Geschichte der Astronomie• Altertum:
– Kalender (Finsternisse)– Form der Erde– Distanz zum Mond und zur Sonne– Erddurchmesser– Planetenbewegung– Weltbild
• Mittelalter– Weltbild– Kepler-Gesetze– Newton
– zur modernen Astrophysik
hervorragendes Buch: The Cambridge concise history of astronomy Michael Hoskin (ed.)
Ekliptik und Wandersterne
Kalender
• Problem: 1 Jahr = 365.2422 Tage• Aegypten: 1 Jahr = 365 TageSiriusaufgang verspätet sich mit den Jahren
nach 1460 = 365x4 Jahren ist Siriusaufgang rechtzeitig
Julianischer Kalender: Schalttag alle 4 Jahre• 1 Jahr = 365.25 Tage Gregorianischer Kalender: (Korrektur 10 Tage)
kein Schalttag falls:
J/100 ganzzahlig und J/400 nicht ganzzahlig
• Astronomisches Datum (JD: Julian Date)• JD = 0 = 1.1.4713 v. Chr. • JD(21.Sept.2011, 1100) = 2`456`189.95833
Sonnen- und Mondfinsternisse konnten vorausgesagt werden
Trennungsmythen
Nut und Geb: Himmel und Erde werden getrennt
Griechische Astronomie (Mythen Philosophie empirische Wissenschaft)
500 v. Chr. Pythagoräer Erde ist eine Kugel die sich täglich einmal dreht400 v. Chr. Philolaus von KrotonDeutung der Planetenbewegung: Zentralfeuer um das sich Sonne, Erde
und Planeten in konzentrischen Kreisen bewegen350 v. Chr. AristotelesErde ist rund, weil der Erdschatten bei Mond-Finsternissen kreisförmig ist
(Erde 3x grösser als Mond) #265 v. Chr. Aristarch von Samos Heliozentrisches Weltbild; Versuch Entfernung der Sonne und des
Mondes bei Halbmond zu messen &220 v. Chr. EratosthenesMessung des Erdumfangs (39690 km) &150 v. Chr. HipparchScheinbare Geschwindigkeit der Sonne variabel, Entdeckung der
Präzession150 n. Chr. Ptolemäus(geozentr.) Epizyklentheorie für Planetenbahnen, fasst gesamtes
astronomisches Wissen zusammen
Beobachtung der Mondfinsterniss: Erdschatten ist rund Erde ist rund (Aristoteles)
Durchmesser Mond 1/2 GradMond bewegt sich ca. 1/2 Grad/Std.Totalitätsdauer einer zentralen Mondfinsterniss: ≈ 2 StundenDurchmesser Erdschatten ≈ 3 Monddurchmesser
Griechische Astronomie
• Erathostenes: Erdumfang Distanz: Erde-Mond
• Aristarch: Distanz Erde-Sonne Grösse des “Universums”
• Weltbild: Geozentrisches Weltbild war bei den Griechen weit verbreitet
Erde in der MitteMond, Sonne und 5 Planeten kreisen um die Erde Sterne befinden sich an der äussersten Sphäre
(Ausnahme: Aristarch von Samos)
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Probleme mit dem antiken Weltbild:Falsche Annahmen:
• geozentrisch• Kreisbahnen • gleichmässige Bewegung
A. Bewegung der Erde um SonneNäherung: Erde nicht im Zentrum des Kreises
Bewegung der Planeten:
innere Planeten immer nahe der Sonne
Bewegung der Planeten:
äussere Planeten zeigen vorläufige und rückläufige Bewegung
Epizyklen
Epizyklen:
erste Approximation
zweite Approximation
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Weltbild von Ptolemäus (145 n. Chr)Epizyklen bewegen sich entlang eines grossen Kreises (Deferent)
Astronomie im Mittelalter 1054 Supernova (Krebs-Nebel) Keine abendländische Dokumente (Sternhimmel ist eine perfekte und daher
unveränderliche Schöpfung)vor 1500 System von Ptolemäus wird von Arabern gelehrtAl Battani 858-928, Al Sufi 903-986, Alfons X von Kastilien 1226-1284 Alfonsische
Tafeln 1492 Kolumbus Entdeckung von Amerika1473-1542 Kopernikus Kopernikanisches Weltbild (Aristarch), heliozentrisches Weltbild mit Kreisbahnen
und Epizyklen für Planeten1546-1601 Tycho BraheSternkatalog, Marsbahn (2‘), Supernova 1572, Kometenbahn durch Planeten-
Spähren, Tychonisches Weltbild (Aegypter)1600 Giordano Bruno wird in Rom verbrannt„das All ist unendlich, mit unendliche vielen Welten mit eigenen Sonnen“1608 Hans Lippersheyerfindet das Teleskop1564 – 1642 Galileo GalileiVerfechter der kopernikanischen Lehre (Inquisition), baut Fernrohr 1609,Entdeckt Jupitermonde, Sonnenflecken, Venusphasen, Mondgebirge (Physik:
Gesetze des freien Falls und Pendelschwingungen)1571 – 1630 Johannes KeplerFindet die 3 Keplerschen Gesetze (Mars-Daten von Tycho), heliozentrisches
Weltbild mit Ellipsenbahnen
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Das heliozentrische WeltbildKopernikus: De Revolutionibus (Autograph 1543, Hinterseite Blatt 9)
Tycho Brahe 1546-1601
Kepler:
Analyse der Marsdaten von Tycho war der Schlüssel zum Durchbruch
• elliptische Bahnen• ungleichmässige Bewegunggeschwindigkeit
Keplersche Gesetze
1. Planeten auf Ellipsenbahnen, Sonne in einem Brennpunkt
2. Verbindungslinie Planet-Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächenstücke
3. P2/a3 = const.
a
Galileo Galilei
Entdeckt mit seinem selbstgebauten Teleskop die Jupitermonde
Bewegung der Monde entspricht den Keplerschen Gesetzen
Distanzen im “Universum”• Distanzen im Sonnensystem
(bisher: Erde-Sonne ~ 30 x Erde-Mond; Aristarch von Samos um 250 v. Chr)
– Trigonometrische Bestimmung der Distanz zum Mars• Marsopposition 1672• Gleichzeitige Messung der Marsposition von Frankreich und
Franz. Guayana (Südamerika)
Mars
α
sin α ~ α = x/d = 6000 km / d (α = 21”, d = 6x107 km = 0.4 AE)
d x
• alle anderen Distanzen folgen aus Keplergesetz
a3Mars/P2
Mars = a3Erde/P2
Erde = const. und d = aMars(tx) - aErde(tx)
3 Gleichungen und 3 Unbekannte: aMars, aErde, const (GMsun/4π2)
für alle anderen Planeten folgt a aus: a3/P2 = const
Distanzen zu den Sternen• Basis für die Triangulation ist die Erdbahn um die Sonne
Basislänge 1 AE = 1.5x108 kmAE = Astronomische Einheit
Parallaxe (Winkel)für π = 1‘‘ = 2π / (360x60x60) = 1/206265ist d = AE/π = 3.094 x 1013 km
Die Distanz d(1“) = 3.094 x 1013 km isteine Einheitsdistanz in der Astronomie und wird als parsec bezeichnet
d
AE
π
d
• Seit Tycho Brahe (um 1600) wurde versucht die Parallaxe zu den Sternen zu messen
• Bradley konnte um 1750 zeigen, dass die Sternparallaxen kleiner als 1’’ sind
(die Auflösung der Teleskope wird durch die Luftunruhe auf etwa 1’’ begrenzt).– 1781 entdeckte William Herschel Uranus beim Versuch Sternparallaxen zu
messen
• erst 1838 fand Struve die erste Sternparallaxe für Vega p = 0.12” Distanz = 8 pc (25 Lj)
• der nachste Stern “alpha Cen” (Dreifachsystem) hat einer Parallaxe von 0.75” (d=1.3pc)
• Durchmesser unserer Milchstrasse ~ 30 kpc• Distanz zu nahen Galaxien ~ Mpc• Distanz zu Quasaren und fernen Galaxien ~ Gpc
• Um 1995 hat der Satellit Hipparcos Sternparallaxen von etwa 100’000 Sternen gemessen (bis ca. d=150 pc)
• nächstes Jahr startet der Satellit GAIA – er wird Sternparallaxen von 100 Mio. Sternen messen (exakte Struktur unserer Milchstrasse)
Physikalische GrundgesetzeNewtonsche MechanikDie 3 Newtonschen Gesetze der Mechanik (1687):1) Trägheitsgesetz (Körper bleibt ohne Krafteinwirkung in
Ruhe oder gleichförmiger Bewegung)
2) F=dp/dt (eine Kraft bewirkt eine zeitliche Veränderung des Impulses in Richtung dieser Kraft)
3) Fij = - Fji (Actio = Reactio)
• Revolution für die Naturwissenschaften Mechanisches Weltbild • Die empirisch hergeleiteten Kepler-Gesetze
folgen exakt aus der Newtonschen Mechanik• Komet Halley (Periode 76 Jahre) als Beweis
Eigenschaften des Lichts
• Lichtgeschwindigkeit (300‘000 km/s)• Erfindung der Pendeluhr (Huygens1659)
– Bestimmung von c mit den Jupitermonden (Römer und Cassini 1675)
Beobachtung der Eintrittszeiten der Monde in den Jupiterschatten ist um mehr als 10 Minuten verspätet während der Konjunktion verglichen zur Opposition Weglaufdifferenz
Sonne
• Absorptionlinien im Sonnenspektrum (entdeckt von Frauenhofer 1814 Frauenhofer-Linien)
K H G F b E D C B A CaII CH HI MgI FeII NaI HI O2| terr O2|terr
Linienverzeichnis von Frauenhofer mit 567 Absorptionslinien (heute sind um die 100’000 Linien im Sonnenspektrum bekannt)
• Spektralanalyse Kirchhoff und Bunsen (1859) zeigen, dass die D-Linien von Natrium stammen
Astrophysik: der physikalischer Zustand von astronomischen Objekten kann untersucht werden
Dopplereffekt: Δλ / λ = v / c
ruhende Quelle: v=0, Wellenlänge identischsich entfernende Quelle v>0, Wellenlänge grösser Rotverschiebungsich nähernde Quelle v<0, Wellenlänge kleiner Blauverschiebung
Holzschnitt von Thomas Wright (1750) zur Illustration der Milchstrassenstruktur
Abschied vom Heliozentrisches Weltbild:Liegt die Sonne im Zentrum des Universums?
Sonne
Shapley zeigte um 1920, dass die Sonne ca. 10 kpc vom Zentrum der räumlichen Verteilung der Kugelsternhaufen liegt (= Zentrum der Milchstrasse)
Galaktozentrisches Weltbild:Liegt die Milchstrasse im Zentrum des Universums?
Sind Nebel (Spiralnebel) auch Milchstrassensysteme?
M51: William Parsons (Lord Rosse) endeckte 1845 die zum ersten Mal eine Spiralstruktur eines “Nebels” ( Zeichnung links)
Rotverschiebung CaII (Ca+)-Doublett in hellsten Galaxien in Galaxienhaufen
Annahme:
gleiche absolute Helligkeit (Standardkerzen)
• scheinbare Helligkeit ist ein grobes Mass fuer Distanz
l ~ L / 4πd2 (1+z)2
Kosmologische Expansion
• Edwin Hubble und andere entdeckten (um 1930), dass sich entfernte Galaxien von uns weg bewegen (Doppler-Effekt)
Fluchtgeschwindigkeit
Dis
tanz
d = H x vH = 70 km/s / Mpc
Das Universum ist homogen, isotrop und expandiert
“Zeitmaschinen”
HDFHubble Deep Field
2.5‘‘ x 2.5‘‘(3x10-8 des Himmels)
~3000 Objekte(~20 Sterne)
Das Licht der entferntesten Objekte wurde „nur“ 2-5 Mia Jahre nach dem Urknallausgesandt!
Fluktuationen (~0.001%) im Mikrowellenhintergrund