Vorwort zur Fünften Auflage xvAus dem Vorwort zur Ersten Auflage xvii1 Bewegung von Himmelskörpern 11.1 Gravitation 11.2 Das Zweikörperproblem 21.2.1 Keplersche Gesetze 21.2.2 Bahnbestimmung 61.2.3 Kreisbahnen 71.2.4 Entweichgeschwindigkeit 71.2.5 Gezeitenkräfte 81.3 Mehr- und Vielteilchensysteme 91.3.1 Reduziertes Dreikörperproblem 91.3.2 Störungsrechung 111.3.3 Energieerhaltung und Virialsatz 121.4 Zur allgemeinen Relativitätstheorie 141.4.1 Grundzüge 141.4.2 Starke Gravitationsfelder 161.5 Koordinatensysteme 171.5.1 Das Horizontsystem 181.5.2 Äquatorialsysteme 181.5.3 Das Ekliptikalsystem 211.5.4 Das Galaktische System 211.5.5 Präzession und Nutation 221.5.6 Koordinaten-Änderung durch Präzession 241.6 Astronomie und Zeit 251.6.1 Die Sternzeit 251.6.2 Die wahre Sonnenzeit 251.6.3 Die mittlere Sonnenzeit 261.6.4 Ortszeit Zonenzeit Weltzeit 281.6.5 Das Jahr 281.6.6 Präzisionszeitmessungen 30
1.7 Sternörter 311.7.1 Sternbilder und Bezeichnungen von Sternen 311.7.2 Die Messung von Sternörtern 311.7.3 Die Aberration des Lichts 331.8 Die Parallaxe 341.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 1 362 Strahlung 392.1 Das elektromagnetische Spektrum 392.2 Astrophysikalische Messgrößen 402.2.1 Intensität und Strahlungsstrom 412.2.2 Die astronomische Magnitudenskala 422.2.3 Helligkeitssysteme 442.2.4 Farben 462.2.5 Weitere Messgrößen 472.3 Elementare Strahlungsprozesse 482.3.1 Emission und Absorption 482.3.2 Hohlraumstrahlung 502.3.3 Spektrallinien 532.3.4 Synchrotronstrahlung 542.4 Kosmische Teilchen und Gravitationswellen 552.4.1 Kosmische Strahlung und Teilchenströme 562.4.2 Neutrinos 572.4.3 Gravitationswellen 572.5 Ausbreitung von Strahlung 582.5.1 Absorption in Materie 582.5.2 Strahlungstransport 592.5.3 Dopplereffekt 612.6 Auswirkungen der Erdatmosphäre 612.6.1 Atmosphärische Transmission 622.6.2 Refraktion 632.6.3 Streuung 642.6.4 Szintillation und Seeing 652.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 2 663 Astronomische Instrumente 693.1 Teleskope 693.1.1 Grundlagen 693.1.2 Beugung 733.1.3 Abbildungsfehler 743.1.4 Auflösungsvermögen 753.1.5 Astronomische Teleskope 773.1.6 Spezielle Teleskoptypen 793.2 Detektoren 80
3.3 Beobachtungstechniken 833.3.1 Photometrie 833.3.2 Spektroskopie 853.3.3 Adaptive Optik 883.3.4 Interferometrie 903.3.5 Elektronische Bildverarbeitung 933.4 Observatorien 943.4.1 Bodengebundene Sternwarten 943.4.2 Radioobservatorien 963.4.3 Observatorien im Weltraum 973.5 Übungsaufgaben zu Kapitel 3 994 Das Sonnensystem 1014.1 Mitglieder und Dimensionen des Systems 1014.2 Bahnbewegungen 1034.2.1 Bahnen der Planeten 1034.2.2 Die Erdbahn 1054.2.3 Bahnen künstlicher Satelliten und Raumfahrzeuge 1064.3 Das System Erde-Mond 1084.3.1 Bewegung um die Erde 1084.3.2 Bewegung um die Sonne 1104.3.3 Rotation des Mondes 1114.3.4 Finsternisse 1114.4 Physik der Planeten 1134.4.1 Energiebilanz und Oberflächentemperaturen 1144.4.2 Stabilität und Zusammensetzung der Atmosphären 1184.4.3 Gesamtaufbau 1184.4.4 Auswirkung von Rotation 1214.4.5 Oberflächenformen terrestrischer Planeten 1234.5 Monde 1254.5.1 Stabilität im Gezeitenfeld 1254.5.2 Eigenschaften von Monden im Sonnensystem 1274.6 Kleine Körper im Sonnensystem 1284.6.1 Zwergplaneten und Plutoiden 1284.6.2 Asteroiden 1294.6.3 Trans-Neptun-Objekte 1304.6.4 Kometen 1304.7 Zur Entstehung des Sonnensystems 1334.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 4 1355 Charakteristische Beobachtungsgrößen von Sternen 1375.1 Strahlungsleistung 1375.1.1 Leuchtkraft 1375.1.2 Absolute Helligkeit 1385.1.3 Flächenhelligkeit und Effektivtemperatur 1395.2 Radius, Masse und hieraus abgeleitete Größen 1405.2.1 Sternradius 1405.2.2 Sternmasse 1425.2.3 Mittlere Dichte und Schwerebeschleunigung 1445.3 Sternspektren und Spektralklassifikation 1455.3.1 Definition der Spektralklassen 1465.3.2 Leuchtkraftklassen 1515.3.3 Praxis der Spektralklassifikation 1525.4 Rotation der Sterne 1545.5 Beziehungen zwischen verschiedenen Messgrößen 1575.5.1 Hertzsprung-Russell-Diagramm 1575.5.2 Farben-Helligkeits-Diagramm 1605.5.3 Masse-Leuchtkraft- und Masse-Radius-Beziehung für Hauptreihensterne 1625.6 Veränderliche Sterne 1645.7 Doppelsterne und Mehrfachsysteme 1665.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 5 1686 Die Außenschichten von Sonne und Sternen 1716.1 Die Außenschichten der Sonne 1716.1.1 Die Photosphäre 1716.1.2 Die Chromosphäre 1736.1.3 Die Übergangsregion zur Korona 1746.1.4 Die solare Korona 1756.1.5 Der Sonnenwind 1776.2 Die Aktivität der Sonne 1796.2.1 Sonnenflecken 1796.2.2 Eruptionen 1816.2.3 Radio- und Röntgenstrahlung der Sonne 1826.2.4 Das Magnetfeld der Sonne 1836.3 Sternaktivität 1856.3.1 Phänomene 1856.3.2 Stellare Dipolfelder 1876.4 Physik der Sternatmosphären 1876.4.1 Schichtung einer Sternatmosphäre 1876.4.2 Modellatmosphären 1906.5 Analyse von Sternspektren 1926.5.1 Absorptionsquerschnitt und Linienverbreiterung 1926.5.2 Anregung und Ionisation 1946.5.3 Absorptionskoeffizient und Sternspektren 1966.5.4 Stärke von Absorptionslinien 1976.5.5 Die chemische Zusammensetzung von Sternatmosphären 2006.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 6 203
7 Innerer Aufbau der Sterne 2057.1 Grundgleichungen des Sternaufbaus 2057.1.1 Massenverteilung 2067.1.2 Mechanisches Gleichgewicht und Virialsatz 2077.1.3 Energiesatz 2087.1.4 Energietransport 2107.1.5 Gesamtproblem 2117.2 Materialfunktionen 2127.2.1 Die Zustandsgleichung 2127.2.2 Der Absorptionskoeffizient 2147.3 Nukleare Energieerzeugung 2157.3.1 Wasserstoffbrennen 2177.3.2 Heliumbrennen 2187.3.3 Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumbrennen 2197.4 Einfache Sternmodelle 2217.4.1 Sternmodell für eine Sonnenmasse 2217.4.2 Hauptreihensterne 2237.4.3 Braune Zwerge 2267.4.4 Sterne mit Konvektion und die Hayashi-Linie 2267.4.5 Weiße Zwerge 2287.5 Beobachtungen des Inneren von Sternen 2307.5.1 Helio- und Asteroseismologie 2307.5.2 Solare und stellare Neutrinos 2317.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 7 2338 Sternentstehung und Sternentwicklung 2358.1 Sternentstehung 2358.1.1 Voraussetzungen für gravitativen Kollaps 2358.1.2 Ablauf des Kollaps 2378.1.3 Protosterne und Akkretionsscheiben 2388.1.4 Entwicklung bis zur Hauptreihe 2408.2 Hauptreihensterne 2428.2.1 Energiereservoire und Zeitskalen 2428.2.2 Sternentwicklung auf der Hauptreihe 2448.3 Von der Hauptreihe zum Riesenast 2458.3.1 Heliumbrennen 2458.3.2 Rote Riesen 2488.3.3 Vergleich mit Beobachtungen 2508.3.4 Pulsationsveränderliche 2538.4 Spätstadien der Sternentwicklung 2568.5 Endprodukte der Sternentwicklung 2588.5.1 Weiße Zwerge 2588.5.2 Supernovae 2598.5.3 Neutronensterne und Pulsare 2628.5.4 Schwarze Löcher 2658.6 Enge Doppelsternsysteme 2668.6.1 Äquipotentialflächen 2668.6.2 Massentransfer und Akkretionsscheiben 2678.6.3 Akkretionsscheiben um Weiße Zwerge 2698.6.4 Röntgendoppelsterne 2708.6.5 Zur Entwicklung enger Doppelsternsysteme 2728.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 8 2739 Extrasolare Planetensysteme 2759.1 Die Suche nach extrasolaren Planeten 2759.2 Nachweis von Exoplaneten: Radialgeschwindigkeiten 2769.2.1 Beschreibung der Methode 2779.2.2 Planeten auf exzentrischen Bahnen 2799.2.3 Systeme mit mehreren Planeten 2819.3 Weitere Methoden zum Nachweis von Exoplaneten 2829.3.1 Sternbedeckungen 2829.3.2 Astrometrische Suche 2839.3.3 Direkte Abbildung von Planeten 2849.3.4 Mikro-Gravitationslinseneffekt 2859.3.5 Planeten um Pulsare 2869.4 Eigenschaften von Exoplaneten 2869.4.1 Verteilung der Bahnparameter 2879.4.2 Massen, Radien und Dichten 2889.4.3 Temperaturen, Atmosphären, Oberflächen 2899.4.4 Eigenschaften der Zentralsterne 2909.4.5 Protoplanetare Scheiben 2919.5 Entstehung von Planetensystemen 2929.5.1 Bildung protoplanetarer Scheiben 2929.5.2 Planetesimale 2939.5.3 Entstehung der Planeten 2959.5.4 Entwicklung von Planetensystemen 2969.6 Leben im Weltall? 2979.6.1 Entwicklung von Leben auf der Erde 2979.6.2 Habitable Zonen in Planetensystemen 2989.6.3 Suche nach extraterrestrischem Leben 3009.6.4 Zur Wahrscheinlichkeit extrasolaren Lebens: Die Drake-Formel 3029.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 9 30310 Interstellare Materie 30510.1 Physikalische Besonderheiten des ISM 30510.1.1 Thermodynamisches Ungleichgewicht 30510.1.2 Druckgleichgewicht 30710.1.3 Phasen des interstellaren Mediums 30910.2 Das kühle interstellare Gas 31010.2.1 Die 21 cm-Linie des neutralen Wasserstoffs 310
10.2.2 Metalle im neutralen ISM 31210.2.3 Molekülwolken 31310.3 Das warme ISM 31610.3.1 H II-Regionen 31610.3.2 Planetarische Nebel 32010.3.3 Diffuses warmes Gas 32110.4 Das heiße interstellare Medium 32210.4.1 Nachweis des heißen Gases 32210.4.2 Supernovae und interstellare Stoßfronten 32210.5 Interstellarer Staub 32510.5.1 Interstellare Extinktion 32510.5.2 Thermische Strahlung des Staubs 32810.5.3 Herkunft und Zusammensetzung des Staubes 32910.6 Interstellare Kühlprozesse 33010.7 Der Materiekreislauf 33110.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 10 33211 Das Milchstraßensystem 33511.1 Struktur der Milchstraße 33511.1.1 Koordinaten und Geschwindigkeiten 33711.2 Entfernungsbestimmung 33811.2.1 Trigonometrische Parallaxen 33811.2.2 Dynamische Parallaxen 33911.2.3 Entfernung von Sternhaufen 34011.2.4 Standardkerzen 34111.3 Stellarstatistik 34211.3.1 Sterne der Sonnenumgebung 34311.3.2 Leuchtkraftfunktion 34411.3.3 Massenfunktion der Sterne 34511.3.4 Anzahl-Helligkeits-Relation 34711.3.5 Sternzählungen und Extinktion 34911.4 Rotation der Milchstraße 35011.4.1 Differentielle Rotation 35011.4.2 Die Rotationskurve der Milchstraße 35411.4.3 Massenverteilung der Milchstraße 35611.4.4 Stöße zwischen Sternen 35811.5 Komponenten des Milchstraßensystems 36111.5.1 Die galaktische Scheibe und die Spiralarme 36111.5.2 Der galaktische Halo 36411.5.3 Das Zentralellipsoid (Bulge) 36411.5.4 Das galaktische Zentrum 36511.6 Sternhaufen 36911.6.1 Offene Sternhaufen 36911.6.2 Kugelsternhaufen 37111.7 Sternpopulationen 37211.8 Zur Entstehung und Entwicklung der Milchstraße 37411.9 Übungsaufgaben zu Kapitel 11 37612 Galaxien 37912.1 Extragalaktische Entfernungsbestimmung 37912.1.1 Standardkerzen 38012.1.2 Die extragalaktische Entfernungsleiter 38212.1.3 Die Hubble-Beziehung 38312.2 Klassifikation von Galaxien 38512.3 Hubble-Schema 38612.3.1 Erweiterte Galaxienklassifikation 38812.4 Globale Eigenschaften 38912.4.1 Lineardimensionen und Leuchtkräfte 38912.4.2 Farben und Spektren 39112.4.3 Massen 39312.5 Dynamischer Aufbau von Galaxien 39412.5.1 Strukturen 39412.5.2 Rotationskurven von Spiralgalaxien 39612.5.3 Spiralarme 39812.5.4 Balkenspiralen 39912.5.5 Elliptische Galaxien 40012.5.6 Skalierungsrelationen für Galaxien 40212.5.7 Schwarze Löcher in Galaxienzentren 40312.6 Zeitliche Entwicklung von Galaxien 40412.6.1 Verlauf der Sternentstehung 40412.6.2 Materiekreislauf und chemische Entwicklung 40612.6.3 Leuchtkraftentwicklung 40712.6.4 Wechselwirkung zwischen Galaxien 40712.6.5 Galaxienverschmelzung 40912.6.6 Galaxien im jungen Universum 41112.7 Aktive Galaxienkerne und Quasare 41212.7.1 Seyfert-Galaxien 41312.7.2 Radiogalaxien 41312.7.3 Quasare 41512.7.4 Der extragalaktische Röntgenhintergrund 41712.7.5 Struktur von aktiven Galaxienkernen 41812.7.6 Energieerzeugung durch Akkretion 42012.7.7 Eddington-Leuchtkraft und Massenwachstum 42112.8 Übungsaufgaben zu Kapitel 12 42313 Die Verteilung der Materie im Universum 42513.1 Die Lokale Gruppe 42513.2 Die räumliche Verteilung von Galaxien 42813.2.1 Galaxienkataloge 42813.2.2 Gruppen, Haufen und Superhaufen 42813.3 Galaxienstatistik 43313.3.1 Anzahldichte und radiale Verteilung von Galaxien 43313.3.2 Leuchtkraftfunktion 43413.3.3 Entwicklung der Galaxienpopulation 43613.4 Galaxienhaufen 43713.4.1 Charakterisierung von Haufen 43713.4.2 Dynamik von Galaxienhaufen 44013.4.3 Massenbestimmung 44113.4.4 Zur Entwicklung von Galaxien in Haufen 44313.5 Dunkle Materie 44413.5.1 Das intergalaktische Medium 44513.5.2 Gravitationslinsen 44613.5.3 Nicht-baryonische Dunkle Materie 45013.6 Übungsaufgaben zu Kapitel 13 45214 Kosmologie 45314.1 Das empirische Fundament der Kosmologie 45314.1.1 Die Expansion des Universums 45314.1.2 Die kosmische Hintergrundstrahlung 45514.1.3 Olbers Paradox 45714.1.4 Das kosmologische Prinzip 45814.2 Weltmodelle 45814.2.1 Vorbetrachtung im Rahmen der klassischen Mechanik 45914.2.2 Raumkrümmung 46014.2.3 Grundgleichungen der Kosmologie 46214.2.4 Rotverschiebung und Distanzen 46614.3 Kosmologische Parameter 46814.3.1 Expansionsrate und kritische Dichte 46814.3.2 Materiedichte 46914.3.3 Strahlungsdichte 47014.3.4 Raumkrümmung 47014.3.5 Das Alter des Universums 47114.3.6 Dunkle Energie 47114.4 Der Urknall und das frühe Universum 47414.4.1 Bausteine des Kosmos 47414.4.2 Zeitabhängigkeit der kosmologischen Parameter 47514.4.3 Die Temperatur des Universums 47714.4.4 Der Hochenergiekosmos; Inflation 47914.4.5 Entstehung der leichten Elemente 48214.4.6 Die Entkopplung von Strahlung und Materie 48314.5 Die Entstehung von Galaxien 48414.5.1 Fluktuationen der Hintergrundstrahlung 48514.5.2 Wachstum von Dichtekontrasten 48614.5.3 Strukturbildung im Universum 48814.5.4 Kollaps und Galaxienentstehung 49014.5.5 Die ersten Sterne 49114.6 Die Zukunft des Weltalls 49314.7 Übungsaufgaben zu Kapitel 14 495Farbtafeln 497Anhang A 513A.1 Physikalische Konstanten und Einheiten 513A.2 Astronomische Daten 514A.2.1 Körper des Sonnensystems 514A.2.2 Entfernungen und kosmologische Parameter 515A.2.3 Charakteristische Größen von Sternen 516A.3 Lösungen der Übungsaufgaben 518Anhang B: Weiterführende Literatur 525Anhang C: Astronomische Seiten im Internet 529Anhang D: Abbildungs- und Quellennachweis 531Register 533