Geschichte der Astronomie

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1 Geschichte der Astronomie
Altertum: Kalender (Finsternisse) Form der Erde Distanz zum Mond und zur Sonne Erddurchmesser Planetenbewegung Weltbild Mittelalter Kepler-Gesetze Newton zur modernen Astrophysik hervorragendes Buch: The Cambridge concise history of astronomy Michael Hoskin (ed.)

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5 Ekliptik und Wandersterne

6 in frühen Kulturen war Bedeutung von Himmelserscheinungen gross
Sonne (Jahreszeiten) Mond (Licht in der Nacht) Sterne (Orientierung) Verschiedene Kulturen kannten Astronomie, Astrologie und Kalenderwesen zum Beispiel: Aegypten (4000 v. Chr.) Sonnenjahr mit 365 Tagen, 12 Monate mit 30 Tagen + 5 Schalttage Aegypten (200 v. Chr.) Sonnenjahr mit Tagen, Schalttag alle 4 Jahre Babylonien (2700 v. Chr.) Sternbilder am Nordhimmel, Tierkreiszeichen Stonehenge (stille Zeugen)

7 Kalender Problem: 1 Jahr = 365.2422 Tage
Aegypten: 1 Jahr = 365 Tage Siriusaufgang verspätet sich mit den Jahren nach 1460 = 365x4 Jahren ist Siriusaufgang rechtzeitig Julianischer Kalender: Schalttag alle 4 Jahre 1 Jahr = Tage Gregorianischer Kalender: (Korrektur 10 Tage) kein Schalttag falls: J/100 ganzzahlig und J/400 nicht ganzzahlig Astronomisches Datum (JD: Julian Date) JD = 0 = v. Chr. JD(21.Sept.2011, 1100) = 2`456`

8 Sonnen- und Mondfinsternisse konnten vorausgesagt werden

9 Trennungsmythen Nut und Geb: Himmel und Erde werden getrennt

10 Griechische Astronomie
(Mythen Philosophie empirische Wissenschaft) 500 v. Chr. Pythagoräer Erde ist eine Kugel die sich täglich einmal dreht 400 v. Chr. Philolaus von Kroton Deutung der Planetenbewegung: Zentralfeuer um das sich Sonne, Erde und Planeten in konzentrischen Kreisen bewegen 350 v. Chr. Aristoteles Erde 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. Eratosthenes Messung des Erdumfangs (39690 km) & 150 v. Chr. Hipparch Scheinbare Geschwindigkeit der Sonne variabel, Entdeckung der Präzession 150 n. Chr. Ptolemäus (geozentr.) Epizyklentheorie für Planetenbahnen, fasst gesamtes astronomisches Wissen zusammen

11 Beobachtung der Mondfinsterniss:
Erdschatten ist rund  Erde ist rund (Aristoteles) Durchmesser Mond 1/2 Grad Mond bewegt sich ca. 1/2 Grad/Std. Totalitätsdauer einer zentralen Mondfinsterniss: ≈ 2 Stunden Durchmesser Erdschatten ≈ 3 Monddurchmesser

12 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 Mitte Mond, Sonne und 5 Planeten kreisen um die Erde Sterne befinden sich an der äussersten Sphäre (Ausnahme: Aristarch von Samos)

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14 Probleme mit dem antiken Weltbild:
Falsche Annahmen: geozentrisch Kreisbahnen gleichmässige Bewegung A. Bewegung der Erde um Sonne Näherung: Erde nicht im Zentrum des Kreises

15 Bewegung der Planeten:
innere Planeten immer nahe der Sonne

16 Bewegung der Planeten:
äussere Planeten zeigen vorläufige und rückläufige Bewegung  Epizyklen

17 Epizyklen: erste Approximation zweite Approximation

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19 Weltbild von Ptolemäus (145 n. Chr)
Epizyklen bewegen sich entlang eines grossen Kreises (Deferent)

20 Astronomie im Mittelalter
Supernova (Krebs-Nebel) Keine abendländische Dokumente (Sternhimmel ist eine perfekte und daher unveränderliche Schöpfung) vor System von Ptolemäus wird von Arabern gelehrt Al Battani , Al Sufi , Alfons X von Kastilien Alfonsische Tafeln Kolumbus  Entdeckung von Amerika Kopernikus Kopernikanisches Weltbild (Aristarch), heliozentrisches Weltbild mit Kreisbahnen und Epizyklen für Planeten Tycho Brahe Sternkatalog, 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 Lippershey erfindet das Teleskop 1564 – 1642 Galileo Galilei Verfechter der kopernikanischen Lehre (Inquisition), baut Fernrohr 1609, Entdeckt Jupitermonde, Sonnenflecken, Venusphasen, Mondgebirge (Physik: Gesetze des freien Falls und Pendelschwingungen) 1571 – 1630 Johannes Kepler Findet die 3 Keplerschen Gesetze (Mars-Daten von Tycho), heliozentrisches Weltbild mit Ellipsenbahnen

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22 Das heliozentrische Weltbild Kopernikus: De Revolutionibus (Autograph 1543, Hinterseite Blatt 9)

23 Tycho Brahe

24 Kepler: Analyse der Marsdaten von Tycho war der Schlüssel zum Durchbruch elliptische Bahnen ungleichmässige Bewegunggeschwindigkeit

25 Keplersche Gesetze Planeten auf Ellipsenbahnen, Sonne in einem Brennpunkt Verbindungslinie Planet-Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächenstücke P2/a3 = const. a

26 Galileo Galilei Entdeckt mit seinem selbstgebauten Teleskop die Jupitermonde Bewegung der Monde entspricht den Keplerschen Gesetzen

27 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) α d x Mars sin α ~ α = x/d = 6000 km / d (α = 21”, d = 6x107 km = 0.4 AE) alle anderen Distanzen folgen aus Keplergesetz a3Mars/P2Mars = a3Erde/P2Erde = 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

28 Distanzen zu den Sternen
Basis für die Triangulation ist die Erdbahn um die Sonne Basislänge 1 AE = 1.5x108 km AE = Astronomische Einheit Parallaxe (Winkel) für π = 1‘‘ = 2π / (360x60x60) = 1/206265 ist d = AE/π = x 1013 km Die Distanz d(1“) = x 1013 km ist eine Einheitsdistanz in der Astronomie und wird als parsec bezeichnet π d d AE

29 erst 1838 fand Struve die erste Sternparallaxe für Vega
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)

30 Physikalische Grundgesetze
Newtonsche Mechanik Die 3 Newtonschen Gesetze der Mechanik (1687): 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

31 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

32 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

33 Dopplereffekt: Δλ / λ = v / c
ruhende Quelle: v=0, Wellenlänge identisch sich entfernende Quelle v>0, Wellenlänge grösser  Rotverschiebung sich nähernde Quelle v<0, Wellenlänge kleiner  Blauverschiebung

34 Abschied vom Heliozentrisches Weltbild:
Liegt die Sonne im Zentrum des Universums? Holzschnitt von Thomas Wright (1750) zur Illustration der Milchstrassenstruktur

35 Sonne Shapley zeigte um 1920, dass die Sonne ca. 10 kpc vom Zentrum der räumlichen Verteilung der Kugelsternhaufen liegt (= Zentrum der Milchstrasse)

36 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)

37 Rotverschiebung Annahme:
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

38 Kosmologische Expansion
Edwin Hubble und andere entdeckten (um 1930), dass sich entfernte Galaxien von uns weg bewegen (Doppler-Effekt) Distanz d = H x v H = 70 km/s / Mpc Fluchtgeschwindigkeit Das Universum ist homogen, isotrop und expandiert

39 “Zeitmaschinen”

40 HDF Hubble Deep Field 2.5‘‘ x 2.5‘‘ ~3000 Objekte
(3x10-8 des Himmels) ~3000 Objekte (~20 Sterne) Das Licht der entferntesten Objekte wurde „nur“ 2-5 Mia Jahre nach dem Urknall ausgesandt!

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44 Fluktuationen (~0.001%) im Mikrowellenhintergrund