Das helle und das dunkle Universum: Was uns die Strahlung über Himmelsobjekte verrät

209 Pages·2017·9.672 MB·German

by  Arnold Hanslmeier (auth.)

Arnold Hanslmeier
Das helle und
das dunkle
Universum
Was uns die Strahlung über
Himmelsobjekte verrät
Das helle und das dunkle Universum
Arnold Hanslmeier
Das helle und das dunkle
Universum
Was uns die Strahlung über
Himmelsobjekte verrät
ArnoldHanslmeier
InstitutfürGeophysik
UniversitätGraz
Graz,Österreich
ISBN978-3-662-54241-5 ISBN978-3-662-54242-2(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-54242-2
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Vorwort
DiesesBuchhandeltüberLichtimUniversum.LichtistdasEinzige,waswirvon
fernenSternen,Galaxienmessenkönnen.ImGegensatzzuanderenWissenschaften
istdieAstrophysikaufpassiveBeobachtungangewiesen;wirkönnenmitMillionen
odergarMilliardenLichtjahreentferntenGalaxienkeineExperimentemachen.Da-
beiverstehenwirunterLichtnichtnurdasmitunseremAugesichtbareFensterdes
elektromagnetischenSpektrums,sondernauchRöntgenstrahlung,UV-Strahlungso-
wie Mikro- und Radiowellen. Wir können heute astronomische Objekte auf allen
Wellenlängenuntersuchen.Wodurchentsteht Röntgenstrahlungin derSonneoder
RadiostrahlungimKernunsererMilchstraße?WassagendieFarbenderSterneaus?
ImerstenKapitelgehenwirdenFragennach:WasistLicht?IsteseineWelle?
AberesgibtExperimente,diesichnurmitderAnnahmeerklärenlassen,dassLicht
ausTeilchenbesteht.DieBeantwortungdieserFragehatvölligneueEntwicklungen
derPhysikerfordertwiedieQuantenphysik.
Zur Beobachtung ferner Galaxien sind immer größere Teleskope erforderlich,
und wir geben im nächsten Kapitel einige Beispiele modernerGroßteleskope, so-
wohlvonerdgebundenenwieauchvonWeltraumteleskopen.WelcheErkenntnisse
erhofftmansichvondengeplantenneuenTeleskopen?
Astrophysiker leisten Detektivarbeit. Aus der Strahlung der Sterne können sie
InformationenüberdieTemperatur,dieZusammensetzung,dasAlterusw.erhalten.
Doch wie kann man aus der Zerlegung der Strahlung Informationen über Sterne
und ferne Galaxien gewinnen? Woher stammt das Licht der Sonne? Wie wird es
erzeugt?
Dann geht die Reise in die Tiefen des Universums, die gleichzeitig auch eine
Reise in die Vergangenheitist. Wir werfen einen Blick auf den Rand des Univer-
sumsundstellenunsdieFrage:Wieweitkönnenwirüberhauptbeobachten?
Neben der Quantenphysik hat natürlich die Relativitätstheorie unsere Physik
revolutioniert.HierspieltedieUntersuchungdesLichtseinewesentlicheRolle.Zu-
nächst versuchte man die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Wir zeigen an einem
lustigen Experiment, das jeder in seiner Küche durchführen kann, wie dies geht.
AberestauchenweitereFragenauf.DieEntfernungenzwischendenSternensind
unvorstellbar.KönnenwirmitLichtgeschwindigkeitreisen?Weshalbalternwirwe-
V
VI Vorwort
niger,wennwirschnellreisen?IstdiesreineFiktionoderüberprüfbar?Wassinddie
wichtigstenAussagenderRelativitätstheorie?
Schwarze Löcher kennen sicher viele der Leserinnen und Leser. Bedeuten sie
dasendgültigeSchicksalmassereicher Sterne?Was befindetsich im Zentrumvon
Galaxien?
WoLicht,daauchSchatten,heißtes.ImUniversumistesähnlich.EsgibtHin-
weise auf nichtleuchtende, dunkle Materie, auf Wellen, die sich völlig anders als
Lichtwellen verhalten, sowie auf Teilchen, die extrem leicht sind. Damit gehen
wir an die Grenzen der modernenAstrophysik. Erst vor Kurzem wurden Gravita-
tionswellennachgewiesen.WirbehandelndiewesentlichstenEigenschaftendieser
StörungenderRaumzeit,derenNachweisextremschwierigist.DerRaum,indem
sich Licht ausbreitet, wird durch Massen gekrümmt. Wir bringen einige Beispie-
le von Gravitationslinsen, aus denen sich auch die Existenz der dunklen Materie
herleitenlässt.
DasBuchrichtetsichanallenaturwissenschaftlichinteressiertenLeserinnenund
Leser.EsgibtauchzahlreicheFormelnunddurchgerechneteBeispiele.DieseFor-
melnundBeispielekönnen,ohnedassmandenZusammenhangverliert,überlesen
werdenoderdienenebenzurVertiefung.
IchbedankemichsehrherzlichbeiFrauDr.BirgitLemmererundFrauMag.Isa-
bellPiantschitschsowiebeiHerrnDr.PeterLeitnerfürKorrekturenundKommen-
tare.IchbedankemichauchfürdieausgezeichneteZusammenarbeitmitSpringer-
Spektrum,besondersmitFrauMeikeBarthundFrauMargitMaly.DieAbbildun-
gensindsoweitnichtandersgekennzeichnetfreiimInternetverfügbar.
Meiner Lebenspartnerin Anita danke ich für zahlreiche Diskussionen und ge-
meinsameSternabende,ebensomeinenKindernRoland,ChristinaundAlina.
Inhaltsverzeichnis
1 Licht–wasistdaseigentlich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 LichtalsWelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 WasisteineWelle? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 MathematischeBeschreibungvonWellen . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 ElektromagnetischeWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 ElektrischeundmagnetischeFelder. . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.5 DieMaxwell-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.6 OhneMagnetfeldkeinLeben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.7 LichtundelektromagnetischeWellen. . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.8 DieBeugungdesLichtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.9 Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.10 MitInterferenzmehrDetailsbeobachten . . . . . . . . . . . 18
1.2 LichtalsTeilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 NewtonundLicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 EinsteinundderFotoeffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.3 DieStrahlungeinesschwarzenKörpers . . . . . . . . . . . . 23
1.2.4 DerCompton-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.5 TeilchenentstehenausdemNichts . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.3 Licht:WelleoderTeilchenoderbeides? . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 NocheinExperiment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.2 DerWelle-Teilchen-Dualismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.3 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.4 PolarisationdesHimmels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4 Kohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.1 AufdiePhasekommtesan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.2 LaserundMaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.4.3 KosmischeMaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
2 DasLichteinsammeln:Teleskope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1 Teleskope:Grundprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1 DasLichtbündeln:Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.2 VonderLinsezumTeleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.3 Linsen-oderSpiegelteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.4 Teleskop:Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.5 Montierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2 ModerneerdgebundeneObservatorien . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.1 DieWahldesBeobachtungsstandortes . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.2 Sonnenteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.3 GroßteleskopezurNachtbeobachtung . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.4 DieErdatmosphäreüberlisten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.5 ZukünftigeGroßteleskope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.3 TeleskopeimWeltraum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.3.1 Vor-undNachteilevonWeltraumteleskopen . . . . . . . . . 61
2.3.2 DasHubble-Weltraumteleskop,HST . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.3 DasKepler-Teleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3.4 Gaia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.5 DasJames-Webb-Teleskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.3.6 VergleichdermodernenGroßteleskope . . . . . . . . . . . . 71
3 Licht–dieBotschaftderSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1 DaselektromagnetischeSpektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.1 DasmenschlicheAuge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.2 DasSpektrum:WirzerlegendasLicht . . . . . . . . . . . . . 74
3.2 VondenRöntgenstrahlenzudenRadiowellen . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.1 Röntgenstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2 Röntgenteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.2.3 Radioteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 Farbe:heißeundkalteSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 DieStrahlungbeschreiben,schwarzerKörper . . . . . . . . 81
3.3.2 DieStrahlungsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.3 WarumExoplanetensoschwerzufindensind . . . . . . . . 83
3.4 Emissions-undAbsorptionslinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.1 ZerlegungdesLichtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.2 DasWasserstoffspektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.4.3 VerschobeneLinien:DerDoppler-Effekt . . . . . . . . . . . 87
3.4.4 DasUniversumdehntsichaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5 HelligkeitenundStrahlungderSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.1 DieHelligkeitenderSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.5.2 AusLichtdieEntfernungbestimmen . . . . . . . . . . . . . . 90
3.5.3 DieTemperaturenderSternemessen . . . . . . . . . . . . . . 91
3.5.4 ZusammensetzungderSterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.6 SternenachihrerStrahlungklassifizieren. . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6.1 DasHertzsprung-Russell-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . 93
3.6.2 Spektralklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Inhaltsverzeichnis IX
3.6.3 LebensdauereinesSternes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.6.4 Masse-Leuchtkraft-BeziehungundEntwicklungderSterne 95
4 WoherkommtdasLichtderSonne? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1 DieSonne–einnormalerStern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.1 DieOberflächederSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 DunkleFlecken–helleFackeln . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.1.3 Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 DerAufbauderSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.1 DasSonneninnere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.2 DieSonne–einFusionsreaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.3 EnergietransportdurchStrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.4 Die Mitte-Rand-Variation oder;Es wird nach innen hin
heißer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3 EineTomografiederSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.1 DieAtmosphärederSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.2 AtomeverlierenElektronen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.3 TemperaturverlaufinderSonnenatmosphäre . . . . . . . . . 107
4.4 DieaktiveSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.1 Sonnenaktivitätszyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.4.2 DasWeltraumwetter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5 EineReiseindieVergangenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1 SterneundEntfernungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.1 EntfernungenderSterne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.2 VermessungvoneinerMilliardeSterne . . . . . . . . . . . . 115
5.2 UnsereNachbarschaft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.1 DernächsteStern... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.2.2 EineReisezuAlphaCentauri . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2.3 DieUmgebungderSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3 Galaxien-BausteinedesUniversums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.1 WiegroßistdasUniversum? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.2 DieMilchstraße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.3 DurchdenStaubhindurchsehen:dasgalaktischeZentrum . 125
5.3.4 DasLichtunddasAlterderSterne . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.5 GalaxienundGalaxienhaufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3.6 Galaxienstoßenzusammen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4 DiejüngstenObjekteimUniversum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4.1 VonderErdezumMond. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4.2 EntfernungenimSonnensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4.3 JungeGalaxienundRotverschiebung. . . . . . . . . . . . . . 135
5.4.4 EntfernungenundExpansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.5 BlickzumRandedesUniversums? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.5.1 DasHubbleDeepField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.5.2 WieweitsiehtmanGalaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
X Inhaltsverzeichnis
5.6 Wieweitsiehtman?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.6.1 DasAlterdesUniversums. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.6.2 DasUniversumundderKühlschrank . . . . . . . . . . . . . . 144
5.6.3 AlsdasUniversumdurchsichtigwurde. . . . . . . . . . . . . 145
5.6.4 DieHintergrundstrahlungwirdgemessen . . . . . . . . . . . 146
6 LichtgeschwindigkeitundRelativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1 DieMessungderLichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1.1 ErsteVersuchevonGalilei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1.2 DieZahnradmethodevonFizeau . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.1.3 VerfinsterungderJupitermonde . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.1.4 EineTafelSchokoladeunddieLichtgeschwindigkeit . . . . 155
6.1.5 DieAberration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
6.2 RelativitätstheorieundLichtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . 157
6.2.1 WiebreitetsichLichtaus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2.2 GrundpostulatederRelativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . 159
6.2.3 SchwarzeLöcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.2.4 SindschwarzeLöcherendgültig? . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.2.5 HoheGeschwindigkeitenundZeitdilatation? . . . . . . . . . 163
6.2.6 ReisezudenSternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.7 Längenkontraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2.8 Lorentz-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.9 AdditionvonGeschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.10 ReisendurchRaumundZeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.11 RelativistischeMassenzunahme . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.12 Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3 RelativitätstheorieundRaumkrümmung . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.1 SpezielleundallgemeineRelativitätstheorie . . . . . . . . . 170
6.3.2 Raumkrümmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7 DasdunkleUniversum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1 DunkleMateriebeobachten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1.1 ErsteVermutungenderExistenzdunklerMaterie . . . . . . 173
7.1.2 GalaktischeRotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
7.1.3 Gravitationslinsen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.2 WasistdunkleMaterie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.1 EigenschaftendunklerMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.2.2 BaryonischedunkleMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2.3 NichtbaryonischedunkleMaterie . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.2.4 MOND-Hypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.3 Neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.3.1 EigenschaftenderNeutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.3.2 NeutrinosvonderSonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
7.3.3 NeutrinosvonSupernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182