Astrophysik für Dummies E-Book

Cynthia Phillips

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 630

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Wo Astronomie und Physik zusammenkommen

Was steckt hinter den Dingen, die wir am Himmel sehen – astronomische Objekte wie Sterne und Himmelskörper? Mit dieser Frage beschäftigt sich die Astrophysik. Dieses Buch erklärt leicht verständlich alles, was Sie brauchen, um ein grundlegendes Verständnis der Astrophysik zu erlangen, sei es für Ihr Studium oder aus Interesse. Cynthia Phillips führt Sie in die Welt der Sterne und Galaxien ein und nimmt Sie mit auf eine faszinierende Reise durchs Universum. Sie lernen die Wissenschaft hinter Sternensystemen, Schwarzen Löchern, Dunkler Materie und anderen Phänomen kennen. Es gibt so viel zu entdecken!

Sie erfahren

• Was außer Sternen, Schwarzen Löchern und Exoplaneten das Universum bevölkert
• Welche Wissenschaftler die Astrophysik geprägt haben
• Wie alles begann und wie es vielleicht endet

Leseprobe

Astrophysik für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2025

© 2025 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

Original English language edition Astrophysics for Dummies © 2024 by Wiley Publishing, Inc. All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation is published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Astrophysics for Dummies © 2024 by Wiley Publishing, Inc. Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley & Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: © KodersPoint - stock.adobe.comKorrektur: Isolde Kommer

Print ISBN: 978-3-527-72258-7ePub ISBN: 978-3-527-84964-2

Über die Autorinnen

Cynthia Phillips, PhD, ist Wissenschaftlerin am NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien. Sie erwarb ihren Bachelor of Arts in Astronomie, Astrophysik und Physik an der Harvard University und promovierte in Planetenwissenschaften mit Nebenfach Geowissenschaften an der University of Arizona. Vor ihrer jetzigen Tätigkeit bei der NASA war sie 15 Jahre lang am SETI-Institut tätig und arbeitet zurzeit an einer Reihe verschiedener Projekte, wozu auch die Europa-Clipper-Mission zum Jupitermond gehört, die 2024 starten soll. Dr. Phillips hält Vorträge über Astronomie und Planetenforschung für ein Publikum, das von Grundschülern über wissenschaftliche Lehrkräfte bis hin zur breiten Öffentlichkeit reicht. Dazu gehört auch die Teilnahme an Veranstaltungen wie dem South by Southwest Festival und der San Diego Comic-Con. Es macht ihr besonders viel Spaß, der breiten Öffentlichkeit die Faszination des Universums näherzubringen.

Shana Priwer hat einen Bachelor-Abschluss der Columbia University in Architektur mit den Nebenfächern Mathematik und Kunstgeschichte. Sie erwarb ihren Master-Abschluss in Architektur an der Harvard University und arbeitet zurzeit bei einem Softwareunternehmen in San Francisco. In ihrer Rolle als Softwareentwicklungsingenieurin in der Testphase verbringt Shana einen Großteil ihrer Zeit damit, Anwendungsfälle und Arbeitsabläufe zu verstehen und dieses grundlegende Wissen dann zu nutzen, um Fehler zu finden und auf andere Weise dazu beizutragen, das bestmögliche Kundenerlebnis zu schaffen. Die Sorge um die Erfahrung des Endnutzers ist es auch, die Shana beim Schreiben antreibt. Beim Schreiben dieses Buches war es ihr Ziel, eine sehr komplizierte, wissenschaftlich anspruchsvolle Materie lesbar, unterhaltsam und verständlich zu machen.

Wir überlassen es Ihnen, der Leserin und dem Leser, uns mitzuteilen, ob und wie wir das geschafft haben!

Cynthia und Shana sind die Co-Autorinnen von etwa einem Dutzend Büchern, darunter Exploration for Dummies, 101 Things You Didn’t Know About Einstein und The Everything Da Vinci Book. Sie sind auch Co-Autorinnen der Framework-Reihe über die Wissenschaft hinter den Strukturen, die Teil der erbauten Umgebung sind.

Widmung

Wir widmen dieses Buch unseren fünf Kindern: Zoecyn, Elijah, Benjamin, Sophia und Isaac. Ihr seid die wichtigsten Menschen in unserem Leben und wir lieben euch alle bis ans Ende des Universums und zurück.

Danksagung der Autorinnen

Wir danken unseren Kindern von ganzem Herzen für ihre Geduld, ihre Unterstützung und ihre Bereitschaft, uns die Konzentration auf die Entstehung dieses Buches zu ermöglichen.

Ein großes Dankeschön geht an unseren Lektor Christopher Morris für seine Unterstützung und allgemeine Hilfe auf diesem Weg.

Unser großer Dank gilt auch unserer Fachlektorin Dr. Pamela Gay für ihre großartige Unterstützung, mit der sie dafür gesorgt hat, dass wir alle Details genau richtig hinbekommen haben.

Abschließend möchten wir unserer Akquisitionslektorin Lindsay Lefevere Berg dafür danken, dass sie uns die Möglichkeit gegeben hat, an diesem Projekt zu arbeiten.

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autorinnen

Widmung

Danksagung der Autorinnen

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Über dieses Buch

Törichte Annahmen über die Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Jenseits des Buches

Wie es weitergeht

Teil I: Erste Schritte in der Astrophysik

Kapitel 1: Willkommen im Universum

Die Wissenschaft der Astrophysik

Passende Werkzeuge

Sterne, Galaxien und ihre kosmologischen Freunde

Kapitel 2: Die Physik von A bis Z

Die Bausteine des Universums: Teilchen

Was die Materie ausmacht

Auf die Kraft kommt es an

Energie speichern oder verbrauchen – aber nicht verschwenden

Das ist das Gesetz (der Physik)!

Die Vereinigung von Wärme und Energie mit Thermodynamik und statistischer Mechanik

Kapitel 3: Astronomie kurz und bündig

Wo beginnen … oder: wie alles begann

Unser Sonnensystem, unsere Galaxie und das Universum kartieren

Beobachtende Astronomie: Was sind das für Punkte am Himmel?

Kapitel 4: Der Brückenschlag zwischen Astronomie und Physik

Mehr als die Summe seiner Teile: das einzigartige Studium der Astrophysik

In die Einzelheiten der Astrophysik eintauchen

Das Wesentliche über Teleskope und optische Instrumente

Die Sonne, der Stern unseres Sonnensystems

Finsternisse oder auf wissenschaftliche Weise Schatten werfen

Teil II: Wenn Sie sich etwas wünschen …

Kapitel 5: Die Kraft der Sterne: Wasserstoff, Helium und ein Hauch von Kernfusion

Herzlichen Glückwunsch: ein Stern ist geboren

Lernen Sie Ihre Sterne kennen: Eigenschaften, Arten und Merkmale

Alle guten Dinge müssen zu einem Ende kommen

Kapitel 6: Freunde fürs Leben: Sternsysteme und Staubwolken

Viel hilft viel: Doppel- und Mehrfachsternsysteme

Werft Euch alle auf einen Haufen, ihr Sternhaufen!

Mit interstellarem Gas und Staub Vollgas geben

Struktur in Gas und Staub bringen: Nebel

Kapitel 7: Exoplaneten: die Suche nach der Erde 2.0

Jenseits der Erde

Exoplaneten gibt es in zahlreichen Formen und Farben

Bei der Entdeckung von Exoplaneten unter (oder um) versteckte Felsen blicken

Die Grundzüge der Entstehung von Exoplaneten

Atmosphären von Exoplaneten

Kann auf Exoplaneten Leben gefunden werden?

Kapitel 8: Weiße Zwerge, Schwarze Löcher und Neutrinos – oh je!

Schneewittchen und die sieben …

Es gibt kein Entkommen: Schwarze Löcher

Hohe Brandung! Gravitationswellen

Neutronensterne oder der totale Kernkollaps

Quasare und Blazare

Teil III: Galaxien: Teamwork macht den Traum wahr

Kapitel 9: Von verschwommenen Klecksen zu stattlichen Spiralen: die Milchstraße und andere Galaxien

Wo in der Welt sind wir?

Das Geheimnis lüften

Klassifizierung von Galaxien

Kapitel 10: Die Quantifizierung des Unbekannten oder die Art, wie Galaxien funktionieren

Mit dem Verständnis der Entwicklung von Galaxien das Universum enträtseln

Mechanik eines Sternsystems

Die galaktische Struktur

Schwarze Löcher und ihre Rolle in Galaxien

Das Hubble-Tiefenfeld

Kapitel 11: Größer als riesig: Galaxienhaufen

Freunde finden: Die Grundlagen von Galaxienhaufen

Unser eigener Galaxienhaufen: Die Lokale Gruppe

Die Struktur und Bildung von Galaxienhaufen

Die Physik der Galaxienhaufen

Sie bringen Leben in die Bude: Gravitationsstörungen und Stoßwellen

Die Fusion von Galaxien und Haufen

Was Galaxienhaufen über das Universum erzählen

Kapitel 12: Seltsame und verrückte galaktische Phänomene

Nicht gerade Dinosaurier: galaktische Archäologie

Hochenergie-Astrophysik

Der Gravitationslinseneffekt

Auf dem Weg ins Wurmloch

Teil IV: Kosmologie: der Anfang und das Ende von allem

Kapitel 13: Der Urknall: wie alles begann

Was soll das? Ein Leitfaden zur Kosmologie

Wissenschaftliche Beweise: Warum glauben wir, dass es einen Urknall gab?

Mit der kosmologischen Inflation dem Unvorstellbaren einen Sinn geben

Die Dominanz der Strahlung in der Strahlungs-Ära

Nichts ist so wichtig wie die Materie in der Materie-Ära

Metrische Expansion des Universums: das kosmologische Prinzip

Kapitel 14: Das erste Licht im Universum oder wie ein Stern geboren wird

Das dunkle Zeitalter der Kosmologie

Die frühe Sternentstehung

Klassifikation der Sterne: Population III

Die Klassifikation der Sterne: die Populationen I und II

Die Epoche der Reionisierung

Die Entstehung der ersten Galaxien

Kapitel 15: Jetzt wird es noch unheimlicher: Dunkle Materie, Dunkle Energie und Relativitätstheorie

Allgemeine Fakten zur allgemeinen Relativitätstheorie

Fortschrittliche Theorien erfordern fortschrittliche Modelle

Galaktischer Klebstoff: Dunkle Materie

Die Dunkle Energie im Überblick

Woher kommt die Dunkle Energie?

Kapitel 16: Das Ende von allem

Keine Rückerstattung: Was passiert, wenn die Sonne explodiert?

Der Dichteparameter des Universums

Das große Einfrieren: ein Ende der Theorie des Universums

Das große Zerreißen: ein anderes Ende des Universums

Das große Zusammenkrachen: ein weiteres Ende in der Theorie des Universums

Vor dem Nichts: Gab es irgendetwas vor dem Urknall?

Am Ende angekommen – aber wie wird es enden?

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 17: Zehn Wissenschaftler, die der Astrophysik den Weg ebneten

Albert Einstein: 1879–1955

Edwin Hubble: 1889–1953

Cecelia Payne-Gaposchkin: 1900–1979

Karl Jansky: 1905–1950

Subrahmanyan Chandrasekhar: 1910–1995

Vera Rubin: 1928–2016

Kip Thorne: geb. 1940

Stephen Hawking: 1942–2018

Jocelyn Bell Burnell: geb. 1943

Alan Guth: geb. 1947

Kapitel 18: Zehn wichtige Weltraummissionen in der Astrophysik

Hubble-Weltraumteleskop (1990 bis heute)

James-Webb-Weltraumteleskop (2021 bis heute)

Kepler (2009–2018) und TESS (2018 bis heute)

SOFIA (2010–2022)

Chandra-Röntgenteleskop (1999 bis heute)

Spitzer-Weltraumteleskop (2003–2020)

Compton-Gammastrahlen-Observatorium (1991–2000)

Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop (2008 bis heute)

Herschel-Weltraumobservatorium (2009–2013)

Nancy-Grace-Roman-Weltraumteleskop (geplanter Start 2027)

Glossar

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Abbildung 1.1: Das elektromagnetische Spektrum

Abbildung 1.2: Der Krebsnebel sendet Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen au...

Abbildung 1.3: Das Large Binocular Telescope (LBT) im Observatorium in Arizona, ...

Kapitel 2

Abbildung 2.1: Ein Atom und seine grundlegenden Bausteine

Abbildung 2.2: Das Periodensystem der Elemente

Abbildung 2.3: Die Struktur eines Wassermoleküls

Abbildung 2.4: Gegenüberstellung von kinetischer und potenzieller Energie

Abbildung 2.5: Spektrum eines Schwarzen Strahlers (mit freundlicher Genehmigung ...

Kapitel 3

Abbildung 3.1: Das im Jahr 1990 im Weltraum stationierte Hubble-Weltraumteleskop...

Abbildung 3.2: Das Sonnensystem, die Galaxie und das Universum (mit freundlicher...

Abbildung 3.3: Die Größe der Planeten, einschließlich Pluto (mit freundlicher Ge...

Abbildung 3.4: Die Keplerschen Gesetze der Planetenbewegung

Abbildung 3.5: Der zuletzt 1986 von der Erde aus gesehene Halleysche Komet (mit ...

Abbildung 3.6: Darstellung der Ekliptik

Kapitel 4

Abbildung 4.1: Rotverschiebung gegenüber Blauverschiebung

Abbildung 4.2: Kosmische Entfernungen in Lichtjahren (mit freundlicher Genehmigu...

Abbildung 4.3: Schematische Darstellung der Erdumlaufbahn

Abbildung 4.4: Darstellung eines Linsen- und eines Spiegelteleskops

Abbildung 4.5: Das VLA, ein Radioteleskop-Array in New Mexico (mit freundlicher ...

Abbildung 4.6: Ein Beispiel für eine mittelstarke Sonneneruption, aufgenommen vo...

Abbildung 4.7: Schematische Darstellung einer Mondfinsternis

Abbildung 4.8: Schematische Darstellung einer Sonnenfinsternis

Abbildung 4.9: Verwendung einer Hand oder einer Karteikarte als Lochblende währe...

Abbildung 4.10: Eine ringförmige und eine totale Sonnenfinsternis (mit freundlic...

Kapitel 5

Abbildung 5.1: Schematische Darstellung der Kernfusion in der Sonne – vom Wasser...

Abbildung 5.2: Sternentstehungsgebiet im Carinanebel, aufgenommen mit dem James-...

Abbildung 5.3: Bildung eines Protosterns in der dunklen Molekülwolke L1527, Aufn...

Abbildung 5.4: Das H-R-Diagramm zeigt, wie die Leuchtkraft eines Sterns mit sein...

Abbildung 5.5: Die innere Struktur eines massereichen Sterns vor einer Supernova

Abbildung 5.6: Die möglichen Lebenswege zweier Sterne

Kapitel 6

Abbildung 6.1: Schematische Darstellung der Umlaufbahnen in einem Doppelsternsys...

Abbildung 6.2: Arten von Doppelsternsystemen

Abbildung 6.3: Die Lichtkurve eines bedeckungsveränderlichen Doppelsternsystems.

Abbildung 6.4: Spektrum und Darstellung der Radialgeschwindigkeit eines Doppelst...

Abbildung 6.5: Die Umlaufbahnen der sechs Sterne im System TYC 7037-89-1

Abbildung 6.6: Der offene Sternhaufen der Plejaden (mit freundlicher Genehmigung...

Abbildung 6.7: Mit dem Hubble-Teleskop aufgenommenes Bild des Kugelsternhaufens ...

Abbildung 6.8: Der Pferdekopfnebel, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop (mit...

Kapitel 7

Abbildung 7.1: Die wichtigsten Körper im Sonnensystem

Abbildung 7.2: Arten von Exoplaneten (mit freundlicher Genehmigung von NASA/JPL-...

Abbildung 7.3: Radialgeschwindigkeit

Abbildung 7.4: Das Transitdiagramm zeigt einen Einbruch der Helligkeit (mit freu...

Abbildung 7.5: Zwei riesige Exoplaneten umkreisen den Stern TYC 8998-760-1 (mit ...

Abbildung 7.6: Die protoplanetare Scheibe um den jungen Stern HL Tauri (mit freu...

Abbildung 7.7: Die Beobachtungen der Atmosphären von Exoplaneten während Bedecku...

Abbildung 7.8: Die Größe der habitablen Zone eines Sterns hängt von seiner Helli...

Abbildung 7.9: Vergleich zwischen dem System Kepler-452 und unserem Sonnensystem...

Kapitel 8

Abbildung 8.1: Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 (mi...

Abbildung 8.2: Die künstlerische Darstellung der Gravitationswellen bei der Vers...

Abbildung 8.3: Darstellung eines Pulsars (mit freundlicher Genehmigung von NASA/...

Abbildung 8.4: Künstlerische Darstellung eines Gammastrahlen-Blazars, der vom Fe...

Kapitel 9

Abbildung 9.1: Die Milchstraßengalaxie (mit freundlicher Genehmigung der NASA)

Abbildung 9.2: Künstlerische Darstellung der Milchstraßengalaxie (mit freundlich...

Abbildung 9.3: Der Cepheiden-Veränderliche V1 in der Andromedagalaxie (mit freun...

Abbildung 9.4: Das Hubble-Stimmgabeldiagramm (mit freundlicher Genehmigung von N...

Abbildung 9.5: Die Spiralgalaxie M100, aufgenommen mit dem Hubble-Weltraumtelesk...

Abbildung 9.6: Die Balkenspiralgalaxie NGC 1399, aufgenommen mit dem Hubble-Welt...

Abbildung 9.7: Die elliptische Galaxie NGC 2865, aufgenommen vom Hubble-Weltraum...

Abbildung 9.8: Die linsenförmige Galaxie NGC 6861, aufgenommen vom Hubble-Weltra...

Kapitel 10

Abbildung 10.1: Das Drehmoment und das Gravitationsdrehmoment

Abbildung 10.2: Die Verschmelzung von Galaxien. Dem Bild liegt die Verknüpfung v...

Abbildung 10.3: Kombiniertes Bild der Radiogalaxie Hercules A. Es zeigt die zent...

Abbildung 10.4: Die Seyfertgalaxie NGC 1566 in einer Aufnahme des Spitzer-Weltra...

Abbildung 10.5: Das Hubble-Tiefenfeld (mit freundlicher Genehmigung von NASA, ES...

Kapitel 11

Abbildung 11.1: Aufnahme des James-Webb-Weltraumteleskops von der Galaxiengruppe...

Abbildung 11.2: Aufnahme des Euclid-Weltraumteleskops von dem Perseushaufen (mit...

Abbildung 11.3: Karte der Lokalen Gruppe mit Entfernungen (mit freundlicher Gene...

Abbildung 11.4: Wechselwirkung eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentru...

Abbildung 11.5: Aufnahme vom Hubble-Weltraumteleskop von verschmelzenden Galaxie...

Abbildung 11.6: Die Aufnahme der Kollision des Galaxienhaufens Abell 2146 beruht...

Abbildung 11.7: Der dicht gepackte Galaxienhaufen Abell 1689 in einer Aufnahme v...

Abbildung 11.8: Die Aufnahme des uralten Galaxienhaufens SPT2215 beruht auf eine...

Kapitel 12

Abbildung 12.1: Künstlerische Darstellung der kosmischen Strahlung in der Helios...

Abbildung 12.2: Der aktive galaktische Kern (AGN) Centaurus A im optischen (link...

Abbildung 12.3: Die Gravitation kann das Gefüge der Raumzeit beeinflussen (mit f...

Abbildung 12.4: Die Brechung von Licht an einer konvexen (links) und einer konka...

Abbildung 12.5: Der Gravitationslinseneffekt und die Krümmung der Raumzeit

Abbildung 12.6: Das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Einsteinkreuz, das ...

Abbildung 12.7: Das Diagramm zeigt, wie eine Gravitationslinse das von einem ent...

Abbildung 12.8: Der vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Einsteinring SDSS J...

Abbildung 12.9: Schematische Darstellung eines Wurmlochs

Kapitel 13

Abbildung 13.1: Künstlerische Darstellung des Universums, das mit dem Urknall in...

Abbildung 13.2: Zeitleiste des Urknalls (mit freundlicher Genehmigung der NASA /...

Abbildung 13.3: Die von der Raumsonde WMAP beobachtete kosmische Mikrowellenhint...

Abbildung 13.4: Die Expansion des Universums nach dem Urknall (mit freundlicher ...

Kapitel 14

Abbildung 14.1: Ein neutrales Wasserstoffatom

Abbildung 14.2: Ein schematischer Überblick über die ersten Sterne und die Reion...

Kapitel 15

Abbildung 15.1: Drei Tests zur Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie

Abbildung 15.2: Die Arten der Energie im Universum

Abbildung 15.3: Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops des Galaxienhaufens CI 002...

Abbildung 15.4: Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops der alten Supernova 1997ff...

Abbildung 15.5: Darstellung der Veränderungen der Expansion des Universums aufgr...

Abbildung 15.6: Beobachtungen der sich im Laufe der Zeit verändernden Expansion ...

Kapitel 16

Abbildung 16.1: Die letzten Lebensphasen unserer Sonne

Abbildung 16.2: Die kritische Dichte und die Geometrie des Universums

Abbildung 16.3: Gemeinsame Darstellung der Ergebnisse der Schätzung der kritisch...

Abbildung 16.4: Drei mögliche Schicksale der Zukunft des Universums und die Roll...

Kapitel 18

Abbildung 18.1: Künstlerische Darstellung des James-Webb-Weltraumteleskops mit a...

Abbildung 18.2: SOFIA im Flug mit geöffneter Teleskopluke (mit freundlicher Gene...

Abbildung 18.3: Das Compton-Gammastrahlen-Observatorium schwebt nach seinem Auss...

Orientierungspunkte

Cover

Titelblatt

Impressum

Über die Autorinnen

Inhaltsverzeichnis

Einführung

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Einführung

Wenn Sie Ihre Abende damit verbringen, über die Sternbilder zu grübeln und Sternschnuppen zu beobachten, sind Sie bereits süchtig nach Astronomie.

Wenn Sie zu den Menschen gehören, die »verstehen«, wie die Dinge funktionieren, und wenn Sie jemals Newton oder Einstein in einer lockeren Unterhaltung erwähnt haben, dann entschuldigen Sie sich bei Ihren Freunden, denn Sie haben ein großes Interesse an der Physik und sind bereit, es zu teilen.

Nehmen Sie beides zusammen, und: Willkommen in der Astrophysik! Dieses Fachgebiet verbindet die Begeisterung für das Erkennen von Planeten und Sternen mit der Freude an der Anwendung von Mathematik und Physik auf diese Objekte. Die Astrophysik geht über die Katalogisierung und Beobachtung des Nachthimmels hinaus, indem sie Berechnungen durchführt, Messungen vornimmt und Vorhersagen über künftige Verhaltensweisen macht.

Die Astrophysik umfasst alles, was man am Himmel sehen kann, und noch einiges darüber hinaus. Vom kleinsten Molekül (nein, das kann man ohne spezielle Ausrüstung nicht sehen) bis hin zu Sternen und Planeten haben die einzelnen Himmelskörper eine Entstehungsgeschichte, die die Evolution des Universums nachahmt. Und das Universum ist sicherlich nicht auf Planeten und Sterne beschränkt!

Zum Beispiel sind Nebel riesige Staub- und Gaswolken, die oft aus dem explosiven Tod eines Sterns hervorgehen, aber zufälligerweise (oder eigentlich nicht zufälligerweise, wie Sie in Kapitel 5 erfahren werden) sind sie auch Gebiete, in denen neue Sterne geboren werden. Galaxien sind riesige Ansammlungen von Sternen, die oft Nebel und andere hochenergetische astronomische Erscheinungen wie Schwarze Löcher und Neutronensterne enthalten, und sie schließen sich zu Galaxienhaufen zusammen. Nichts im Universum existiert isoliert, nicht einmal Quarks (das sind die kleinsten Teilchen im Universum. Neugierig? Lesen Sie Kapitel 15).

Apropos unendlich klein: Der Urknall ist sowohl der End- als auch der Ausgangspunkt unserer Erforschung der Astrophysik. Das Universum begann als ein einziger Punkt in Raum und Zeit und wuchs in den darauffolgenden Sekunden explosionsartig an und dehnte sich aus. Die Kräfte, die im heutigen Universum eine Rolle spielen (denken sie an die Gravitation, den Elektromagnetismus und die Kernkräfte), entstanden, Atome begannen sich zu bilden, die Materie trennte sich von der Strahlung, und jedes Element der heutigen Welt wurde erschaffen. Aus der Wolke des kosmischen Staubs entstanden Sterne, Galaxien, Dunkle Materie und alle anderen Teile des kosmischen Puzzles.

Aber irgendwann müssen alle guten Dinge ein Ende haben, und das gilt leider auch für das Universum. Es gibt viele Theorien darüber, wie wir alle unser Ende finden werden, aber diese Theorien werfen nur noch mehr Fragen auf. Ist dieses Universum das einzige, das jemals existiert hat? Wird ein neues erschaffen, wenn dieses verschwunden ist? Oder ist unser Universum, wie einige Theorien nahelegen, nur eines in einer Reihe? Auf viele dieser Fragen gibt es noch keine endgültigen Antworten, aber das Studium der Astrophysik vermittelt Ihnen das Wissen, das Sie benötigen, um diese Fragen zu stellen und vielleicht sogar selbst zu beantworten.

Über dieses Buch

Willkommen im Universum! Egal, ob Sie neugierig sind, wie das Universum entstanden ist, mehr über die Wissenschaft hinter Finsternissen wissen wollen oder überlegen, Astrophysikerin oder Astrophysiker zu werden (und wenn das der Fall ist, erwarten wir, Sie auf Konferenzen und in Vorlesungen zu sehen), dieses Buch wird Ihnen den Einstieg erleichtern.

Die Astrophysik ist bekanntermaßen schwer zu durchschauen, weil sie unglaublich umfangreich, aber auch extrem detailorientiert ist. Wir haben die Informationen in leicht verdauliche Kapitel unterteilt, sodass Sie dieses Buch in einem Rutsch durchlesen oder nur die Abschnitte durchblättern können, die Sie interessieren. Wir haben jedes Kapitel als eigenständiges Werk geschrieben, das bei Bedarf auf andere Teile des Buches verweist. Wenn Sie die Zeit und das Interesse haben, sollten Sie das Buch von vorne bis hinten lesen, um einen besseren Eindruck von der Geschichte zu bekommen: Entschlüsseln Sie, was Sie am Nachthimmel beobachten, verstehen Sie die Wissenschaft dahinter und gewinnen Sie einen ganzheitlichen Überblick – vom Anfang bis zum Ende – über dieses Universum, das wir unser Zuhause nennen.

Haben Sie Fragen zu unbekannten Begriffen? Im Glossar am Ende des Buches finden Sie einen kurzen Überblick. Brauchen sie eine kurze Auffrischung, welche Formel zu welchem Konzept passt?

Abschließend möchten wir Sie bitten, uns als Anlaufstelle für alle weiteren Fragen zu betrachten. Wiley kann Sie direkt mit uns in Kontakt bringen, wenn Sie weitere Fragen haben, und Sie können jederzeit weitere Bücher und Inhalte direkt beim Verlag anfordern. Wir möchten unsere Liebe zur Weltraumforschung mit Ihnen teilen! Lassen Sie uns wissen, wie wir Ihnen helfen können.

Törichte Annahmen über die Leser

Wir gehen davon aus, dass Sie dieses Buch in die Hand genommen haben, weil Sie Astrophysik interessant finden – sollten wir »cool« sagen? Vielleicht machen Sie sich Gedanken über das Ende des Universums. Vielleicht wollen sie wissen, wonach Sie bei einer Sternenparty suchen sollten, oder vielleicht suchen Sie nach einer leichten Bettlektüre (Unser Tipp: Heben Sie sich die Weltuntergangskapitel für den Morgen auf). Jeder Grund, etwas über Astrophysik zu lernen, ist ein guter Grund, und wir hoffen, dass dieses Buch unterhaltsame und zum Nachdenken anregende Informationen für Sie bereithält.

Wir gehen nicht davon aus, dass Sie Wissenschaftler sind oder seit der Schulzeit an naturwissenschaftlichen Kursen teilgenommen haben – oder vielleicht sind Sie ja gerade Schülerin oder Schüler! Was auch immer Ihr Ausgangspunkt ist, dieses Buch ist für Sie.

Bevor wir beginnen, folgen noch einige wichtige Hinweise. Unabhängig von ihrem Standort verwenden Wissenschaftler in der Regel das metrische System, wenn sie physikalische oder astronomische Berechnungen durchführen. Das metrische System ist auch als Internationales Einheitensystem oder SI-System bekannt. Keine Sorge, in diesem Buch wird genau dieses international anerkannte SI-System verwendet.

Viele der in diesem Buch verwendeten Schlüsselbegriffe stammen aus Sprachen, die älter als das heutige Deutsch und Englisch sind. Das deutsche Wort »Nebel« stammt zum Beispiel vom lateinischen »nebula« ab, dessen Plural »nebulae« lautet. Im gesamten Buch wird der sprachlich angemessene Plural verwendet. Manchmal folgen auch Hinweise auf die Bedeutung des ursprünglichen Wortes. In ähnlicher Weise bevorzugen Wissenschaftler Standardzeiteinheiten, und so werden in diesem Buch die gängigen Formulierungen v. Chr. und n. Chr. verwendet.

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch umfasst fünf Teile. Sie können sie, je nach Interesse, unabhängig voneinander oder auch einen nach dem anderen lesen. Was erwartet Sie wo?

Teil I: Erste Schritte in der Astrophysik

Hier geht es um Grundsätzliches: Was versteht man zum Beispiel unter Materie und Energie und wie war das noch mal mit den wichtigsten Gesetzen in der Physik? Wir erkunden die Welt der Astronomie und stellen die Verbindung zwischen den beiden Wissenschaften her – und das ist die Astrophysik!

Teil II: Wenn Sie sich etwas wünschen …

Willkommen in der Welt der Sterne! Sie erfahren, wie sie diese unterscheiden können und wie sie vergehen. Außerdem, was es mit Mehrfachsternsystemen und Sternhaufen auf sich hat und wie Exoplaneten außerhalb unseres Sonnensystems gefunden werden. Wir machen Sie mit spannenden Objekten wie Weißen Zwergen, Schwarzen Löchern und Quasaren bekannt, die unser Universum bevölkern.

Teil III: Galaxien: Teamwork macht den Traum wahr

Es gibt unendlich viel zu wissen über Galaxien! Wie werden sie gefunden, wie sind sie entstanden und welche Struktur haben sie? Wussten Sie, dass viele Galaxien ein Schwarzes Loch im Zentrum besitzen? Sie erfahren, was es über Galaxienhaufen zu wissen gibt – die größten Strukturen im Universum! Bei einer Reise durch das Wurmloch der galaktischen Astrophysik erweitern Sie Ihr Wissen über Halos aus Dunkler Materie, Gravitationslinsen und andere spannende Phänomene.

Teil IV: Kosmologie: der Anfang und das Ende von allem

Zurück auf Los – beschäftigen wir uns mit dem Urknall! Lesen Sie, wie die ersten Sterne und Sternpopulationen entstanden sind und dann die ersten Galaxien. Sie erfahren, was es mit der allgemeinen Relativitätstheorie auf sich hat und warum das Universum vermutlich Dunkle Materie und Dunkle Energie braucht. Und wie schaut es mit dem Ende des Universums aus? Da gibt es mehr als eine interessante Theorie!

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Es gab nicht nur Albert Einstein: Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben sich in der Astrophysik große Verdienste erworben. Einige von ihnen stellen wir Ihnen in diesem Teil vor. Und wir werfen einen Blick auf zehn Weltraummissionen, die unseren Blick auf das Universum geschärft und verändert haben.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Überall in diesem Buch finden Sie hilfreiche Symbole, die Sie zu besonders nützlichen Weisheiten führen und Ihnen helfen zu erkennen, was Sie weglassen können, wenn Ihre Augen glasig werden. Im Folgenden erfahren Sie, was jedes Symbol bedeutet:

Das Symbol mit der an einem Finger befestigten Schnur weist auf Informationen hin, die in Zukunft nützlich sein werden.

Dieses Symbol weist auf Fachinformationen hin. Die Inhalte neben diesen Symbolen sind in der Regel Informationen, die mit dem Thema, über das Sie gerade lesen, in Zusammenhang stehen, aber eine weiter in die Tiefe gehende fachliche Erklärung enthalten. Überspringen sie diese, wenn Sie nach dem großen Ganzen suchen, aber nutzen sie diese Hinweise, wenn Sie detaillierte Informationen zu einem Thema wünschen.

Die Grafik mit der Glühbirne hebt besonders nützliche oder interessante Informationen hervor. Überfliegen Sie die Seite schnell, und lassen Sie Ihr Auge auf die Tipps gerichtet, um Informationen zu erhalten – wie zum Beispiel über die Art und Weise, wie Sterne überhaupt Licht erzeugen!

Von Schwarzen Löchern über Sonnenfinsternisse bis hin zur Verwicklung in die Mathematik der allgemeinen Relativitätstheorie – die Astrophysik kann sich auf komplexes und gefährliches Terrain begeben. Das Warnsymbol weist auf Bereiche hin, die gefährlich sein können (entweder intellektuell oder physisch!) und ein vorsichtiges Vorgehen erfordern.

Jenseits des Buches

Sie sollten sich unbedingt auch die Schummelseite am Anfang des Buches ansehen. Sie bietet unter anderem eine Zeitleiste der astrophysikalischen Entdeckungen, eine Liste von Missverständnissen und eine Liste der Weltrekordhalter.

Es gibt auch einige andere Bücher in dieser Reihe, die Sie interessieren könnten. Astronomie für Dummies von Stephan Maran und Richard Fienberg könnte ein guter Ausgangspunkt sein, wenn Sie mehr über die Beobachtungsseite der Astronomie lernen wollen. Sie können auch Ihre Physikkenntnisse mit Physik I für Dummies oder Physik II für Dummies von Steven Holzner auffrischen.

Wie es weitergeht

Wir sind überglücklich, Sie zu Ihrer Reise in die Astrophysik begrüßen zu dürfen. Wenn dieses Buch ein Willkommensgruß in unserem Haus wäre, würden Sie mit dem Duft von frisch gebackenen Schokoladenkeksen begrüßt werden. Wir vermuten, dass die darin enthaltenen Informationen ein schlechter Ersatz sind, aber wir haben unser Bestes getan, um Ihnen einen Überblick über die Astrophysik zu geben, indem wir das geschriebene Wort anstelle von Schokolade verwendet haben.

Sie können dieses Buch in einem Zug konsumieren oder es nach und nach ausprobieren. Suchen Sie einen grundlegenden Überblick über Astronomie und Physik, bevor Sie richtig tief einsteigen? Probieren Sie Kapitel 2 und Kapitel 3 aus, um alles aufzufrischen, was Sie schon immer über Astronomie und Physik wissen wollten, aber vielleicht vergessen haben oder sich nicht getraut haben zu fragen.

Wie sind diese Sterne entstanden? In Kapitel 5 erfahren Sie es. Haben Sie Sehnsucht nach Schwarzen Löchern? Keine Sorge, Kapitel 8 ist bereit, Sie in den Bann zu ziehen (im wahrsten Sinne des Wortes? Urteilen Sie selbst). Wie hat alles angefangen, und wie wird es enden? Der Urknall beginnt in Kapitel 13 und endet in Kapitel 16 mit dem Ende von allem.

Das Universum scheint einen Anfang, eine Mitte (in der wir uns jetzt befinden) und ein Ende zu haben. Wie Sie auf diesen Seiten erfahren werden, gibt es dazwischen viel zu entdecken. Wir hoffen, dass Sie am Ende Ihrer Erkundungstour in der Lage sein werden, mit einem Gefühl der Ehrfurcht und des Verständnisses zu den Sternen aufzuschauen. Willkommen in der Astrophysik!

Teil I

Erste Schritte in der Astrophysik

IN DIESEM TEIL …

Frischen Sie Ihr Verständnis von Materie, Kräften und Energie auf, und werfen Sie einen Blick auf die grundlegenden Gesetze der Physik.

Entdecken Sie die Welt der Astronomie von unserem Sonnensystem bis zu unserer Galaxie, und erfahren Sie, wie die Sternbilder dort hineinpassen.

Erkennen Sie, wie die Astrophysik die Lücke zwischen Astronomie und Physik schließt. Lernen Sie, wie Teleskope verwendet werden, und untersuchen Sie die Sonne in ihrer Funktion als Stern, um mehr über das Wetter im Weltraum und Sonnenfinsternisse zu erfahren.

Kapitel 1

Willkommen im Universum

IN DIESEM KAPITEL

Das Universum entdeckenDas Geheimnis der Planeten, Sterne und Galaxien enthüllenDas elektromagnetische Spektrum kennenlernenVerstehen, woher wir kommen und wohin wir gehen

Haben Sie jemals in den Nachthimmel geschaut und sich dabei gefragt, was Sie sehen? Wie konnten sich all diese Lichtpunkte am Himmel bilden? Warum sind einige heller als andere? Haben Sie dieses Gefühl von Ehrfurcht und Staunen tief in Ihrer Seele gespürt und realisiert, dass Sie nur ein kleiner Teil von etwas sind, das viel größer ist? Wenn einer dieser Punkte auf Sie zutrifft, dann willkommen bei Astrophysik für Dummies!

Sie befinden sich beim Nachdenken über das Universum in guter Gesellschaft. Seit den frühsten überlieferten Aufzeichnungen teilen die Menschen die Faszination für den Kosmos. Und glücklicherweise sind die Kenntnisse und das Wissen über das Universum heute exponentiell größer als zur Zeit unserer Vorfahren.

Obwohl das bloße Betrachten des Himmels sehr inspirierend sein kann, kann das Verstehen der Vorgänge dort eine überwältigende Erfahrung sein. Der Blick in den Himmel offenbart nicht nur andere Welten in unserem Sonnensystem, sondern auch andere Sterne, von denen viele wiederum eigene Planeten haben können. Wenn der Himmel dunkel genug ist, können Sie beispielsweise die Milchstraße sehen, das helle Sternenband, das sich über den Himmel erstreckt und genau genommen die Scheibe des Milchstraßensystems ist. Ihre Kenntnisse der Astrophysik verwandeln ein schönes Schauspiel in etwas Bekanntes, aber nicht weniger Staunenswertes.

Mit gutem Sehvermögen oder einem Fernglas und/oder Teleskop können Sie Nebel sehen und verstehen, dass viele davon Gas- und Staubwolken sind, in denen neue Sterne entstehen. Sie können sogar Galaxien jenseits der Milchstraße sehen und feststellen, dass sie Milliarden an eigenen Sternen enthalten. Aufgrund einer der wesentlichen Eigenschaften der Astrophysik (die Lichtgeschwindigkeit ist eine Konstante) beinhaltet die riesige kosmische Entfernung dieser Objekte auch, dass man bei ihrem Anblick gleichzeitig einen Blick in die Vergangenheit wirft. Demzufolge umfasst die Astrophysik sowohl die Erforschung des Raumes als auch der Zeit, und sie kann Sie auch den langen Weg zurück zum Beginn der Zeit führen – zum Urknall, dem Ereignis, das das Universum entstehen ließ.

Das Wort Astrophysik mag abschreckend wirken, aber es ist nichts weiter als ein wissenschaftlicher Begriff, der einen beschreibenden Blick auf das Universum (das ist der astronomische Teil) mit einem mathematischen Verständnis der Grundlagen dessen, was Sie sehen, verbindet (das ist der physikalische Teil). Keine Sorge! Wir bringen Sie in den Grundlagen auf den neusten Stand, bevor Sie in die Einzelheiten des Universums eintauchen. Ehe Sie sich versehen, werden Sie Ihren Platz im Weltall erklären und verstehen können, und Sie werden ein bisschen mehr darüber wissen, wie die Welt funktioniert.

Willkommen in der Astrophysik!

Die Wissenschaft der Astrophysik

Die Astrophysik hat sich erst innerhalb der letzten 150 Jahre als eigenständiges Gebiet sowohl von der Astronomie als auch der Physik abgegrenzt. Die Astronomie ist im Wesentlichen eine Wissenschaft der Beobachtung, während sich die Astrophysik mehr mit dem Verständnis dieser Beobachtungen beschäftigt. Machen Sie sich bereit, und stürzen Sie sich hinein!

Der Beginn der Astronomie

Die frühen Jahrtausende der Astronomie können als weitgehend beschreibend angesehen werden. Die Menschen auf der ganzen Welt dokumentierten den Himmel, beobachteten Veränderungen und dachten sich Geschichten aus, um die Beobachtungen zu erklären. Diese Geschichten wurden in den Namen der Sternenbilder festgehalten und von Kulturen auf der ganzen Welt geschaffen. Die Menschen beobachteten, dass die meisten Sterne zwar feste Muster am Himmel hatten, es aber auch wiederkehrende Muster gab. So ging beispielsweise die Sonne in vorhersehbarer Weise auf und unter. Frühe Beobachter vermerkten einige Eindringlinge: Sterne, die im Verlauf des Jahres ihre Position änderten, erwiesen sich später als Planeten, und auffällige Besucher wie gelegentliche Kometen und Sternschnuppen hatten ihre eigenen Auftritte.

Im Laufe der Zeit wurden die astronomischen Beobachtungen immer gründlicher, da Teleskope erfunden und zur genaueren Beobachtung des Himmels eingesetzt wurden. Schon bald entdeckten die Astronomen, dass der Himmel mehr zu bieten hatte als funkelnde Lichtpunkte. Obwohl es sich bei den meisten dieser Objekte um Sterne handelte, offenbarten die Teleskope des 19. Jahrhunderts und die Erfindung der Fotografie die größeren, matteren und unschärferen Objekte wie Nebel und Galaxien. Mit dieser erweiterten Besetzung war der Weg bereitet und das Interesse am Weltall ausreichend geweckt, um ein völlig neues Forschungsgebiet zu schaffen, das sowohl eine bis zum Äußersten reichende Vorstellungskraft als auch Kreativität erforderte.

Eine wunderbare Verbindung: Physik, Astronomie und Astrophysik

Physik ist, wie Sie sich vielleicht aus Ihrer Schulzeit erinnern werden, die Lehre von der Wirkungsweise der Sie umgebenden Welt. Wenn Ihnen eine Dose Bohnen auf den Zeh fällt, ist das die Wirkung der Gravitation. Die Astronomie befasst sich dagegen mit allem, was am Himmel zu sehen ist, das reicht von Planeten über Sterne bis hin zu Galaxien. Die Astrophysik ergänzt das Ganze als quantitatives Forschungsgebiet, das die Beobachtungen der Astronomie (»was«) mit den zugrunde liegenden Theorien der Physik (»wie«) verbindet. Vereinfacht ausgedrückt ist Astrophysik die Lehre von den Gesetzmäßigkeiten des Weltalls – vom Anfang bis zum Ende.

Astrophysik ist in vielerlei Hinsicht ein Gebiet, das sich mit der Erforschung des Ungreifbaren beschäftigt. Astrophysiker müssen spezielle Methoden anwenden, um Informationen zu sammeln, die im wahrsten Sinne des Wortes nicht von dieser Welt sind. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Wissenschaftler diese Aufgabe angehen können:

Beobachtungen: Mit erd- und weltraumgestützten Teleskopen und Instrumenten beobachten Astrophysiker das Universum unter Verwendung verschiedener Wellenlängen.Laborarbeit: Speziell entwickelte Geräte ermöglichen es Astrophysikern, bestimmte Aspekte des Weltalls direkt zu Hause zu simulieren. Vorausgesetzt natürlich, ihr Zuhause ist ein fortgeschrittenes wissenschaftliches Labor.Theorie: Mehr als Kreide an der Tafel – modernste Supercomputer simulieren alles, von der Entstehung eines Sterns bis zum Ende des Weltalls.

In Kapitel 4 finden Sie weitere Informationen zu diesen Konzepten.

Es werde Licht! Das elektromagnetische Spektrum

Der beobachtende Teil der Astrophysik erfordert – Überraschung! – Beobachtungen.

Astrophysiker und Astrophysikerinnen beobachten das Universum mit einer Vielzahl von Methoden. Da wir (noch!) nicht zu anderen Sternen und Galaxien reisen können, beruhen all diese Beobachtungen auf messbaren Informationen, die weit entfernte Objekte in den Weltraum senden. Die meisten von diesen Informationen kommen in Form elektromagnetischer Strahlung.

Elektromagnetische Strahlung (allgemein als Licht bekannt) ist eine Art und Weise, auf die sich Energie durch den Raum bewegt, und sie ist für jeden, der astrophysikalische Beobachtungen durchführt, ein wichtiges Konzept. Die für den Menschen sichtbare Welt umfasst nur einen kleinen Teil dessen, was Wissenschaftler als elektromagnetisches Spektrum bezeichnen, den gängigen Weg zur Beschreibung aller Arten von elektromagnetischer Strahlung im Universum.

Das elektromagnetische Spektrum besteht aus sieben Gruppen von elektromagnetischen Wellen (Angaben in Metern):

Gammastrahlen: kürzer als 1 × 10-11 MeterRöntgenstrahlen: 1 × 10-11 Meter bis 1 × 10-8 MeterUltraviolettstrahlung (UV): 1 × 10-8 Meter bis 4 × 10-7 Metersichtbares Licht (optischer Bereich): 4 × 10-7 Meter bis 7 × 10-7 MeterInfrarotstrahlung: 7 × 10-7 Meter bis 1 × 10-3 MeterMikrowellen: 1 × 10-3 Meter bis 1 × 10-1 MeterRadiowellen: länger als 1 × 10-1 Meter

Diese Strahlungsarten werden nach Wellenlängen geordnet. Je kürzer die Wellenlänge ist, desto höher ist die Energie. Gammastrahlen sind die energiereichste Strahlungsart, aber sie haben auch die kürzeste Wellenlänge. Diese Art der Einteilung der elektromagnetischen Strahlung nach Wellenlängen wird als elektromagnetisches (EM) Spektrum bezeichnet. Abbildung 1.1 zeigt eine Darstellung des EM-Spektrums.

Abbildung 1.1: Das elektromagnetische Spektrum

Die elektromagnetische Strahlung wird von einem Teilchen namens Photon getragen. Die Energie und die Wellenlänge eines Photons sind durch folgende einfache Gleichung miteinander verbunden:

In dieser Gleichung ist E die Energie, h eine Konstante, die sogenannte Plancksche Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und (der griechische Buchstabe Lambda) die Wellenlänge. Sie können dieser Gleichung entnehmen, dass die Energie umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, da die Wellenlänge im Nenner des Bruchs steht. Wenn die Wellenlänge abnimmt, wächst die Energie.

Und was ist elektromagnetische Strahlung? Es ist eine Art und Weise, in der sich Photonen in Form von elektromagnetischen Wellen durch den Raum bewegen. Diese Wellen sind Träger von Energie und Impuls, und sie können sich durch das Vakuum des Weltraums und durch einige Materialien bewegen. Das sichtbare Licht ist eine Art der elektromagnetischen Strahlung, wie Sie Abbildung 1.1 entnehmen können. Das gilt aber ebenso für Radiowellen, Röntgenstrahlen und andere Arten der Strahlung.

Wellen schlagen

Es sind die Wellenlängen, die uns Farben sehen lassen. Jedes Mal, wenn Sie nach einem Regenguss in den Himmel schauen und einen wunderschönen Regenbogen sehen, wird diese wunderbare Rundung durch winzige Wassertröpfchen verursacht, die das sichtbare Licht in seine verschiedenen Farben aufspalten, die Farben des Regenbogens! Das violette Licht, das Sie sehen, hat die kürzeste sichtbare Wellenlänge, Grün liegt in der Mitte, und Rot hat die längste Wellenlänge. Wie Sie in diesem Buch lernen werden, kann die Idee der Farben weit über das elektromagnetische Spektrum hinaus ausgedehnt werden. Die Wellenlängen des Lichts, das von einem Körper abgestrahlt oder reflektiert wird, hängen mit seiner Zusammensetzung zusammen und können auch dazu benutzt werden, um seine Geschwindigkeit und seine Entfernung von der Erde zu bestimmen.

Diese einfache Erläuterung der Wellenlängen mag Sinn ergeben, aber wie bei zahlreichen Ideen in der Astrophysik ist es etwas komplizierter, als es den Anschein hat. Licht im Speziellen und elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen hat sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Licht kann sich auch im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. (Schockierend, nicht wahr, zu hören, dass die Geschwindigkeit, mit der sich Licht bewegt, die Lichtgeschwindigkeit ist?) Wie sich gezeigt hat, ist die Lichtgeschwindigkeit eine fundamentale, feststehende Konstante – nichts kann sich schneller bewegen als Licht, und Licht (das ja elektromagnetische Strahlung ist!) bewegt sich immer mit dieser Geschwindigkeit durch ein Vakuum.

In diesem Buch spielen verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums eine Rolle, weil verschiedene Himmelskörper im Weltall ihr Vorhandensein auch auf unterschiedliche Weise kundtun. Sterne senden beispielsweise hauptsächlich sichtbares Licht aus, das man einfach messen kann, aber andere Objekte, wie etwa Neutronensterne, senden Gammastrahlen aus.

Himmelskörper senden mehr als eine Art von Strahlung aus. Abbildung 1.2 zeigt eine bekannte Gas- und Staubwolke namens Krebsnebel, wie sie durch Teleskope mit fünf verschiedenen Wellenlängen, vom Radiowellen- über den sichtbaren bis zum Röntgenbereich, beobachtet wird. In dem Abschnitt mit den Farbfotos finden Sie eine wunderschöne Version mit verschiedenen Wellenlängen.

Abbildung 1.2: Der Krebsnebel sendet Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen aus (mit freundlicher Genehmigung von G. Dubner (IAFE, CONICET-University of Buenos Aires) et al., NRAO//AUI/NSF, A. Loll et al., T. Temim et al., F. Seward et al., Chandra/CXC, Spitzer/JPL-Caltech, XMM-Newton/ESA und Hubble/STScl).

Astrophysiker verwenden sowohl auf der Erde als auch im Weltraum verschiedene Arten von Teleskopen, um verschiedene Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beobachten zu können. Es ist oftmals die Kombination verschiedener Datensätze mit verschiedenen Wellenlängen, wie in Abbildung 1.2 gezeigt, die neue Erkenntnisse über die Abläufe im Universum liefert.

Astronomen verwenden bei kürzeren Wellenlängen manchmal stattdessen die Frequenz zu ihrer Definition. Die Frequenz ist einfach als die Anzahl der Wellenzyklen pro Sekunde definiert und steht somit im umgekehrten Verhältnis zur Wellenlänge. Wenn die Wellenlänge zunimmt, nimmt die Frequenz ab. Für Licht und andere Arten der elektromagnetischen Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, kann die Beziehung wie folgt ausgedrückt werden:

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und ν (der griechische Buchstabe Ny) die Frequenz. Die Wellenlänge wird in Längeneinheiten ausgedrückt (in der Regel Meter oder Nanometer), während die Einheit der Frequenz das Hertz ist (ein Hertz bedeutet ein Zyklus pro Sekunde).

LICHT CONTRA SCHALL

Nicht nur das Licht kommt in der Form von Wellen daher! Eine weitere wohlbekannte Art der Wellen sind die Schallwellen. Dem Schall liegt allerdings ein völlig anderes Prinzip zugrunde (und eine andere Art von Wellen) als der elektromagnetischen Strahlung. Der größte Unterschied besteht darin, dass Schall ein Medium benötigt, um sich fortzubewegen. Schall kann durch die Luft übertragen werden, aber auch durch die Vibration eines Musikinstruments oder den Fußboden mit den Boxen des Nachbarn unter Ihnen. Im Gegensatz zu Licht kann sich Schall jedoch nicht durch ein Vakuum ausbreiten. All diese Science-Fiction-Filme mit Raumschiffen, die durch das Weltall rauschen, sind genau das – Fiktion.

Passende Werkzeuge

Ganz egal, wie gut Ihr Sehvermögen auch sein mag, Sie werden in den Tiefen des Weltalls niemals etwas ohne Hilfsmittel sehen können. Wenn Sie keine Superkräfte haben, werden Sie auch keine Gammastrahlen, Röntgenstrahlen oder Radiowellen mit bloßem Auge sehen können. Himmelskörper wie Pulsare und Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern senden beispielsweise Röntgenstrahlen aus, und diese sind für das menschliche Auge unsichtbar, da sie am »kurzen« Ende des elektromagnetischen Spektrums liegen. Ohne eine spezielle Ausrüstung gibt es keine realistische Möglichkeit, etwas über diese Art von Objekten zu erfahren. In den folgenden Abschnitten werden die gebräuchlichsten Arten von Instrumenten vorgestellt, die Astrophysiker zur Beobachtung benötigen, sowie die Unterschiede zwischen ihnen erläutert.

Das Wesentliche über Teleskope und astronomische Instrumente

Wenn Sie jemals Ihren Blick auf den Nachthimmel in einer Großstadt mit dem auf dem Land oder in einer Wüste verglichen haben, wissen Sie, dass man umso mehr Sterne sehen kann, je dunkler der Himmel ist. Astronomen gehen mit dem Konzept »dunkler Himmel ist besser« noch einen Schritt weiter, wenn es darum geht, Beobachtungen zu machen. Obwohl Sie mit bloßen Augen, einem Fernglas oder einem kleinen Teleskop einen ersten Blick auf den Himmel werfen können, ist für die wissenschaftliche Beobachtung, die der Schlüssel zur Astrophysik ist, ein größeres Teleskop erforderlich.

Gilt bei Teleskopen »je größer, desto besser«? Unbedingt, da die meisten wissenschaftlichen Teleskope das Licht der Sterne mit Spiegeln erfassen. Spiegel mit einem größeren Durchmesser sammeln mehr Licht, was es Ihnen ermöglicht, schwächere oder weiter entfernte Sterne zu beobachten.

Die meisten wissenschaftlichen optischen astronomischen Observatorien befinden sich auf den Gipfeln von Bergen, möglichst weit weg von der Zivilisation – dafür gibt es zwei Gründe:

Berge sind in der Regel etwas weiter von großen Städten entfernt. Der Himmel ist dunkler, weil es weniger Lichtverschmutzung durch Großstadtlichter gibt.

Berggipfel liegen gewöhnlich höher als Städte (außer Sie befinden sich in Denver, Colorado (USA), der Stadt, die den Spitznamen »Mile High City« trägt.) Je höher Sie kommen, desto dünner wird die Atmosphäre, sodass weniger Hindernisse wie Luft und Wasserdampf zwischen Ihnen und den Sternen liegen. Da die Atmosphäre ständig in Bewegung ist, kann sie zu unscharfen Bildern führen, und der Wasserdampf kann Farben blockieren. Folglich ist es umso besser, je weniger Atmosphäre vorhanden ist.

Der Zugang zu einigen Arten von Observatorien ist auch ohne lange, kurvenreiche Bergstraßen möglich. Radioteleskope können sich beispielsweise auf Meereshöhe befinden. Sie müssen trotzdem eine gewisse Entfernung zur Zivilisation haben, da sie extrem empfindlich auf Störungen im Radiowellenbereich des EM-Spektrums reagieren. Wenn ein Wissenschaftler mit einem optischen Teleskop arbeitet, muss er darauf achten, künstliche Lichter fernzuhalten, weil sie die Sicht stören würden.

In Observatorien mit Radioteleskopen sind jedoch Mobiltelefone verboten, weil die von ihnen ausgehende Strahlung zu Störungen bei den Radioteleskopen führt. Sonnenteleskope sind dagegen tagsüber in Betrieb und benötigen keinen dunklen Himmel. Diese Teleskope arbeiten oft mit speziellen Filtern, um das intensive Licht der Sonne so weit abzuschwächen, dass man arbeiten kann, ohne dass die Instrumente Feuer fangen.

Profi-Tipp: Versuchen Sie nicht, ohne spezielle Beobachtungsbrillen in die Sonne zu schauen! Die ultravioletten Strahlen der Sonne können leicht Ihre Netzhaut verbrennen und dauerhafte Schäden verursachen.

Außerdem verfügen nicht alle Observatorien über die gleichen Arten von Teleskopen. Optische Observatorien verwenden Teleskope, die Licht im infraroten und im sichtbaren Bereich des EM-Spektrums sehen, während Millimeterwellen- und Radioobservatorien bei längeren Wellenlängen eingesetzt werden.

Teleskope, die mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten, unterscheiden sich gewöhnlich voneinander. Zum Beispiel gilt:

Optische Spiegelteleskope haben reflektierende Spiegel, um das Licht einzufangen.

Optische Linsenteleskope (die heutzutage nur noch in der Hobby-Astronomie verwendet werden) bestehen aus zwei oder mehr Linsen, die über einen Tubus miteinander verbunden sind.

Radioteleskope verwenden die gleiche Technologie wie riesige Satellitenschüsseln.

Einige Radioteleskope arbeiten sogar in noch größeren Dimensionen, da sie über Dutzende (oder mehr) Antennen verfügen. Die Signale werden mithilfe einer Technik, die Interferometrie heißt, zusammengekoppelt. So vergrößert sich die effektive Basis (engl. Baseline) der aus den Antennen zusammengesetzten Arrays (Teleskopnetzwerke), die Empfindlichkeit wird erhöht und kleinere, weiter entfernte Objekte im Weltall können gemessen werden. Das Prinzip der Interferometrie funktioniert auch im sichtbaren Wellenlängenbereich – das Large Binocular Telescope (LBT, siehe Abbildung 1.3