Astronomie

Neil F. Comins ist Professor für Physik und Astronomie an der University of Maine in Orono und hat zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten zur Physikdidaktik und zur theoretischen und beobachtenden Astronomie, insbesondere zur Allgemeinen Relativitätstheorie, zur Galaxienentwicklung und Computersimulation publiziert. Er ist durch den Lehrbuchklassiker - den er seit 1994 in der Nachfolge von B. Kaufmann weiterführt - und zahlreiche populärwissenschaftliche Beiträge im Fernsehen und Sachbüchern einem breiten Publikum international bekannt geworden, insbesondere durch sein ins Deutsche übersetzes Buch "Der Schweif des Kometen".

Vorwort.- 1. Erkunden des Nachthimmels. 1.1 Astronomische Entfernungen sind – nun: astronomisch. 1.2 Sternbilder erleichtern das Auffinden von Sternen, aber auch die Orientierung auf der Erde. 1.3 Die Himmelskugel ist bei der Orientierung am Himmel nützlich. 1.4 Die Rotation der Erde führt zum Tag-Nacht-Zyklus, und ihr Umlauf um die Sonne definiert das Jahr. 1.5 Die Jahreszeiten rühren von der Neigung der Erdachse und vom Erdumlauf um die Sonne her. 1.6 Die auf dem Sonnenstand basierenden Uhrzeiten führten zu beträchtlicher Verwirrung. 1.7 Kalender mit stets gleich langen Jahren wären unbrauchbar. 1.8 Die Mondphasen inspirierten die Vorstellung des Monats. 1.9 Finsternisse sind nur möglich, wenn der Mond bei Vollmond oder bei Neumond die Ekliptik kreuzt. 1.10 Es gibt drei Arten von Mondfinsternissen. 1.11 Es gibt auch drei Arten von Sonnenfinsternissen. 1.12 Was noch zu erforschen ist.- 2. Gravitation und die Bewegung von Planeten. 2.1 Die Naturwissenschaften sind ein Wissensschatz, aber auch ein Lernprozess beim Erkennen der Natur. 2.2 Die heliozentrische Kosmologie gewann nur langsam an Boden. 2.3 Kopernikus konzipierte die erste umfassende heliozentrische Kosmologie. 2.4 Tycho Brahes astronomische Beobachtungen widerlegten die alten Vorstellungen von der Himmelskugel. 2.5 Die Kepler’schen Gesetze beschreiben die Formen der Umlaufbahnen, die variablen Geschwindigkeiten und die Jahreslängen der Planeten. 2.6 Galileis Entdeckungen stützten das heliozentrische Weltbild. 2.7 Newton stellte drei grundlegende Bewegungsgesetze auf. 2.8 Newtons Beschreibung der Gravitationskraft erklärt die Kepler’schen Gesetze. 2.9 Sterne formen Materie um: von leichten Elementen in schwerere. 2.10 Die Einflüsse von Gravitationskräften, Rotation und Wärme formten das junge Sonnensystem. 2.11 Kollisionen im frühen Sonnensystem führten zur Entstehung von Planeten. 2.12 Kleine Bruchstücke aus der Entstehung des Sonnensystems existieren immer noch. 2.13 Vergleiche der acht Planeten zeigen ausgeprägte Ähnlichkeiten, aber auch signifikante Unterschiede. 2.14 Es wurden Planeten entdeckt, die andere Sterne umlaufen. 2.15 Staub und extrasolare Planeten umlaufen eine atemberaubende Vielfalt von Sternen. 2.16 Was noch zu erforschen ist.- 3. Licht und Teleskope. 3.1 Newton erkannte, dass weißes Licht keine Grundfarbe ist, und postulierte die Teilchennatur des Lichts. 3.2 Licht breitet sich mit endlicher, aber unglaublich hoher Geschwindigkeit aus. 3.3 Einstein zeigte, dass sich Licht auch wie ein Strom von Teilchen verhält, die Energie übertragen. 3.4 Sichtbares Licht ist nur eine Art elektromagnetischer Strahlung. 3.5 Spiegelteleskope verwenden Spiegel, um Sternenlicht zu fokussieren. 3.6 Teleskope liefern helle, vergrößerte Bilder mit guter Auflösung. 3.7 Das Aufnehmen und Untersuchen des Lichts von Himmelskörpern fördert unser Verständnis des Kosmos. 3.8 In Okularen, Linsenteleskopen, Ferngläsern und Brillen dienen Linsen zum Fokussieren des auftreffenden Lichts. 3.9 Sekundärspiegel blockieren teilweise den Lichteinlass, führen aber nicht zu Löchern im Bild. 3.10 Bei der Fertigung von Spiegeln und Linsen für Teleskope gibt es immer noch Fortschritte. 3.11 Unregelmäßigkeiten in der Atmosphäre stören die Astronomen. 3.12 Das Hubble-Teleskop zeigt atemberaubende Details des Universums. 3.13 Moderne Verfahren ermöglichen eine neue Generation terrestrischer Teleskope. 3.14 Im Radioteleskop werden Radiowellen mit einer großen konkaven Schüssel aufgefangen. 3.15 Bei Infrarot- und Ultraviolett-Teleskopen dient ebenfalls ein Spiegel zu Erfassen elektromagnetischer Strahlung. 3.16 Röntgen- und Gammateleskope erfassen die Strahlung nicht mit gewöhnlichen Spiegeln. 3.17 Die maximale Strahlungsintensität eines Körpers hat eine umso kürzere Wellenlänge, je heißer er ist. 3.18 Die relativen Intensitäten der einzelnen Farben offenbaren die Temperatur eines Sterns. 3.19 Jedes chemische Element hat seinen einmaligen Satz von Spektrallinien. 3.20 Die Art des Spektrums hängt von den Bedingungen in seiner Quelle ab. 3.21 Im Atom ist ein kleiner, sehr dichter Kern von Elektronen umgeben. 3.22 Spektren entstehen, wenn Elektronen Photonen mit ganz bestimmten Wellenlängen aufnehmen oder abgeben. 3.23 Spektrallinien verschieben sich bei Relativbewegungen von Quelle und Beobachter. 3.24 Was noch zu erforschen ist.- 4. Erde und Mond. 4.1 Die Atmosphäre der Erde entwickelte sich in Jahrmilliarden. 4.2 Die Plattentektonik verändert das Antlitz der Erde. 4.3 Die Erde besteht aus einem Gesteinsmantel und einem eisenreichen Kern. 4.4 Das Erdmagnetfeld schirmt uns vom Sonnenwind ab. 4.5 Die Oberfläche des Monds ist von Kratern, „Meeren“ und Bergen bedeckt. 4.6 Die Mondlandungen halfen, die Geschichte des Monds aufzuklären. 4.7 Der Mond entstand wahrscheinlich aus Felstrümmern, die ins All geschleudert wurden, als ein riesiger Asteroid die junge Erde traf. 4.8 Die Gezeiten spielten in der Geschichte von Erde und Mond mehrere wichtige Rollen. 4.9 Der Mond entfernt sich von der Erde. 4.10 Frontiers.- 5. Die anderen Planeten und ihre Monde. 5.1 Fotos der Sonden Mariner 10 und Messenger zeigen, dass die Oberfläche des Merkur ähnlich wie die des Erdmonds aussieht. 5.2 Merkur enthält einen größeren Anteil Eisen als die Erde. 5.3 Die Eigenrotation des Merkur und sein Umlauf um die Sonne sind gekoppelt. 5.4 Merkur hat die dünnste Atmosphäre aller erdähnlichen Planeten. 5.5 Venus ist vollständig in eine ewige Wolkendecke gehüllt. 5.6 Der Treibhauseffekt heizt die Venus auf. 5.7 Auf der Venus gibt es sanfte Hügelketten, zwei „Kontinente“ und zahlreiche Vulkane. 5.8 Die Oberfläche des Mars ist geprägt von Ebenen, Schluchten, Kratern und Vulkanen. 5.9 Auf dem Mars gibt es zwar keine Kanäle, aber einige andere kuriose Naturerscheinungen. 5.10 Das Innere des Mars ist fester als das Innere der Erde. 5.11 Mars hat eine dünne, oft sehr staubige Lufthülle. 5.12 Die Oberflächengestalt des Mars lässt vermuten, dass hier einst Wasser floss. 5.13 Die Suche nach Mikroorganismen auf dem Mars geht weiter. 5.14 Die beiden Monde des Mars sind keine Kugeln, sondern Kartoffeln. 5.15 Durch den Vergleich der Planeten gewinnt man neue Erkenntnisse. 5.16 Die äußere Schicht des Jupiter ist ein dynamisches, von Stürmen und wirbelnden Gasen durchzogenes Gebiet. 5.17 Das Innere des Jupiter besteht aus vier Schichten. 5.18 Kometeneinschläge erlauben Einblicke in die Jupiteratmosphäre. 5.19 Ios Oberfläche wird von Vulkanen geformt. 5.20 Unter der Oberfläche von Europa gibt es offenbar flüssiges Wasser. 5.21 Ganymed ist größer als Europa. 5.22 Kallisto trägt die Narben des Einschlags eines großen Asteroiden. 5.23 Felstrümmer und Staub umrunden den Jupiter als kleinere Monde und schwache Ringe. 5.24 Hinsichtlich Atmosphäre, Oberfläche und innerem Aufbau ist Saturn dem Jupiter ähnlich. 5.25 Saturns spektakuläre Ringe bestehen aus Eissplittern und eisüberzogenen Felsbrocken. 5.26 Auf dem Titan gibt es eine dicke Atmosphäre, Wolken und Seen, die mit Flüssigkeit gefüllt sind. 5.27 Aus Enkeladus strömender Wasserdampf verändert das Magnetfeld des Saturn. 5.28 Auf Uranus ist es bewölkt und dunstig. 5.29 Uranus ist von einem System aus Ringen und Satelliten umgeben. 5.30 Neptun wurde entdeckt, weil man wusste, dass es ihn geben muss. 5.31 Neptun besitzt ein Ringsystem und hat die meisten seiner Monde eingefangen. 5.32 Ein Vergleich der äußeren Planeten. 5.33 Frontiers.- 6. Vagabunden des Sonnensystems. 6.1 Pluto und sein Mond Charon sind ungefähr gleich groß. 6.2 Ceres ist ein Zwergplanet im Asteroidengürtel; Eris, Makemake und Haumea sind Zwergplaneten im Kuiper-Gürtel. 6.3 Die Umlaufbahnen der meisten Asteroiden liegen zwischen Mars und Jupiter. 6.4 Jupiters Gravitation reißt Lücken in den Asteroidengürtel. 6.5 Auch außerhalb des Hauptgürtels gibt es Asteroiden. 6.6 Die Kometen stammen aus den Außenbezirken des Sonnensystems. 6.7 Gase und Staub, die von der Sonne weggeblasen werden, bilden die Kometenschweife. 6.8 Kometen sind zerbrechlich, aber trotzdem dauerhaft. 6.9 Kometen leben nicht ewig. 6.10 Das Sonnensystem ist von Steinchen durchsetzt. 6.11 Meteoriten sind Fragmente, die auf den Erdboden fallen. 6.12 Der Allende-Meteorit und das Tunguska-Ereignis sind Indizien für Explosionskatastrophen. 6.13 Einschläge von Asteroiden führten auf der Erde zu Massenaussterben. 6.14 Frontiers.- 7. Die Sonne, unser besonderer, ganz gewöhnlicher Stern. 7.1 Die sichtbare „Oberfläche“ der Sonne ist die Photosphäre. 7.2 Die Chromosphäre ist von Plasmaströmen, den Spikulen, gekennzeichnet. 7.3 Mit zunehmender Höhe steigt die Temperatur der Sonnenatmosphäre. 7.4 Aus Sonnenflecken kann man auf den Sonnenzyklus und die Rotation der Sonne schließen. 7.5 Die Sonnenflecken werden vom Magnetfeld der Sonne erzeugt. 7.6 Das Magnetfeld der Sonne verursacht auch andere atmosphärische Phänomene. 7.7 Im Kern der Sonne setzen thermonukleare Reaktionen Energie frei. 7.8 Das Sonnenmodell beschreibt, wie die Energie aus dem Kern der Sonne nach außen dringt. 7.9 Das Geheimnis der fehlenden Neutrinos inspirierte zu neuen Untersuchungen der Natur der Materie. 7.10 Frontiers.- 8. Sterne und ihre Eigenschaften. 8.1 Die Entfernungen nahegelegener Sterne werden anhand ihrer Parallaxe bestimmt. 8.2 Die scheinbare Helligkeit ist ein Maß für die Helligkeit von Sternen, wie wir sie von der Erde aus sehen. 8.3 Absolute Helligkeiten und Leuchtkräfte hängen nicht von der Entfernung ab. 8.4 Die Farbe eines Sterns gibt Auskunft über seine Oberflächentemperatur. 8.5 Auch das Spektrum eines Stern besagt etwas über seine Oberflächentemperatur. 8.6 Sterne werden nach ihren Spektren klassifiziert. 8.7 Im Hertzsprung-Russel-Diagramm lassen sich verschiedene Gruppen von Sternen identifizieren. 8.8 Die Leuchtkraftklassen schaffen die Vorrausetzung für das Verständnis der Sternentwicklung. 8.9 Der Spektraltyp und die Leuchtkraftklasse eines Sterns ermöglichen ein zweites Verfahren für die Entfernungsmessung. 8.10 Doppelsterne geben Auskunft über die Massen von Sternen. 8.11 Bei Hautreihensternen lässt sich eine Beziehung zwischen der Masse und der Leuchtkraft formulieren. 8.12 Der Umlauf von Doppelsternen wirkt sich auf die Wellenlängen ihrer Spektrallinien aus. 8. 13 Was noch zu erforschen ist.- 9. Das Leben der Sterne – von der Geburt bis ins mittlere Alter. 9.1 Zwischen den Sternen liegen Gas und Staub. 9. 2 Supernovae, Kollisionen interstellarer Wolken und Sternenlicht sind Auslöser für die Entstehung neuer Sterne. 9. 3 Ein Protostern, der keine Masse mehr akkumuliert, wird zu einem Vor-Hauptreihenstern. 9. 4 Der Entwicklungsweg eines Vor-Hauptreihensterns hängt von seiner Masse ab. 9. 5 H-II-Gebiete beherbergen junge Sternhaufen. 9.6 Aus der Lage eines Sternhaufens im Hertzsprung-Russel-Diagramm kann auf sein Alter geschlossen werden. 9. 7 Die meiste Zeit ihres Lebens verbringen die Sterne auf der Hauptreihe. 9. 8 Die Masse Roter Zwerge wird im Wesentlichen vollständig in Helium umgewandelt. 9.9 Wenn die Geschwindigkeit des Wasserstoffbrennens im Kern eines Hauptreihensterns mit einer Masse von mehr als 0,4 Mʘ abnimmt, wird er zu einem Riesen. 9. 10 Das Heliumbrennen beginnt im Zentrum eines Riesen. 9. 11 Das Leben der Riesen hat Höhen und Tiefen. 9.12 Ein Cepheide pulsiert, weil er abwechselnd expandiert und kontrahiert. 9. 13 Mit den Cepheiden lassen sich gewaltige Entfernungen schätzen. 9.14 Kugelsternhaufen sind gebundene Gruppierungen alter Sterne. 9.15 Der Massentransfer in engen Doppelsternsystemen kann zur Entstehung ungewöhnlicher Doppelsterne führen. 9.16 Was noch zu erforschen ist.- 10. Wie Sterne sterben. 10.1 Massearme Sterne werden zu Überriesen und expandieren zu planetarischen Nebeln. 10.2 Der ausgebrannte massearme Stern wird zu einem Weißen Zwerg. 10.3 Weiße Zwerge in engen Doppelsternsystemen können starke Explosionen erzeugen. 10.4 Die Akkretion Weißer Zwerge in engen Doppelsternsystemen kann auch dazu führen, dass sie als Typ-Ia-Supernova explodieren. 10.5 Eine Folge von Fusionsreaktionen in massereichen Sternen führt zu Überriesen mit hoher Leuchtkraft. 10.6 Massereiche Sterne explodieren als gewaltige Supernovae. 10.7 Supernovareste sind an vielen Orten zu beobachten. 10.8 Kosmische Strahlung ist überhaupt keine Strahlung. 10.9 Bei der Supernova 1987A konnte der Tod eines massereichen Sterns genau verfolgt werden. 10.10 Die Kerne vieler Typ-II-Supernovae werden zu Neutronensternen. 10.11 Ein rotierendes Magnetfeld als Erklärung für die Impulse eines Neutronensterns. 10.12 Rotierende Neutronensterne führen nicht nur zu normalen Pulsaren, sondern zu weiteren exotischen Erscheinungen. 10.13 Neutronensterne haben eine innere Struktur. 10.14 Kollidierende Neutronensterne können für einen Teil der schweren Elemente im Universum verantwortlich sein. 10.15 Doppelneutronensterne erzeugen pulsierende Röntgenquellen. 10.16 Von Neutronensterne in Doppelsternsystemen können auch starke isolierte Röntgenstrahlungsausbrüche ausgehen. 10.17 Es könnte auch kleinere, noch exotischere Sternreste geben, die aus Quarks bestehen. 10.18 Die spezielle Relativitätstheorie führt zu einer neuen Konzeption von Raum und Zeit. 10.19 Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, wie Materie die Raumzeit krümmt und dabei die Gravitationsanziehung erzeugt. 10.20 Die Raumzeit lenkt das Licht ab. 10.21 Die allgemeine Relativitätstheorie macht Aussagen über das Schicksal der Kerne massereicher Sterne: Schwarze Löcher. 10.22 Materie in einem Schwarzen Loch ist viel einfacher als sonst im Universum. 10.23 Der Fall in ein Schwarzes Loch ist eine unendlich weite Reise. 10.24 Mehrere Doppelsternsysteme enthalten Schwarze Löcher. 10.25 Andere Schwarze Löcher haben Massen mit bis zu einer Milliarde Sonnenmassen. 10.26 Schwarze Löcher und Neutronensterne in Doppelsternsystemen führen häufig zur Entstehung von Gas-Jets. 10.27 Gamma-Ray-Bursts sind die stärksten Explosionen, die wir im Universum überhaupt kennen. 10.28 Schwarze Löcher verdampfen. 10.29 Was noch zu erforschen ist.- 11. Die Galaxien. 11.1 Untersuchungen der Cepheiden-Veränderlichen zeigten, dass die Milchstraße nur eine von vielen Galaxien ist. 11.2 Die Cepheiden helfen, das galaktische Zentrum zu bestimmen. 11.3 Beobachtungen in anderen Spektralbereichen als dem sichtbaren helfen, ein Bild von der Galaxienscheibe zu erlangen. 11.4 Der Kern der Galaxis ist ein aktiver überfüllter Ort. 11.5 Die Scheibe unserer Galaxis ist von einen kugelförmigen Halo aus Sternen und anderer Materie umgeben. 11. 6 Die Galaxis rotiert. 11. 7 Die meiste Materie in der Galaxis ist noch gar nicht entdeckt worden. 11.8 Die Krümmung der Arme einer Spiralgalaxie hängt mit der Größe ihres Zentralwulsts zusammen. 11. 9 Flockige Spiralgalaxien entstehen durch Explosionen, während Grand-Design-Spiralgalaxien durch Wellen erzeugt werden. 11.10 Durch die Zentralwülste von Balkengalaxien verlaufen Balken von Sternen. 11.11 Elliptische Galaxien treten in vielfältigen Größen und Massen auf. 11.12 Galaxien ohne globale Struktur heißen irregulär. 11.13 Hubble stellte Spiralgalaxien und elliptische Galaxien in einem Stimmgabeldiagramm dar. 11.14 Galaxien wachsen im Laufe der Zeit. 11.15 Galaxien treten in Haufen auf, die noch größeren Superhaufen angehören. 11.16 Galaxienhaufen können dicht oder schwach besetzt sein und eine reguläre oder irreguläre Form aufweisen. 11.17 Die Galaxien eines Galaxienhaufens können kollidieren und sich vereinigen. 11.18 Dunkelmaterie hilft, die Galaxienhaufen zusammenzuhalten. 11.19 Die Rotverschiebungen der Superhaufen besagen, dass das Universum expandiert. 11.20 Die Expansion des Universums in verschiedenen Entfernungen von der Erde wird mit unterschiedlichen Verfahren bestimmt. 11.21 Mit astronomischen Beobachtungen können wir auf die Zeit der Entstehung der ersten Galaxien zurückblicken. 11.22 Quasare sehen zwar wie Sterne aus, haben aber riesige Rotverschiebungen. 11.23 Ein Quasar emittiert aus einem kleinen Volumen eine gewaltige Energie. 11.24 Aktive Galaxien können entweder Spiralgalaxien oder elliptische Galaxien sein. 11.25 In den Zentren der meisten Galaxien liegen supermassive Schwarze Löcher. 11.26 Aktive Galaxien können mit Hilfe von Jets von Protonen und Elektronen gedeutet werden, die aus der Umgebung Schwarzer Löcher ausgestoßen werden. 11.27 Die Gravitation fokussiert das Licht von Quasaren. 11.28 Was noch zu erforschen ist.- 12. Kosmologie. 12.1 Die allgemeine Relativitätstheorie sagt ein expandierendes (oder kontrahierendes) Universum voraus. 12.2 Die Expansion des Universums führt zu einer Rotverschiebung. 12.3 Die Hubble-Konstante ist ein Maß für das Alter des Universums. 12.4 Es sind Reste des Urknalls entdeckt worden. 12.5 Das Universum besitzt zwei Symmetrien – Isotropie und Homogenität. 12.6 Anfangs waren alle Naturkräfte vereinigt. 12.7 Gleichungen erklären die Entwicklung des Universums schon bevor es Materie und Energie gab. 12.8 Die Inflation. 12.9 In der ersten Sekunde hat sich die meiste Materie und Antimaterie im Universum gegenseitig vernichtet. 12.10 Das Universum wird von einem strahlungsdominierten zu einem materiedominierten. 12.11 Aus riesigen primordialen Gaswolken sind Galaxien entstanden. 12.12 Die Sternentstehungsaktivität bestimmt die Anfangsstruktur einer Galaxie. 12.13 Die mittlere Materiedichte ist ein Faktor, der die Zukunft unseres Universums bestimmt. 12.14 Die Gesamtgestalt der Raumzeit beeinflusst die Zukunft des Universums. 12.15 Dunkelenergie führt zu einer Beschleunigung der Expansion des Universums. 12.16 Superstringtheorie. 12.17 Was noch zu erforschen ist.- 13. Astrobiologie. 13.1 Die Astrobiologie verknüpft den Kosmos mit den Ursprüngen des Lebens. 13.2 Die Existenz des Lebens hängt von physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie ab. 13.3 Indizien für die Existenz außerirdischen Lebens in unserem Sonnensystem häufen sich. 13.4 Auf der Suche nach hochentwickelten Zivilisationen werden Radiosignale ausgewertet. 13.5 Die Drake-Gleichung: Wie viele Zivilisationen gibt es in der Milchstraße? 13.6 Seit mehr als hundert Jahren schickt die Menschheit Botschaften ins All. 13.7 Frontiers.- Anhänge.- Glossar.- Antworten auf Fragen und Lösungen zu Rechenaufgaben in den Kapiteln.-