Unsöld · Baschek Der neue Kosmos Albrecht Unsöld Bodo Baschek Der neue Kosmos Vierte, völlig neubearbeitete Auflage 236 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Professor Dr. Albrecht Unsöld Institut für Theoretische Physik und Sternwarte, Universität Kiel, Olshausenstraße 40, D-2300 Kiel 1 Professor Dr. Bodo Baschek Institut für Theoretische Astrophysik, Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 561, D-6900 Heidelberg 1 Umschlagbild: Optisches Bild der Radiogalaxie NGC 5128 = Centaurus A. Aufnahme mit dem Anglo Australian Telescope. (Mit Genehmigung des Anglo-Australian Observatory) Frontispiz: Galaxiengruppe (NGC 6769-71) in Pavo mit Anzeichen für Gravitationswechselwirkung zwischen den Galaxien: lichtschwache Hüllen und verbindende Bögen, Verformung von Spiralarmen und Zentralbe reichen. (Aufnahme von S. Laustsen mit dem 3.6 rn-Teleskop der Europäischen Südsternwarte) ISBN 978-3-662-00492-0 ISBN 978-3-662-00491-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-00491-3 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Unsöld, Albrecht: Der neue Kosmos / A. Unsöld ; B. Baschek. - 4., völlig neubearb. Aufl. - Berlin ; Heidclberg ; NewYork ; London ; Paris; Tokyo : Springer, 1988 ISBN 978-3-662-00492-0 NE: Baschek. Bodo: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks. des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung. vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutsch land vom 9. September 1965 in der Fassung vom 24. Juni 1985 zulässig. Sie ist grundSätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1966,1974,1981, and 1988 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New Yo rk 1988 Softcover reprint of the hardcover 4th edition 1988 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Satz: K + V Fotosatz, 6124 Beerfelden 2154/3150-543210 - Gedruckt auf säurefreiem Papier In Memoriam M. G. 1. Minnaert (12. 2. 1893 - 26. 10. 1970) Vorwort zur vierten Auflage Die stürmische Entwicklung der Astronomie hat sich in den sieben Jahren seit Erschei nen der letzten Auflage weiter fortgesetzt. Die neuen Beobachtungsmöglichkeiten durch die Raumfahrt, die Entwicklung hochempfindlicher Lichtdetektoren und der Einsatz leistungsstarker Elektronenrechner sowohl bei der Gewinnung der Beobach tungsdaten als auch bei deren theoretischer Deutung haben hierzu entscheidend beige tragen. Obwohl von vielen Teilgebieten der Astronomie noch kein abgeklärtes Bild vor liegt, erscheint es uns dennoch notwendig, mit einer erheblich überarbeiteten Neuauf lage den Versuch zu unternehmen, eine zusammenhängende Darstellung der Beobach tungsmethoden, der theoretischen Grundlagen und der Ergebnisse für das Gesamtge biet der Astronomie zu geben. Nach wie vor sehen wir die wesentliche Aufgabe dieses Buches darin, dem Studenten der Astronomie und anderer Naturwissenschaften, dem Fachmann aus Nachbargebie ten und dem Amateurastronomen eine verständliche Einführung in alle Bereiche der Astronomie und Astrophysik zu geben, die den heutigen Stand der Forschung berück sichtigt und einen Einstieg in die weiterführende Literatur ermöglicht. Der enorme Fortschritt und die Vermehrung der astronomischen Kenntnisse schla gen sich zwangsläufig in einer merklichen Vergrößerung des Umfangs dieser Auflage gegenüber der vorangehenden nieder. Während bereits früher behandelte Gebiete nur wenig gekürzt werden konnten, beanspruchen u. a. unser Planetensystem, die vielfälti gen astronomischen Instrumente und Beobachtungsmethoden, die nukleare Entwick lung der Sterne, der komplexe physikalische Zustand der interstellaren Materie, die Ga laxien und Galaxienhaufen und die Aktivitätserscheinungen in den Galaxienkernen sowie die moderne Kosmologie in Verbindung mit Theorien der Elementarteilchen er heblichen zusätzlichen Raum. Die bewährte Gliederung des Inhalts wurde bis auf wenige Umstellungen und eine der Übersicht dienende, feinere Unterteilung der einzelnen Abschnitte beibehalten. So weit nicht astronomische Einzelheiten benutzt werden, haben wir in dieser Auflage erst mals für die Angaben von Zahlenwerten das internationale Einheitensystem SI einge führt, daneben aber noch weitgehend wie bisher das Gaußsche cgs-System verwendet. In einem Anhang sind die wichtigsten Beziehungen zwischen den bei den Maßsystemen zusammengestellt. Bei der Abfassung der früheren Auflagen des Neuen Kosmos konnte sich A. Unsöld der unermüdlichen Mitarbeit seiner damaligen Kieler Kollegen erfreuen. Bei der kriti schen Durchsicht der Manuskripte sowie mit vielerlei Rat und Hilfe halfen B. Baschek, T. Gehren, H. Holweger, D. Reimers, E. Richter und V. Weidemann; bei der Herstel lung der Manuskripte Fräulein A. Wagner, Frau G. Mangelsen und Frau G. Hebeler. VIII Vorwort zur vierten Auflage Ihnen allen möchte er bei seinem Ausscheiden aus der aktiven Forschung noch einmal recht herzlich danken. Ein wesentlicher Teil dieser Neubearbeitung erfolgte durch B. Baschek, bei dem auch die Verantwortung, insbesondere für die neuen Teile, liegt. In allen Phasen der Arbeit an dieser Auflage haben uns zahlreiche Fachkollegen durch vielerlei Rat und Hilfe, durch neueres Material und durch konstruktive Kritik an einzelnen Abschnitten groß zügig unterstützt, denen wir hier nicht allen namentlich danken können. Unsere Heidel berger Kollegen J. Köppen, R. Wehrse und P. Hauschildt haben uns bereitwillig durch eine kritische Durchsicht des gesamten Manuskripts geholfen. Durch ihre unermüdli che Arbeit bei der Herstellung des Manuskripts haben Frau G. Höhns, Frau B. Hoff mann und vor allem Frau M. Wolf, die auch viele der Zeichnungen angefertigt hat, ei nen wichtigen Beitrag zu diesem Buch geleistet. Ihnen allen möchten wir ganz herzlich danken. Kiel und Heidelberg, Albrecht Unsöld Januar 1988 Bodo Baschek Aus dem Vorwort zur dritten Auflage - Aus dem Vorwort zur zweiten Auflage IX Aus dem Vorwort zur dritten Auflage In den sechs Jahren seit Erscheinen der letzten Auflage hat die fortschreitende instru mentelle Entwicklung in allen Teilen des elektromagnetischen Spektrums vom Radio bereich und Infrarot bis hin zum Röntgen- und Gammastrahlenbereich zusammen mit dem zunehmenden Einsatz von Satelliten und Raumsonden eine Fülle neuer, zum Teil ganz unerwarteter Beobachtungen gebracht. Hand in Hand mit der fortschreitenden Kenntnis der verschiedenartigsten Himmelskörper hat auch die theoretische Forschung zu vertieften Einsichten in kosmische Zusammenhänge geführt. ... Da sich durch die Fülle der zur Zeit anfallenden Beobachtungen deren Interpretation vielfach noch im Fluß befindet, schien es uns zweckmäßig, die Teile I bis III der 2. Auf lage bis auf einige Verbesserungen von Druckfehlern unverändert zu übernehmen und der neuen Entwicklung der Astronomie durch einen IV. Teil, der sich an Abschn. 31 anschließt, Rechnung zu tragen. Hierin werden in vier (von B. Baschek bearbeiteten) Abschnitten ausgewählte neuere Ergebnisse dargestellt, wobei der Schwerpunkt zum ei nen auf die Ergebnisse der letzten Planetenmissionen, zum anderen auf die Diskussion der meist von Satelliten aus durchgeführten Beobachtungen im fernen Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlenbereich gelegt wird .... Kiel und Heidelberg, Albrecht Unsöld September 1980 Bodo Baschek Aus dem Vorwort zur zweiten Auflage Die Astronomie hat in den letzten zehn Jahren eine geradezu explosive Entwicklung ge nommen. Die erheblich revidierte und erweiterte 2. Auflage des Neuen Kosmos ver sucht auch diese ihren Lesern näher zu bringen. Wir nennen nur einige Stichworte: Mondlandungen, Planetensonden, Kontinentverschiebung etc.; Pulsare, Röntgen- und y-Strahlungsquellen; interstellare Moleküle; Quasare; Aufbau und Entwickung von Sternen und Sternsystemen bis zu kosmologischen Weltmodellen usw. Es soll nach wie vor die wichtigste Aufgabe dieses Buches sein, dem Studenten der Astronomie, wie dem Fachmann aus Nachbargebieten eine nicht zu schwerfällige Ein führung in die heutige Astronomie und Astrophysik zu geben .... Der Amateurastronom sollte sich durch ein paar Formeln nicht erschrecken lassen. Am besten wird er vielmehr ihre zahlenmäßigen Ergebnisse einstweilen bona fide ak zeptieren und seine Lektüre mit der schon von A. Einstein so gepriesenen "göttlichen Neugier" fortsetzen .... Kiel, August 1974 Albrecht Unsöld X Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Aus dem Vorwort zur ersten Auflage In den Jahren 1827 bis 1859 schrieb Alexander von Humboldt seinen "Kosmos, Ent wurf einer physischen Weltbeschreibung«. Humboldts Ziel war es, einem weiten Kreis seiner Zeitgenossen die Erforschung der Natur nicht nur als eine Sammlung von Methoden und Ergebnissen vorzuführen, son dern ihnen vor allem zu zeigen, was diese für die Menschheit in ihrer geistigen Entwick lung bedeutet. Naturforschung war für ihn - im Sinne von Schiller und Goethe - ein lebendiger Teil der menschlichen Bildung. Unser Jahrhundert brachte eine Entwicklung der Astronomie, die sich den gleichzei tigen großen Leistungen der Relativitätstheorie, der Quantentheorie und der Kernphy sik würdig an die Seite stellt. Die Welt als Ganzes, der Kosmos in seinem räumlichen Aufbau und in seiner zeitlichen Entwicklung ist ein Gegenstand exakter naturwissen schaftlicher Forschung geworden. Mit neuen Augen erblicken wir einen Neuen Kosmos und - wie in früheren Epochen - wandelt sich mit seinem Aspekt der Außenwelt auch der sie erforschende Mensch. Dieses Buch möchte einem großen Kreis von Lesern, die über eine gewisse naturwis senschaftliche Vorbildung verfügen, das neue Bild des Weltalls näherbringen. Ein sol ches Buch darf nicht zu umfangreich sein. Dementsprechend bemühte sich der Verfas ser, die Grundgedanken der verschiedenen Bereiche astronomischer Forschung nach ihren sachlichen und historisch-menschlichen Zusammenhängen ganz deutlich hervor treten zu lassen. . .. Die Astronomie hat vor vierhundert Jahren die Menschen herausgeführt aus der Enge ihres mittelalterlichen, geozentrischen Weltbildes. In unserer Zeit ist ihre Bedeu tung sicher nicht geringer geworden für eine freiere und modernere Gestaltung unserer Bildung und damit für die innere Freiheit und das Glück der Menschen. . .. Kiel, April 1966 Albrecht Unsöld Inhaltsverzeichnis 1. Einführung........................................................ 1 2. Klassische Astronomie. Das Planetensystem ............................ 5 2.1 Sterne und Menschen: Beobachten und Denken (Historische Einleitung in die klassische Astronomie) ..................................... 5 2.2 Die Himmelskugel. Astronomische Koordinatensysteme. Geographische Länge und Breite .................................. 8 2.3 Die Bewegungen der Erde. Jahreszeiten und Tierkreis. Die Zeit: Tag, Jahr und Kalender. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Der Mond. Mond-und Sonnenfinsternisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 Bahnbewegungen und Entfernungen im Planetensystem .............. 18 2.5.1 Planetenbewegungen und Bahnelemente ...................... 18 2.5.2 Kometen und Meteore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.3 Entfernungsbestimmungen, Dopplereffekt und Aberration ...... 23 2.6 Mechanik und Gravitationstheorie ................................ 24 2.6.1 Newtonsche Gesetze ....................................... 25 2.6.2 Impuls-oder Schwerpunktsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.6.3 Erhaltung des Drehimpulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.6.4 Energiesatz und Virialsatz .................................. 27 2.6.5 Gravitationsgesetz. Himmelsmechanik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.6.6 Gezeiten ................................................. 31 2.6.7 Ptolemäisches und kopernikanisches Weltsystem ............... 32 2.7 Künstliche Satelliten und Raumfahrzeuge. Weltraumforschung ........ 33 2.8 Physische Beschaffenheit der Planeten und ihrer Monde .............. 39 2.8.1 Möglichkeiten zur Erforschung der Planeten und Satelliten ...... 39 2.8.2 Globaler Energiehaushalt der Planeten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.8.3 Innerer Aufbau und Stabilität ............................... 41 2.8.4 Aufbau der Planetenatmosphären .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.8.5 Erde und Mond. Die erdähnlichen Planeten ................... 44 a) Innerer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 b) Radioaktive Altersbestimmungen. Erdgeschichte ............ 46 c) Magnetfelder. Plattentektonik ............................ 46 d) Mondoberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 e) Oberflächen der erdähnlichen Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 f) Atmosphären der erdähnlichen Planeten ................... 57 2.8.6 Planetoiden oder kleine Planeten (Asteroiden) ................. 60