Sterne: Aufbau und Entwicklung PDF
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Roger J. Tayler Sterne 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, Tiibingen Dr. Hans Michael Maitzen, Wien Prof. Dr. Rudolf Kippenhahn, Miinchen Dr. Hans Michael Maitzen, Wien Prof. Dr. Karl Rakos, ~ien Prof. Dr. Roman U. Sex!, Wien Dr. Werner W. Weiss, Wien J. Roger Tayler Sterne Aufbau und Entwicklung Mit 89 Bildem Ubersetzt von Hans Michael Maitzen Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Tayler, Roger J.: Sterne: Aufbau u. Entwicklung/Roger J. Tayler. Cbers. von Hans Michael Maitzen. [Hrsg. dieses Bd. Hans Michael MaitzenJ. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1985. (Spektrum der Astronomie) Einheitssacht.: The stars <dt.) ISBN 978-3-528-08463-9 ISBN 978-3-322-86265-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-86265-5 Dieses Buch ist die deutsche Ubersetzung von R. J. Tayler The Stars: their structure and evolution First published 1970 by Wykeham Publications Ltd., London. Reprinted 1972, 1974 and 1978 (with minor corrections) © 1978 R. J. Tayler Alle Rechte an der deutschen Ausgabe vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1985 Die Vervielfaltigung und Obertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. 1m Einzelfall muB uber die Zahlung einer Gebuhr fur die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt fUr die Vervielfaltigung durch alle Verfahren einschlieBlich Speiche rung und jede Obertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bander, Platten und andere Medien. Umschlaggestaltung: Horst Dieter Burkle, Darmstadt Satz: Vieweg, Braunschweig ISBN 978-3-528-08463-9 Inhaltsverzeichnis Vorwort ........................................... " VI Zusammenstellung wichtiger Symbole und GraBen ............ VIII 1 Einfiihrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Die beobachteten Eigenschaften der Sterne .,. . . . . . . . . . . . . . 9 3 Die Gleichungen des Sternaufbaus ................... . . .. 52 4 Die Physik des Sterninneren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92 5 Der Aufbau von Hauptreihensternen ..................... 127 6 Die fruhe Hauptreihen-Entwicklung und das Alter von Sternhaufen ........................................ 157 7 Die fortgeschrittenen Entwicklungsphasen ................ , 189 8 Die Endstadien der Sternentwicklung: WeiBe Zwerge, Neutronensterne und Gravitationskollaps ...... 206 9 S chluBfolgerungen und magliche zukunftige Entwicklungen ... 217 Erganzungen anlaBlich des vierten Nachdrucks der Originalausgabe 224 Anhang Thermodynamisches Gleichgewicht ................. 227 Weiterfuhrende Literatur ................................ 229 Sachwortverzeichnis .................................... 230 Vorwort Viele Zweige der Physik wie Gravitation, Thermodynamik, Atomphysik und Kernphysik tragen zur Bestimmung des inneren Aufbaus der Sterne bei. Die physikalischen Bedingungen sind in Sternen extremer als auf der Erde. Eine erfolgreiche Erforschung ihres Aufbaus sollte zeigen, in wieweit man die auf der Erde erprobten physikalischen Gesetze auf diese Bedingungen extrapolieren kann. Ein beachtlicher Fortschritt konnte bei der Erklarung der beobachteten Eigenschaften der Sterne bereits erzielt werden, viele Beobachtungen kannen aber noch nicht vollstandig gedeutet werden. Ein Hauptanliegen dieses Buches ist es, den Leser in ein sich entwickelndes Gebiet einzu fuhren und dabei die Unsicherheiten gegenwartiger Theorien ent sprechend herauszustellen. AuBer in einigen Sonderfallen, wie beispielsweise bei den Einheiten Parsec und Elektronenvolt, werden alle numerischen GraBen in SI Einheiten angegeben. Eine Liste der wichtigeren in diesem Buch be nutzten Symbole und ein Verzeichnis der numerischen Werte physika lischer Konstanten (mit der benatigten Genauigkeit) findet man auf den nachfolgenden Seiten. Da dies vermutlich das erste astronomische Buch ist, das SI-Einheiten benutzt, muB sich der Leser darauf einstellen, in anderer Literatur c.g.s.-Einheiten anzutreffen. Viele Autoren haben zu unserem gegenwartigen Wissensstand in der Sternentwicklung ,beigetragen, es erscheinen aber nur wenige Namen im Text, da es unmaglich ist, entsprechende Erwahnungen bei jedem Beitrag zum Gegenstand in einem Buch dieses Umfangs anzubringen. Die meisten meiner Diagramme beruhen auf den Resultaten anderer Astronomen, weswegen ich ihnen zu Dank verpflichtet bin. Mein Dank gilt D. H. Meyer fur das Anfertigen der Abbildungen und Frau Pearline Daniels fur die sqrgfaltige Herstellung des Manuskriptes. In besonderer Weise danke ich meinen "schoolmaster"-Mitarbeiter, Alan Everest, fur zahlreiche Anregungen, die zu wesentlichen Verbesserungen in diesem Buch gefuhrt haben. Vorwort VII Bemerkung zum vierten Nachdruck der Originalausgabe (1978) Obwohl dies nicht eine zweite Herausgabe darstellt, habe ich die Ge legenheit wahrgenommen, einige Anderungen oder Erklarungen im Text anzubringen und einen neuen Abschnitt anzuschliegen, in dem einige der bedeutendsten Weiterentwicklungen der Thematik seit 1970 kurz erwiihnt werden. Lewes, Januar 1978 R.]. Tayler ZusammensteUung wichtiger Symbole und Gr6flen Verzeichnis wichtiger Symbole Anzahl der Nukleonen im Kern Planck-Funktion (Plancksche Strahlungsformel) Energie z Neigungswinkel einer Doppelsternbahn L Leuchtkraft m scheinbare Helligkeit (S. 14), Molekulargewicht (S. 63), mittlere Teilchenmasse (S. 64), Massenanteil (S. 130) M absolute Helligkeit (GroBe) (S. 20), Masse (S. 56) n Anzahl von Teilchen pro Kubikmeter N Anzahl der Neutronen im Kern p Periode eines Doppelsternes (S. 25), Druck (S. 55) Q Kernbindungsenergie r Entfernung vom Sternmittelpunkt t Zeit T Temperatur Te effektive Temperatur U thermische Energie pro Masseneinheit U gesamte thermische Energie eines Sternes U,B, V lichtelektrische Sternhelligkeiten X, Y,Z Massenanteile von Wasserstoff, Helium und den schwereren Elementen Z Anzahl der Protonen im Kern 'Y Verhaltnis der spezifischen Warmen Energiefreisetzungsrate (Energieerzeugungsrate) € K. Opazitat A Wellenlange mittleres Molekulargewicht /l v Frequenz w Winkelgeschwindigkei t n potentielle Gravitationsenergie Die Indizes c, s und 0 beziehen sich auf die Werte beim Mittelpunkt bzw. an der Sternoberflache bzw. auf solare Werte. Zusammenstellung wichtiger Symbole und Groflen IX Fundamentale physikalische Konstanten a Konstante der Strahlungsdichte 7,55.10-16 J m3K-4 c Lichtgeschwindigkeit 3,00· lOB m S-l G Gravitationskonstante 6,67· 10-11 N m2 kg-2 h Plancksche Konstante 6,62· 10-34 J s k Boltzmannkonstante 1,38· 10-23 J K-1 me Elektronenmasse 9,11· 10-31 kg mH Masse des Wasserstoffatoms 1,67· 10-27 kg NA Loschmidt-Avogadrosche Zahl 6,02 . 1023 mol-1 a Stefan-Boltzmannsche Strahlungskonstante 5,67 .1O-BWm-2K-4 [Jf Gaskonstante (klmH) 8,26.103 JK-1 kg-1 Astronomische GroBen und Einheiten L0 Leuchtkraft der Sonne 3,90· 1026 W M0 Masse der Sonne 1,99· 1030 kg r0 Radius der Sonne 6,96· lOB m effektive Temperatur der Sonne 5780 K Te0 Parsec (Entfernungseinheit) 3,09· 1016 m Kapitell Einfiihrung Dieses Buch befaBt sich mit dem Aufbau und der Entwicklung, also mit der Lebensgeschichte der Sterne. Es solI zeigen, wie man aus den Beob achtungen stellarer Eigenschaften und den Erkenntnissen vieler Zweige der Physik unter Einsatz entsprechender mathematischer Verfahren ein unserer Meinung nach gutes Grundverstandnis dieses Themas erhalt. Da die Sterne so weit von uns entfernt sind, erscheint es uns zunachst ver wunderlich, etwas tiber ihre physikalischen Eigenschaften, ihren inneren Aufbau und sogar tiber ihre Entwicklung erfahren zu konnen. Die Mas sen und Radien von einigen wenigen Sternen kann man direkt (= geome trisch) bestimmen, aber bei den meisten Sternen ist die einzige Informa tionsquelle das Licht (Spektrum), das wir von ihnen empfangen. Es gibt AufschluB tiber die Temperatur, die chemische Zusammensetzung der iiuJSersten Sternscbicbten und den gesamten LichtausstoB (Leucbtkraft) der Sterne. Wir erhalten hingegen keinen direkten Hinweis tiber die physikalischen Bedingungen im Inneren der Sterne, ausgenommen viel leicht durch die im Sonnenzentrum ausgestrahlten Neutrinos (Kapitel4 und 6), die bis zur Erde gelangen und dort nachgewiesen werden konn ten. Die gesamte den Beobachtungen entnehmbare Information er scheint uns zu gering, urn den inneren Aufbau der Sterne zu einem be stimmten Zeitpunkt verstehen zu konnen. Ftir ganzlich ausgeschlossen wiirden wir es demnach halten, auch noch die Entwicklungsgeschichte des Sternaufbaus ableiten zu konnen, weil diese normalerweise in Zeit riiumen von Millionen und Milliarden Ja hren ablauft. Es gibt zwar einige Falle, bei denen man die (Weiter-)Entwicklung eines Sterns beobachten konnte, sie konnen aber kaum als Beispiele normaler Sternentwicklung angesehen werden. M,anche Sterne zeigen Massenverlust, andere andern ihre Helligkeit, und gelegentlich explodiert auf dramatische Weise ein Stern als Supernova, aber bei normalen Sternen konnen wir keine Ver anderung ihrer Eigenschaften feststellen.
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