Geschichte der Astronomie Altertum Kalender Finsternisse Form der

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

Ekliptik und Wandersterne

Kalender • Problem: 1 Jahr = 365. 2422 Tage • Aegypten: 1 Jahr = 365 Tage Siriusaufgang verspätet sich mit den Jahren nach 1460 = 365 x 4 Jahren ist Siriusaufgang rechtzeitig Julianischer Kalender: Schalttag alle 4 Jahre • 1 Jahr = 365. 25 Tage Gregorianischer Kalender: (Korrektur 10 Tage) kein Schalttag falls: J/100 ganzzahlig und J/400 nicht ganzzahlig • Astronomisches Datum (JD: Julian Date) • JD = 0 = 1. 1. 4713 v. Chr. • JD(21. Sept. 2011, 1100) = 2`456`189. 95833

Sonnen- und Mondfinsternisse konnten vorausgesagt werden

Trennungsmythen Nut und Geb: Himmel und Erde werden getrennt

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 3 x 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

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

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)

www. bernd-loibl. de

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

Bewegung der Planeten: innere Planeten immer nahe der Sonne

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

Epizyklen: erste Approximation zweite Approximation

www. bernd-loibl. de

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

Astronomie im Mittelalter 1054 Supernova (Krebs-Nebel) Keine abendländische Dokumente (Sternhimmel ist eine perfekte und daher unveränderliche Schöpfung) vor 1500 System von Ptolemäus wird von Arabern gelehrt Al Battani 858 -928, Al Sufi 903 -986, Alfons X von Kastilien 1226 -1284 Alfonsische Tafeln 1492 Kolumbus Entdeckung von Amerika 1473 -1542 Kopernikus Kopernikanisches Weltbild (Aristarch), heliozentrisches Weltbild mit Kreisbahnen und Epizyklen für Planeten 1546 -1601 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

www. bernd-loibl. de

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

Tycho Brahe 1546 -1601

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

Keplersche Gesetze 1. Planeten auf Ellipsenbahnen, Sonne in einem Brennpunkt 2. Verbindungslinie Planet-Sonne überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächenstücke 3. P 2/a 3 = const. a

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

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 = 6 x 107 km = 0. 4 AE) • alle anderen Distanzen folgen aus Keplergesetz a 3 Mars/P 2 Mars = a 3 Erde/P 2 Erde = const. und d = a. Mars(tx) - a. Erde(tx) 3 Gleichungen und 3 Unbekannte: a. Mars, a. Erde, const (GMsun/4π2) für alle anderen Planeten folgt a aus: a 3/P 2 = const

Distanzen zu den Sternen • Basis für die Triangulation ist die Erdbahn um die Sonne Basislänge 1 AE = 1. 5 x 108 km AE = Astronomische Einheit π d AE Parallaxe (Winkel) für π = 1‘‘ = 2π / (360 x 60) = 1/206265 ist d = AE/π = 3. 094 x 1013 km d Die Distanz d(1“) = 3. 094 x 1013 km ist eine Einheitsdistanz in der Astronomie und wird als parsec bezeichnet

• 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. 3 pc) • • • 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) •

Physikalische Grundgesetze Newtonsche Mechanik Die 3 Newtonschen Gesetze der Mechanik (1687): 1) 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 • •

Eigenschaften des Lichts • Lichtgeschwindigkeit (300‘ 000 km/s) • Erfindung der Pendeluhr (Huygens 1659) – 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

• Absorptionlinien im Sonnenspektrum (entdeckt von Frauenhofer 1814 Frauenhofer-Linien) KH Ca. II G CH F HI b E Mg. I Fe. II D Na. I C HI B A O 2|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

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

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

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

Galaktozentrisches Weltbild: Liegt die Milchstrasse im Zentrum des Universums? Sind Nebel (Spiralnebel) auch Milchstrassensysteme? M 51: William Parsons (Lord Rosse) endeckte 1845 die zum ersten Mal eine Spiralstruktur eines “Nebels” ( Zeichnung links)

Rotverschiebung Ca. II (Ca+)-Doublett in hellsten Galaxien in Galaxienhaufen Annahme: gleiche absolute Helligkeit (Standardkerzen) • scheinbare Helligkeit ist ein grobes Mass fuer Distanz l ~ L / 4πd 2 (1+z)2

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

“Zeitmaschinen”

HDF Hubble Deep Field 2. 5‘‘ x 2. 5‘‘ (3 x 10 -8 des Himmels) ~3000 Objekte (~20 Sterne) Das Licht der entferntesten Objekte wurde „nur“ 2 -5 Mia Jahre nach dem Urknall ausgesandt!

Fluktuationen (~0. 001%) im Mikrowellenhintergrund