Die Entfernung der Fixsterne Entfernungsbestimmung in der Astronomie

Die Entfernung der Fixsterne Entfernungsbestimmung in der Astronomie Ulrich Bastian Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005

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Einleitung Die Astronomie ist die Naturwissenschaft vom Universum • Sie kann ihre Forschungsobjekte nicht anfassen • Sie hat nur Strahlung als Informationsquelle • Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 6

Die Astronomie analysiert Strahlung: Entfernungsbestimmung Richtung : Astrometrie Menge : Photometrie Art : Spektroskopie Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 9

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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 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 12

Historische Beispiele Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 14

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Friedrich Wilhelm Bessel 1838: Die erste Parallaxe eines Sterns. Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 25

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ca. 1800 – 1924: Die große Debatte um die Natur der Galaxien NGC 2997 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 27

Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur Entfernungsmessung: Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 28

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Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur Entfernungsmessung: • Radarechos (Signallaufzeit mit Lichtgeschwindigkeit) Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 31

Entfernungsmessung mittels Radarlaufzeiten Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 32

Nur zwei unvoreingenommene Methoden zur Entfernungsmessung: • Radarechos (Signallaufzeit mit Lichtgeschwindigkeit) • Parallaxenmessung (Triangulation) Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 33

Parallaxen sind winzig! Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 34

Hertzsprung. Russell. Diagramm Henry Noris Russell, 1919 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 38

10000 Hertzsprung. Russell. Diagramm 100 HIPPARCOS, 1989 -1993 1 0. 01 7400 6000 4900 4000 2800 K 0. 0001 40000 K 10000 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 39

Geschichte der astrometrischen Messgenauigkeit Zensiert ! Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 40

Probleme erdgebundener Parallaxenmessung: - Refraktion - Szintillation - Mechanische Biegung - Thermische Biegung - Erdrotation, Nutation, Polschwankungen - Horizont Die Lösung: Man gehe in den Weltraum ! Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 41

Entfernungsbestimmung HIPPARCOS 1989 -1993 Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 42

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Gaia 2011 -2016 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 45

10000 1 0. 01 7400 6000 4900 4000 2800 K 0. 0001 40000 K 10000 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 48

10000 107 100 12 3. 9 1 1. 0 0. 01 0. 27 0. 01 7400 6000 4900 4000 2800 K 0. 0001 40000 K 10000 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 49

Das Problem der Reichweite 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. Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 50

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. Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 51

Beispiel: Hauptreihenanpassung Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 52

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Die Entfernung des Andromedanebels Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 56

Welches der beiden Autos ist näher am Betrachter? Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 57

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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: // www. ari. uni-heidelberg. de / gaia Gaia-Homepage: http: // www. rssd. esa. int / GAIA Astronomy & Astrophysics 369, S. 339 Gaia Science Overview Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 59

Anhang: Weitere Methoden zur Entfernungsbestimmung (zufällig ausgewählte, sehr aktuelle Beispiele) Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 60

“Dynamische Parallaxe” eines Doppelsterns Erde Doppelstern (Brachte gewichtige Argumente in die derzeitig laufende Debatte um das “Plejaden-Problem” von Hipparcos ein) Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 61

Entfernung von V 838 Mon aus dem Lichtecho Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 62

Astronomy picture of the day, 02 -04 -2003 Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 63

Entfernung von SS 433 aus der Jetgeometrie SS 433 Oktober 2004, VLA Blundell & Bowler, www. nrao. edu/pr/2004/ss 433 corkscrew/ Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 64

SS 433, Modell mit konstanter Geschwindigkeit Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 65

SS 433, Modell mit variabler Geschwindigkeit Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 66

Entfernung von Galaxienhaufen aus Röntgenhalo und Sunyayev-Zeldovich-Effekt (Abell 2142 Chandra-Röntgenbild) Entfernungsbestimmung (WMAP Mikrowellenhintergrundstrahlung) Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 67

Entfernung von Galaxienhaufen aus Röntgenhalo und Sunyayev-Zeldovich-Effekt 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) (Abell 2142 Chandra-Röntgenbild) Entfernungsbestimmung (WMAP Mikrowellenhintergrundstrahlung) Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 68

Entfernung von Galaxienhaufen aus Gravitationslinse mit Lichtlaufzeitdifferenz Bild 1 Quelle Linse Bild 2 Beobachter Bei gemessenen Winkelabständen: Die Lichtlaufzeitdifferenz ist ein bestimmter Bruchteil der gesamten Lichtlaufzeit. Vergleich mit der gemessenen Lichtlaufzeitdifferenz ergibt die Entfernungsbestimmung Landesakademie Donaueschingen, 10. 6. 2005 69