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Die Entfernung der Fixsterne Entfernungsbestimmung in der Astronomie Ulrich Bastian Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005.

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Präsentation zum Thema: "Die Entfernung der Fixsterne Entfernungsbestimmung in der Astronomie Ulrich Bastian Landesakademie Donaueschingen, 10.6.2005."—  Präsentation transkript:

1 Die Entfernung der Fixsterne Entfernungsbestimmung in der Astronomie Ulrich Bastian Landesakademie Donaueschingen,

2 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

3 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

4 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

5 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

6 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Einleitung Die Astronomie ist die Naturwissenschaft vom Universum Sie kann ihre Forschungsobjekte nicht anfassen Sie hat nur Strahlung als Informationsquelle

7 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Das Wesen der Astronomie Die Astronomie ist diejenige Naturwissenschaft, die sich mit den Objekten und Vorgängen außerhalb der Erde, draußen im großen, weiten Weltall beschäftigt. Sie möchte mit naturwissenschaftlichen Methoden herausfinden, was es da draußen an Himmelskörpern und Vorgängen gibt, wie das alles funktioniert, und wo das alles herkommt. Ihre vornehmsten Fragestellungen sind: Gibt es (intelligentes) Leben außerhalb der Erde? Wie ist die Erde entstanden? Wie ist das Universum als Ganzes entstanden und wie hat es sich in seinen heutigen Zustand entwickelt? Ihre Grundannahme lautet: Überall im Universum gelten die gleichen Naturgesetze, die wir hier auf der Erde in unseren physikalischen Labors feststellen.

8 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die Astronomie nimmt unter den Naturwissenschaften insofern eine Sonderrolle ein als sie ihre Forschungsobjekte nicht anfassen kann. Sie kann sie nicht ins Labor holen, nicht damit experimentieren, sie nicht verändern. Sie kann sie nur beobachten. Das einzige, was die Astronomie von ihren Forschungsobjekten an der Hand hat, das ist die Strahlung, die sie von dort erhält. Diese Strahlung wird von den Astronomen vermessen und analysiert nach drei Haupt- kriterien: Richtung, Menge und Art. Diesen drei Kriterien entsprechen die drei Grunddisziplinen der beobachten- den Astronomie: - Astrometrie, die Kunst der Positionsmessung - Photometrie, die Kunst der Helligkeitsmessung - Spektroskopie, die Kunst, Strahlung in ihre Bestandteile zu zerlegen Die Sonderrolle der Astronomie

9 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Richtung : Menge : Art : Die Astronomie analysiert Strahlung: Astrometrie Photometrie Spektroskopie

10 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die drei Disziplinen sind nicht wirklich getrennt: In Wahrheit wohnen jeder astronomischen Beobachtung stets Aspekte aller drei Disziplinen inne. Die nachfolgende Farbaufnahme eines Ausschnitts aus der Milchstraße zeigt dies sehr einfach und sehr schön: Der Sternhaufen rechts der Dunkelwolke erscheint dem Betrachter nur deshalb als Objekt vor dem Hintergrund des allgemeinen Sterngewimmels, weil - die Sterne am Himmel beisammen stehen (astrometrischer Aspekt) - die Sterne heller sind als die meisten anderen (photometrischer Aspekt) - die Sterne blauer sind als die meisten anderen (spektroskopischer Aspekt) Und noch etwas sehr Interessantes und Wichtiges zeigt dieses Bild: Die Astronomie ist eine sehr statistische Wissenschaft Sowohl die Dunkelwolke als auch der Sternhaufen sind rein statistische Phänomene. Der einzelne Stern kann darüber nichts aussagen. Aber sogar das Verständnis der einzelnen Sterne wird von der Astronomie sehr weitgehend mit statistischen Methoden gewonnen, wie wir sehen werden.

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12 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Einleitung Die Astronomie ist die Naturwissenschaft vom Universum Sie kann ihre Forschungsobjekte nicht anfassen Sie hat nur Strahlung als Informationsquelle Sie ist eine sehr statistische Wissenschaft Ein Hauptproblem: Entfernung der Objekte

13 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Ein Hauptproblem der Astronomie: Entfernungsbestimmung Ohne Kenntnis der Entfernung können wir von einem beobachteten Himmelsobjekt weder die wahre Größe noch die wahre Menge an Energieausschüttung pro Sekunde bestimmen. Wir sehen nur den (entfernungsabhängigen) scheinbaren Durchmesser am Himmel und die (entfernungsabhängige) scheinbare Helligkeit. Ohne die Kenntnis der wahren Größe eines Objekts und der wahren Menge an Energie und Strahlung, die es erzeugt, ist ein physikalisches Verständnis aber weitgehend unmöglich. Einige historische Beispiele mögen dies erläutern (nächste Folien): Die physikalische Natur der Kometen, die relative Größe der Planeten und der Sonne, die physikalische Natur der Fixsterne, die Rolle der Milchstraße im Kosmos

14 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Historische Beispiele

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16 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Was ist ein Komet? Schon seit der Antike wurde immer wieder die Frage diskutiert, ob die Kometen eine irdische Erscheinung oder eine kosmische Erscheinung sind. Eineinhalb Jahrtausende neigte sich die Meinung immer wieder zur irdischen Variante: Feurige Ausdünstungen der Erde Tycho Brahe löste das Problem: Die Kometen sind sehr viel weiter entfernt als der Mond! Und damit sind sie riesig groß, viel größer als die Erde.

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18 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Wie steht die Erde unter den Planeten? Nachdem Johannes Kepler mittels der Positionsmessungen von Tycho Brahe Anfang des 17. Jahrhunderts die Gesetze der Planetenbewegung aufgeklärt hatte, war es völlig klar, dass Jupiter im Durchschnitt genau mal so weit von der Erde entfernt war wie die Sonne. Aber wie weit das war, das war immer noch völlig unklar. Die Erde war zwar nun ein Planet unter Ihresgleichen. Aber sie hätte immer noch der bei weitem kleinste oder auch der bei weitem größte unter ihren Brüdern sein können. Ebenso war völlig unklar wie groß die Sonne ist. Es war nur aus der Beobachtung von Mondfinsternissen bekannt, dass sie größer sein musste als die Erde. Aber um wieviel größer, das war völlig unklar. Ihr Durchmesser hätte ebenso gut das Hundertfache wie das Zehntausendfache oder das Millionenfache des Erddurchmessers sein können. Es dauerte noch mehr als ein halbes Jahrhundert bis diese Frage gelöst werden konnte.

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21 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die Marsparallaxe Some historical details to the Marsparallax measurement: It was an expedition to French Guayana funded by the Paris Academy, utilizing a favourable opposition near Marss perihelion. Domenico Cassini, then director of Paris Obs., sent Jean Richer to the Isle of Cayenne to measure the culmination height of Mars relative to neighbouring stars, in parallel to identical observations from Paris. The latitude difference between Paris (about 50 deg) and Cayenne (about 5 deg north) gave an apparent shift of Mars by 15 arcsec at opposition time (delta=0.372 aU). This resulted in a Mars horizontal parallax of 25 1/3 arcsec, and a solar horizontal parallax of 9 ½ arcsec (modern value about 8 arcsec). The measured angle in radians is ^-5, or less than 1/10000 !

22 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Und die Fixsterne? Damit waren die Entfernungs- und Größenverhältnisse im Sonnensystem ein für alle Mal geklärt. Damit war auch die Größe der Sonne erstmals klar. Dass ihr Volumen nahezu 2 Millionen mal so groß wie das der Erde ist, Und ihre Masse rund Erdmassen beträgt. Und dass die Erde nur so gross ist wie der einzeln stehende kleine Sonnenfleck nahe der Bildmitte auf der nächsten Folie. Wie sieht es aber mit den Sternen aus? Schon seit dem frühen 17. Jahrhundert gab es die Vermutung, dass die vielen Lichtpünktchen am nächtlichen Himmel so etwas wie die Sonne sind. Oder anders gesagt, dass die Sonne so etwas wie ein Stern ist. Aber es dauerte zwei Jahrhunderte bis der Beweis geführt war. Schon Tycho Brahe, der alte Fuchs hatte die richtige Idee: Wenn die Erdkugel für eine Parallaxenmessung zu klein ist, dann muss eben die viel größere Erdbahn dafür herhalten!

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25 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Friedrich Wilhelm Bessel 1838: Die erste Parallaxe eines Sterns.

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27 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, NGC 2997 ca – 1924: Die große Debatte um die Natur der Galaxien

28 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur Entfernungsmessung:

29 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die Parallaxe ist die einzige Methode zur Entfernungsbestimmung in der Astronomie, die keinerlei Vorkenntnise oder Annahmen über das jeweils beobachtete Objekt benötigt. Es gibt noch drei weitere, die fast keine Annahmen machen müssen, die aber nur auf wenige Spezialobjekte anwendbar und ebenfalls astrometrischer Natur sind: - Sternstromparallaxe eines Sternhaufens, aus dem Verhältnis von Radialgeschwindigkeit und Eigenbewegung - Dynamische Parallaxen von Doppelsternen, aus dem astrometrischen Orbit und Radialgeschwindigkeitsmessungen. - Ganz neu: Entfernung von Galaxienhaufen aus Winkelabständen und Licht- laufzeitdifferenzen von Gravitationslinsenbildern. Na ja, und dann gibt es noch die Radarmethode, die aber nur innerhalb des Sonnensystems verwendbar ist (nächste Folie)

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31 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur Entfernungsmessung: Radarechos (Signallaufzeit mit Lichtgeschwindigkeit)

32 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Entfernungsmessung mittels Radarlaufzeiten

33 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur Entfernungsmessung: Radarechos (Signallaufzeit mit Lichtgeschwindigkeit) Parallaxenmessung (Triangulation)

34 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Parallaxen sind winzig!

35 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Parallaxen sind winzig! Die größte Parallaxe ist nur ca. 2/3 Bogensekunden. Das entspricht der Größe eines Menschen, gesehen aus einer Entfernung von über 500 km. Um eine Entfernung mit sinnvoller Genauigkeit zu bestimmen, muss die Messgenauigkeit bei 1/10 der Parallaxe, also bei 0.03 Bogensekunden liegen - für die größte aller Parallaxen, d.h. für den nächsten aller Sterne ! Um dies bei einer sinnvollen Zahl von Sternen zu erreichen, muss man Parallaxen mit einer Genauigkeit von Bogensekunden messen. Das entspricht der Größe eines Menschen, gesehen aus der Entfernung des Mondes, ca km.

36 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Wozu überhaupt Entfernungen? Anwendungsbeispiel HRD Im sog. Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) wird die absolute Helligkeit von Sternen gegen ihre Oberflächentemperatur aufgetragen. In den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts hatte man endlich genügend Sternparallaxen gemessen, um ein solches Diagramm einigermaßen mit Messpunkten (Sternen) füllen zu können. Dieses Diagramm kann heute mit gutem Recht als das Sinnbild der Astrophysik der Sterne im 20. Jahrhundert bezeichnet werden. Aus ihm haben die Astronomen fast unendlich viel über Sterne gelernt.

37 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die nächste Folie zeigt das Ur-HRD von Henry Noris Russell von 1919, kopiert aus: M. Hoskin, The Cambridge Illustrated History of Astronomy, S Text dazu: The Harvard spectral classifiers had noted subtle differences between otherwise identical spectra: in particular, in the later spectral types some stars had very narrow lines. In1905 Ejnar Hertzsprung noted that these stars tend to have very small proper motions, and so were probably distant and highly luminous. This first indication of the existence of what later became known as `giants and `dwarfs was strengthened by the distribution shown in Russells diagram (using known trigonometric distances).

38 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Hertzsprung- Russell- Diagramm Henry Noris Russell, 1919

39 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, K K Hertzsprung- Russell- Diagramm HIPPARCOS,

40 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Zensiert ! Geschichte der astrometrischen Messgenauigkeit

41 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Probleme erdgebundener Parallaxenmessung: - Refraktion - Szintillation - Mechanische Biegung - Thermische Biegung - Erdrotation, Nutation, Polschwankungen - Horizont Die Lösung: Man gehe in den Weltraum !

42 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, HIPPARCOS

43 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Der Name HIPPARCOS: HI high- P precision PAR parallax- CO collecting S satellite High-precision parallax-collecting satellite !

44 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

45 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Gaia

46 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Interpretation des HRD: Beispiel: Durchmesser von Sternen Riesen, Zwerge und Winzlinge

47 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die nächste Folie zeigt das Hertzsprung-Russell-Diagramm aus Hipparcos-Beobachtungen, überlagert mit einer astrophysikalischen Interpretation. Jeder Physiker weiß: Ein Quadratmeter eines heißen Gases mit von K strahlt 750 mal so viel sichtbares Licht ab wie ein Quadratmeter von 2800 K. Der Stern links oben ist ca K heiß, der Stern rechts oben nur ca K. Trotzdem sind sie gleich hell. Also ist die Oberfläche des rechten 750 mal so groß (Durchmesser 27 mal so groß). Der Stern rechts unten ist bei gleicher Temperatur fach schwächer, also seine Oberfläche fach kleiner. Und der links unten ist nochmal um den vorigen Faktor 750 kleiner (Oberfläche). Die übernächste Folie zeigt Linien gleicher Radien (in Sonnenradien). Größenvergleich: 107 = Gymnastikball von 45 cm 12= Kiwi (6 cm) 3.9 = Murmel (16 mm) 1 = Pfefferkorn (4.2 mm) 0.27 = Kulispitze (1.1 mm) 0.01 = Protozoon (42 mum)

48 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, K K

49 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, K K

50 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Parallaxenmessung ist nur in unserer unmittelbaren Nähe möglich. Nur wenige, ganz sonnennahe Sterne sind erreichbar. Deshalb haben die Astronomen einen riesigen Zoo von indirekten Methoden zur Entfernungsbestimmung entwickelt. Deshalb wird die sogenannte kosmische Entfernungsleiter benötigt, um die Tiefen des Universums auszuloten. Das Problem der Reichweite

51 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die kosmische Entfernungsleiter 1)Messe direkt die Entfernung einiger sonnennaher Sterne 2)Suche den Himmel nach gleichartigen Sternen ab (was immer das im Detail bedeuten möge) 3)Vergleiche die auf der Erde gemessenen Helligkeiten der sonnennahen und der gleichartigen Sterne: Helligkeit ~ 1 / (Entfernung) 2 4)Suche gleich weit entfernte absolut hellere Sterne (was immer das im Detail bedeuten möge), die es in der Sonnenumgebung nicht gibt. 5)Wiederhole Schritt 3 mit diesen helleren Sternen 6)Wiederhole Schritt 4 usw.

52 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Beispiel: Hauptreihenanpassung

53 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

54 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

55 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Beispiel: Pulsierende Delta-Cephei-Sterne

56 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die Entfernung des Andromedanebels

57 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Welches der beiden Autos ist näher am Betrachter?

58 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen,

59 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Deutschsprachiger Lesestoff: Spektrum der Wissenschaft 2/2000, S. 50 Eine kleine Geschichte der Astrometrie Spektrum der Wissenschaft 2/2000, S. 42 Ergebnisse der Hipparcos- Mission Sterne und Weltraum 10/1986, S. 524 Funktionsweise von Hipparcos Gaia, deutsche Informationen: http: // / gaia Gaia-Homepage: http: // / GAIA Astronomy & Astrophysics 369, S. 339 Gaia Science Overview

60 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Anhang: Weitere Methoden zur Entfernungs- bestimmung (zufällig ausgewählte, sehr aktuelle Beispiele)

61 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Erde Doppelstern Dynamische Parallaxe eines Doppelsterns (Brachte gewichtige Argumente in die derzeitig laufende Debatte um das Plejaden-Problem von Hipparcos ein)

62 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Entfernung von V838 Mon aus dem Lichtecho

63 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Astronomy picture of the day,

64 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, SS433 Oktober 2004, VLA Blundell & Bowler, Entfernung von SS433 aus der Jetgeometrie

65 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, SS433, Modell mit konstanter Geschwindigkeit

66 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, SS433, Modell mit variabler Geschwindigkeit

67 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Entfernung von Galaxienhaufen aus Röntgenhalo und Sunyayev-Zeldovich-Effekt (WMAP Mikrowellenhintergrundstrahlung) (Abell 2142 Chandra-Röntgenbild)

68 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Entfernung von Galaxienhaufen aus Röntgenhalo und Sunyayev-Zeldovich-Effekt (WMAP Mikrowellenhintergrundstrahlung) (Abell 2142 Chandra-Röntgenbild) Sei N=Gesamtzahl der Elektronen, L die Größe des Haufens: (1): SZE = Integral (Dichte) dx ~ N/L 3 mal L = N / L 2 (2): XRAY = Integral (Dichte 2 ) dx ~ N/L 6 mal L = N 2 / L 5 Aus (3): N = SZE mal L 2 Das in (2): XRAY = SZE 2 mal L 4 / L 5 = SZE 2 / L Daraus: L = SZE 2 / XRAY Entfernung: Aus Vergleich dieser linearen Größe mit dem direkt beobachteten Winkeldurchmesser (Umgeht die kosmische Entfernungsleiter, ebenso die nächste Methode)

69 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Entfernung von Galaxienhaufen aus Gravitationslinse mit Lichtlaufzeitdifferenz Quelle Linse Beobachter Bei gemessenen Winkelabständen: Die Lichtlaufzeitdifferenz ist ein bestimmter Bruchteil der gesamten Lichtlaufzeit. Vergleich mit der gemessenen Licht- laufzeitdifferenz ergibt die Entfernung Bild 1 Bild 2

70 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, Die Antwort auf Heinz Beckers Frage Ei, wie entfernt man sie denn?


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