bekannt angesehen werden dürfen. Aus diesem Grunde werden wir in diesem Buch nur an wenigen Stellen kon krete Zahlenwerte für die die Galaxien charakterisierenden Größen an geben. Dabei wird dann zusätzlich der Schwankungsbereich genannt, in dem die jeweiligen Werte variieren können. Es ist völlig unmöglich, in einem Buch dieses Umfangs, das sich mit einem so komplexen Thema beschäftigt, jeden einzelnen Beitrag zum Fortschritt unseres Verständnisses hervorzuheben, oder alle diejenigen ausdrücklich zu erwähnen, von denen ich gelernt und Daten und Fakten Vorwort VII übernommen habe. Mein eigenes Interesse für Galaxien ist vor allem in Diskussionen mit Donald Lynden-Bell, Bernard Pagel und Martin Rees geweckt worden. Ich will meinen Dank gegenüber Douglas Meyer bekunden, der wiederum die Diagramme gezeichnet hat, und gegenüber Frau Peggy Nixon für das sorgfältige Schreiben des Manuskripts. Ebenso bin ich wiederum meinem Mitarbeiter Alan Everest zu Dank verpflichtet, der zahlreiche Vorschläge zum Text gemacht hat. Ich widme dieses Buch in Respekt und Bewunderung Herrn Professor Jan H. Oort, der nun schon seit über 50 Jahren fundamentale Beiträge zur Aufklärung der galaktischen Struktur geliefert hat. Lewes, im Februar 1978 R.]. Tayler Vorwort zur deutschen übersetzung Obgleich zu den in diesem Buch behandelten Themen in den letzten 6 Jahren eine Fülle von Einzelarbeiten in der Literatur erschienen sind, wurde davon abgesehen, den Text im Rahmen der übersetzung zu über arbeiten, weil die Diskussion einzelner hier behandelter Fragestellungen in vollem Gange ist und gesicherte Endergebnisse noch keineswegs vor liegen. Es würde aber der Absicht dieses Buches, das eine allgemein verständliche Einführung in die Thematik geben will, widersprechen, wenn neuere, zum Teil kontroverse Einzelarbeiten besonders hervor gehoben würden. Der einzige größere Eingriff in die Textgestaltung, der vorgenommen wurde, betrifft das Kapitel4 "Stellardynamik", das geteilt wurde und sich jetzt teilweise im Anhang 2 befindet. Ferner wurde ein Teil der Abbildungen überarbeitet bzw. neu gestaltet. Tübingen, im Mai 1985 M. Grewing Zusammenstellung wichtiger Symbole und Größen Verzeichnis wichtiger Symbole A,B Oortsche Konstanten der galaktischen Rotation A Querschnitt einer magnetischen Flußröhre B Magnetische Induktion Bi (zur Bewegung eines Teilchens) senkrechte Kompo nente der magnetischen Induktion B (T) Planck-Funktion v d Abstand eines Sterns vom Ursprung des lokalen Ruh systems (LSR) Abstand zwischen zwei Sternen zum Zeitpunkt größter Annäherung e Exzentrizität eines Sphäroids (in Modellen der galaktischen Massenverteilung) E, SO, S, SB, Irr Typenbezeichnung für Galaxien E Energiedichte der Kosmischen Primärstrahlung CR EN Nuklearer Energievorrat eines Sterns [ Massenverteilungsfunktion [(M) ursprüngliche Massenfunktion (engl. "initial mass function", IMF) F Verteilungsfunktion für Teilchen gr:;;,gz Komponenten des galaktischen Gravitationsfeldes H Hubble Konstante I, 11 ••• Is Integrale der Bewegung eines Sterns elektrische Stromdichte J I galaktische Länge, mittlere freie Weglänge L Leuchtkraft (z. B. einer Galaxie), Skalenlänge 1m galaktischen Magnetfeld Leuchtkraft eines Sterns Teilchenmasse Masse (u. a. Masse einer Galaxie) Masse neutralen Wasserstoffs Punktrnasse, Masse eines Sphäroids in einem galak tischen Massenmodell Zusammenstellung wichtiger Symbole und Größen IX Ms Masse eines Sterns Mv visuelle Helligkeit n Anzahldichte OBAFGKMRNS Spektraltypen der Sterne p Ausbeute an schweren Elementen (in Kernprozessen) P,Pe; Periode, Periode der epizyklischen Bewegung PGas, PeR, PMag Gasdruck, Druck der kosmischen Primärstrahlung, Magnetfelddruck P Strahlungsdruck rnd qo Beschleunigungsparameter r Abstand in sphärischen Polar koordinaten r, R Radius (allgemein) rs Radius eines Sterns R,Ro Skalenfaktor im Universum, sein heutiger Wert Ro Abstand der Sonne vom galaktischen Zentrum Rsm Schwarzschild -Radius 5 in Sternen steckende Masse t Zeit tH Hubble-Zeit tms Hauptreihen-Lebenszeit emes Sterns (engl. "mam sequence") Temperatur; kinetische Energie effektive Temperatur, Oberflächentemperatur emes Sterns u, v, W Geschwindigkeitskomponenten eines Sterns relativ zur Sonne u, v, W mittlere Geschwindigkeitskomponenten von Sternen Geschwindigkeitskomponenten der Sonnenbewegung U0, V0, Wo v Geschwindigkeit (allgemein) galaktische Rotationsgeschwindigkeit Vcirc Vesc Entweichgeschwindigkeit Geschwindigkeit des Gases VGas Radial- bzw. Tangentialgeschwindigkeit eines Sterns VR,VT Ve;, Vrp, Vz Geschwindigkeitskomponenten in Zylinderkoordina ten VrpQ Geschwindigkeit des Ursprungs des lokalen Bezugs systems (LSR) x, y, Z karthesische Koordinaten Z Rotverschiebung x Zusammenstellung wichtiger Symbole und Größen Z, ZI Massenanteil der schweren Elemente, gegenwärtiger Wert große Halbachse eines Späroids in galakt. Massen modell, Massenanteil in ,toten' Sternen elektrischer Widerstand Epizyklenfrequenz in schwere Elemente umgewandelter und ausge worfener Bruchteil der Masse eines Sterns, Wellenlänge A Halbwertsdicke der galaktischen Scheibe 11 Eigenbewegung eines Sterns 11,111 Massenanteil des Gases in einer Galaxie, gegenwärtiger Wert Auslenkung eines Sterns bezogen auf eine reine Kreis bahnbewegung W, ifJ,z Zylinderkoordinaten P Dichte Po kritische Dichte, bei der das Weltall abgeschlossen wäre mittlere Dichte Pgal PGas, PeR, PSterne Gasdichte, Dichte der Kosmischen Primärstrahlung, Sterndichte a Masse des Gases pro Flächeneinheit in der galaktischen Scheibe in Sternen gebundene (auskondensierte) Masse Stoßzeit Abklingzeit (Zerfallszeit) eines Magnetfeldes Gravitationspotential Winkelgeschwindigkeit Winkelgeschwindigkeit der galaktischen Rotation, am Ort der Sonne Spiralarmfrequenz Gravitationsenergie Quotient aus der Dichte des Weltalls und der kritischen Dichte Energie eines Elektrons der Kosmischen Primärstrah tff, tfftot lung, gesamte in diesen Elektronen gespeicherte Energie Angesichts der großen Zahl der benötigten Symbole und des Wunsches, übliche Standardbezeichnungen auch hier zu verwenden, werden einige Symbole mehrfach, mit unterschiedlicher Bedeutung benutzt. Die je weilige Bedeutung ergibt sich aus dem Zusammenhang.
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