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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch bietet einen verständlichen Einstieg in die physikalischen Grundlagen der Vorgänge in unserem Universum. Die ersten Kapitel spannen einen Bogen von den Beobachtungsmöglichkeiten astrophysikalischer Größen, der kosmischen Strahlung, Sternaufbau und Sternentwicklung bis hin zur Galaxienentstehung und -modellierung. Anschließend werden die Grundlagen der Allgemeinen Relativitätstheorie und unterschiedliche Phänomene wie Gravitationswellen und Schwarze Löcher behandelt. Den Abschluss bildet eine Einführung in die Kosmologie: Neben traditionellen homogenen Ansätzen findet in dieser Neuauflage insbesondere auch die inhomogene Kosmologie einen breiteren Raum. Aktuelle Inflationsmodelle werden vorgestellt.

Das Buch richtet sich an Studierende der Physik auf Lehramt oder Bachelor und Master, aber auch naturwissenschaftlich interessierte Personen mit mathematisch-physikalischem Grundwissen bietet es eine gut verständliche und lesbare Einführung.

In der vorliegenden dritten Auflage wurden alle Kapitel grundlegend überarbeitet, neustrukturiert und mit aktuellen Erkenntnissen aus Astrophysik, Kosmologie und Astronomie auf den neuesten Stand gebracht.

Inhalte

Einige wichtige physikalische Grundlagen – Beobachtungsmöglichkeiten - Kosmische Strahlung - Sternaufbau und Sternentwicklung - Endstadien brennender Sterne – Galaxien - Newton'sche Kosmologie - Rechenregeln der ART - ART-Effekte - Relativistische Sterne und Sterndynamik- Homogene Kosmologie - Beobachtungen und Interpretationsansätze – Inflation - Inhomogene Kosmologie

Der Autor

Karl-Heinz Spatschek war von 1975 bis 2010 Professor für Theoretische Physik an den Universitäten Essen und Düsseldorf und arbeitete mit dem Forschungszentrum Jülich auf dem Gebiet der Plasmaphysik zusammen, engagiert sich heute in der Forschung über Laser-Plasma-Wechselwirkung und hält regelmäßig Vorlesungen über Astrophysik an der Universität Düsseldorf.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Einführung in die moderne Astrophysik

Frontmatter

Kapitel 1. Einige wichtige physikalische Grundlagen

Zusammenfassung
Das erste Kapitel behandelt physikalische Grundlagen, die an mehreren Stellen in die spätere Behandlung der Astrophysik eingehen werden. Wir machen uns mit den verschiedenen Zeit- und Ortsskalen vertraut. Da sie sehr viele Größenordnungen überdecken, sind recht unterschiedliche Modellierungen nötig. In vielen Fällen ist eine klassische Beschreibung noch angebracht, doch wir stoßen auch oft auf deren Grenzen und müssen quantenmechanisch rechnen. Die elektromagnetische Strahlung liefert uns zurzeit die wesentlichen Informationen von entfernten Objekten. Deshalb ist es angeraten, schon sehr früh unsere Kenntnis des Strahlungstransports zusammenzufassen.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 2. Beobachtungsmöglichkeiten

Zusammenfassung
Die Beobachtungen der elektromagnetischen Strahlung, der Teilchenstrahlung und der Gravitationswellen liefern Informationen über die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Himmelskörper und die dort ablaufenden Prozesse. Eine der wichtigsten Aufgaben astronomischer und astrophysikalischer Forschung ist dabei die Einordnung der Objekte in Raum und Zeit (Kitchin, Astronomical techniques. IoP Publishing, 2003).
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 3. Kosmische Strahlung

Zusammenfassung
Die kosmische Strahlung (Höhenstrahlung) besteht hauptsächlich aus voll ionisierten Atomkernen (ca. 98 %). Daneben finden sich noch als wesentliche Komponenten Elektronen (ca. 2 %). Der Ursprung der kosmischen Strahlung ist nicht genau bekannt. Man nimmt an, dass ein sehr großer Anteil aus der Milchstraße stammt. Als extragalaktische Quellen kommen aktive Galaxienkerne, Radiogalaxien und Gamma Ray Bursts infrage. Der Nachweis erfolgt überwiegend indirekt. Die Entstehung und Beschleunigung kosmischer Primärteilchen ist ein sehr aktives Forschungsgebiet.  
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 4. Sternaufbau und Sternentwicklung

Zusammenfassung
In diesem recht umfangreichen Kapitel stellen wir die Grundgleichungen zur Berechnung des prinzipiellen Sternaufbaus zusammen. Es muss allerdings betont werden, dass hier nur ein recht grobes Bild vorgestellt werden kann. Mit detaillierten Sternmodellen befassen sich weltweit zahlreiche Forschungsinstitute. Zunächst stellen wir ein einfaches Modell für leuchtende (durch Kernfusion „brennende“) Sterne vor. Anschließend diskutieren wir stellare Energiequellen. Unsere Sonne ist, aus verständlichen Gründen, der bestuntersuchte leuchtende Stern. Wichtige Ergebnisse der Sonnenphysik werden kurz vorgestellt. Der Übergang zu anderen möglichen Sterntypen erfordert die genauere Analyse der Zustandsgleichungen. Nach dem Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten verlassen wir die stationäre Näherung und schauen uns Strukturbildung und Sternanfänge genauer an.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 5. Endstadien leuchtender Sterne

Zusammenfassung
In diesem Kapitel gehen wir einen Schritt weiter und diskutieren die Sternentwicklung über den Anfangszustand hinaus. Abb. 5.1 gibt uns einen Überblick. Sterne werden nach einer Abkühlung des Universums aus Staub geboren. Das ist in der Startpunkt oben in der Abbildung. Wir schreiten dann im Uhrzeigersinn weiter fort. Der mögliche Gravitationskollaps von Gas- oder Staubwolken führte zu einer Strukturierung des Universums. Es ist zu vermuten, dass sich zunächst große Strukturen formten (die noch in den Galaxien erkennbar sind) und die anschließende Fragmentierung zu kleineren Strukturen führte. Nach ihrer Entstehung in Form von Protosternen beginnen Sterne recht stabil zu leuchten (brennen), sofern sie innerhalb der bereits diskutierten Massengrenzen liegen. Aber das Brennen kann nicht ewig dauern, da der Brennstoffvorrat beschränkt ist. „Sterbende Objekte“ wandeln sich weiter um. Die ersten, allerdings auch für astronomische Verhältnisse recht langlebigen „Zwischenzustände“ behandeln wir in diesem Kapitel. Verschiedene Formen stehen dabei im Vordergrund. Wir diskutieren kompakte Objekte wie Weiße Zwerge und Neutronensterne, aber auch Quasare und Schwarze Löcher. Aber letztlich werden auch diese Zustände sich weiter verändern. Zum Teil werden sie explodieren oder durch Abstrahlung und Kernzerfall ihre Struktur aufgeben. Bei den meisten kompakten Objekten findet sich die Erkenntnis wieder: „Aus Staub geboren, zu Staub geworden.“ So schließt sich der Kreis.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 6. Galaxien

Zusammenfassung
Nach den einzelnen kompakten Objekten und sonnenähnlichen Sternen sind die Galaxien die nächstgrößeren strukturierten Objekte, die hier vorgestellt werden. Wir beginnen mit unserer Galaxis (Milchstraße) und wenden uns dann der Klassifizierung der Galaxienfülle zu [3, 36]. Anschließend fassen wir Hinweise auf die Existenz Dunkler Materie zusammen und stellen das wichtige neue Arbeitsgebiet der numerischen Modellierung mittels \(\Lambda \)CDM-Modelle vor. Das führt letztendlich zu der Frage der Einbettung von Galaxien in das Universum. 
Karl-Heinz Spatschek

Einführung in die Allgemeine Relativitätstheorie

Frontmatter

Kapitel 7. Rechenregeln der ART

Zusammenfassung
In diesem Kapitel folgt der Versuch, die „Essentials“ der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) – soweit sie für erste praktische Rechnungen unbedingt nötig sind – auf wenigen Seiten zusammenzufassen. Dabei beziehe ich mich auf die sehr empfehlenswerten Bücher von Steven Weinberg [44–46]. Diese kurze Zusammenfassung kann selbstverständlich keinen Theoriekurs über ART ersetzen. Wenn man jedoch die ART hier nur auf ihre Rechenregeln reduziert, ohne auf ein tieferes Verständnis der Grundlagen und Konzepte zu zielen, lässt sich damit schon eine ganze Menge auswerten.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 8. ART-EffekteARTEffekt

Zusammenfassung
In diesem Kapitel diskutieren wir einige der grundlegend neuen Ergebnisse der ART, die selbst in der allgemeinen Öffentlichkeit stichwortartig bekannt sind. Gemeint sind Effekte wie Periheldrehung des Merkurs, Lichtablenkung im Schwerefeld und Gravitationswellen. Wenn wir uns damit befassen, „was um Sterne herum passiert“, spielt die Schwarzschild-Metrik eine besondere Rolle. Wir erörtern Fragen, wie sich Planeten und Licht im Außenbereich des Sterns in einer allgemein-relativistischen Beschreibung verhalten.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 9. Relativistische Sterndynamik

Zusammenfassung
In diesem Kapitel beleuchten wir die Einflüsse der ART auf die Objekte im Universum. Das betrifft einerseits den Aufbau von Sternen und kompakten Objekten. Andererseits haben wir bereits die Existenzbereiche stabiler Objekte diskutiert. Die ART wird in vielen Bereichen zwingend notwendig, wenn eine Dynamik hin zu kollabierenden Strukturen einsetzt. Bekanntestes Beispiel ist ein Schwarzes Loch, dessen Eigenschaften hier ebenfalls beleuchtet werden.
Karl-Heinz Spatschek

Einführung in die Kosmologie

Frontmatter

Kapitel 10. Homogene Kosmologie

Zusammenfassung
Kosmologie ist die Theorie vom Universum insgesamt. Wir unterscheiden zwischen homogener und inhomogener Kosmologie. Die homogene Kosmologie ist die „klassische“ Form, in der der Kosmos als völlig homogen und isotrop vorausgesetzt wird. Dabei wird die Robertson-Walker-Metrik verwendet. Die inhomogene Kosmologie berücksichtigt Dichte- und Temperaturschwankungen. Wir beginnen mit der homogenen Kosmologie.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 11. Primordiale Nukleosynthese

Zusammenfassung
In diesem Kapitel beschreiben wir, wie Theorien und Beobachtungen zu einem konsistenten Bild für die charakteristischen Parameter eines Weltmodells führen können bzw. das geschilderte Big-Bang-Szenario stützen. Wir beginnen mit dem „ältesten“ Argument für die Richtigkeit von Big-Bang-Weltmodellen, das auf einer Vorhersage für die Nukleosynthese beruht. Abb. 11.1 greift Abb. 10.14 auf und zeigt weitere Möglichkeiten für die Überprüfung eines Big-Bang-Weltmodells, die in den folgenden Kapiteln vorgestellt werden:
  • SNe („Supernovae Surveys“ auf der Basis einer Supernova-Rotverschiebung-Helligkeit-Beziehung),
  • CMB (Analyse der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung),
  • BAO (Strukturanalyse mit baryon acoustic oscillations als „Galaxy Surveys“), die allerdings erst ganz zum Schluss in Kap. 15 diskutiert wird.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 12. Supernovae Surveys

Zusammenfassung
Eine wichtige Informationsquelle über die Zusammensetzung des Materiehaushalts des Universums sind Auswertungen von Supernovae-Explosionen. Sie trugen wesentlich dazu bei, die beschleunigte Expansion des Universums nachzuweisen und die Menge Dunkler Energie zu quantifizieren. In diesem Kapitel erläutern wir, wie eine detaillierte Rotverschiebung-Abstand-Beziehung Auskunft über den Beschleunigungsparameter geben kann.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 13. Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel geben wir einen kurzen Überblick über Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung (cosmic microwave background [CMB] radiation) und Schlussfolgerungen aus den Daten. Seit der ersten Messung 1956 bis zu den neuesten Daten von Planck sind viele Jahre vergangen, in denen sich die CMB-Analyse zum schärfsten Werkzeug bei der Erforschung des frühen Kosmos entwickelt hat. 
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 14. Inflation

Zusammenfassung
Die moderne Kosmologie fügt in die Entwicklung des Universums eine kurze „Episode“ der Inflation ein, um grundsätzliche Probleme des „klassischen“ Urknallmodells zu beheben. Die sehr frühe Phase der exponentiellen Expansion des Universums soll zur GUT-Zeit stattgefunden haben. Besonders spannend ist momentan die Frage, ob das durchaus spekulative Modell der Inflation, das zwar viele grundsätzliche Probleme der Kosmologie beheben kann, außer durch Theorie auch durch Beobachtungen gestützt wird. Dieses Kapitel gibt einen kurzen Abriss der neuen Entwicklungen, soweit sie die homogene Kosmologie betreffen. Quantenfluktuationen um ein klassisches Inflatonfeld werden in Kap. 15 behandelt.
Karl-Heinz Spatschek

Kapitel 15. Inhomogene Kosmologie

Zusammenfassung
Das Universum ist auf kleinen Skalen (\({<}10\) Mpc) recht inhomogen. Sterne, Planeten, Galaxien etc. haben sich gebildet. Inhomogenitäten sehen wir bereits in den CMB-Spektren. Zwar war das Universum zur Zeit der Photonenentkopplung wesentlich homogener als heute, doch könnten die damaligen kleinen Inhomogenitäten als Saat für die heutigen Inhomogenitäten gewirkt haben.
Karl-Heinz Spatschek

Backmatter

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