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Theor. Astrophysik

Ausgewählte Abhandlungen in der theoretischen Astrophysik

  • Akkretionsprozesse
  • Numerische Relativitätstheorie
  • Planetenentstehung
  • Relativistische Astrophysik
  • Kompakte Objekte 

1. Thermodynamische Grundlagen
1.1 Einige thermodynamische Relationen
1.2 Ideales Fermigas
1.3 Bosegas, Strahlungsdruck und Planck-Verteilung

2. Sternaufbau und Sternentwicklung
2.1 Hydrostatisches Gleichgewicht
2.1.1 Polytrope Gaskugeln
2.2 Virialsatz, Stabilitätskriterien
2.3 Überblick über die Sternentwicklung

3. Hydrodynamik, Strahlungstransport und Magnetohydrodynamik
3.1 Die hydrodynamischen Gleichungen
3.1.1 Bedingungen für eine hydrodynamische Beschreibung
3.1.2 Hydrodynamische Gleichungen
3.1.3 Relativistische Hydrodynamik
3
.2 Strömungsunstetigkeiten
3.2.1 Stoßwellen in einem idealen Gas
3.3 Strömungsinstabilitäten
3.3.1 Rayleigh-Taylor Instabilität
3.3.2 Kelvin-Helmholtz Instabilität
3.3.3 Konvektive Instabilität
3.4 Strahlungstransport
3.5 Magnetohydrodynamik

4. Dynamische Phänomene
4.0 Zusammenfassung: Grundgleichungen von Sternaufbau und Entwicklung
4.1 Weiße Zwerge, Chandrasekhar-Masse und thermonukleare Supernovae
4.1.1 Zur Geschichte
4.1.2 Die Chandrasekhar Grenzmasse
4.1.3 Entwicklung von Weißen Zwergen
4.1.4 Thermonukleare Supernovae
4.2 Gravitationskollaps und neutrino-getriebene Supernovae
4
.3 Akkretionsscheiben

 


 

Theoretische Astrophysik

Allgemeines

 

In dieser Rubrik habe ich nicht vor, einen langen Vortrag über theoretische Astrophysik zu halten, denn dieses hochinteressante Fachgebiet ist so umfangreich und so vielfältig, daß man dafür mehrere Semester an der Universität braucht, um einen großen Teil zu erfassen und auch die gewonnenen Fachkenntnisse einwandfrei anwenden zu können. Ich hoffe jedoch, Ihnen hier einen kleinen Einblick in diese wunderbare und sagenhafte Welt unseres Kosmos zu vermitteln, damit Sie problemlos die Unterschiede, aber auch die Gemeinsamkeiten zwischen dieser Disziplin und anderen Tätigkeitsfeldern der theoretischen Physik klar sehen. Es ist eine Welt, bei der manches physikalisches Phänomen sich immer noch zum Teil unserer vollständigen Verständnis entzieht, wie zum Beispiel der Urknall selbst, der exakte Aufbau von Neutronensternen und Schwarzen Löchern, die Dunkle Materie und die Dunkle Energie, die beschleunigte Expansion unseres Universums u.v.m.

 

Die theoretische Astrophysik ist keine grundlegende Theorie wie z.B. die Allgemeine Relativitätstheorie, die Quantenmechanik, die Statistische Mechanik oder die Elektrodynamik, sondern theoretische Astrophysik ist angewandte theoretische Physik. Aus diem Grund muß der theoretische Astrophysiker über ein gutes und breites Wissen über fast alle Bereiche der theoretischen Physik, um Erfolg bei seiner Arbeit zu haben. Zu diesem "Wissensreservoir" gehören folgende Disziplinen: Plasmaphysik, Elementarteilchenphysik, Kernphysik, Kosmochemie, Elektromagnetismus, Plasmaphysik, Optik, Akustik, Festkörperphysik, Computational Physics und Thermodynamik. Es gibt eine Menge astrophysikalische Phänomene, für deren Verständnis wir als theoretische Astrophysiker eine Vielzahl theoretischer Erkenntnisse aus den oben erwähnten Disziplinen, sowie minuziös geführte Beobachtungsdaten von Astronomen anwenden und vernetzen müssen, um zu einer aussagekräftigen Hypothese zu gelangen, die so schlüssig und unangreifbar sein muß, um von der Fachwelt als anerkannte Theorie zu gelten. Somit ist die Welt und das berufliche Leben eines theoretischen Astrophysikers sehr abwechslungsreich, spannend, aber die entsprechende Tätigkeit ist auch sehr anspruchsvoll und verlangt vollen Einsatz von Seiten des Wissenschaftlers.

 

Die theoretische Astrophysik ist ein Zweig der Astrophysik, der versucht, die von den Astronomen beobachteten Phänomene zu interpretieren und zu erklären. Für diesen Zweck erstellen die theoretischen Astrophysiker mathematische Modelle, um die Beobachtungen zu reproduzieren und vorauszusagen. In den meisten Fällen ist es ein schwieriges Unterfangen, die Implikationen von physikalischen Modellen zu verstehen, abgesehen davon, daß man dafür sehr viel Zeit und viel Mühe braucht. Das Rüstzeug eines theoretischen Astrophysikers ist die höhere Mathematik. Viele astrophysikalische Prozesse lassen sich durch partielle Differentialgleichungen beschreiben, für die nur in Ausnahmesituationen eine exakte analytische Lösung gefunden werden kann. Weit verbreitete Methoden in der Astrophysik sind daher numerische Berechnungen (Numerik) und Simulationen. Die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse werden mit den Beobachtungen der Astronomen verglichen, und es wird überprüft, ob sie auch übereinstimmen.

 

Das heißt, die theoretische Astrophysik bedient sich bei ihrer (Forschungs-)Arbeit eines Werkzeugspektrums, das analytische Modelle und numerische Simulationen beinhaltet. Jedes Werkzeug für sich bietet seine Vorteile und muß dem Problem entsprechend angewandt werden. Die analytischen Modelle (wie zum Beispiel die Polytropen, die das Verhalten eines Sterns erklären – Polytrop bezeichnet die allgemeine Form einer thermodynamischen Zustandsänderug eines idealen Gases, für die pVn = const. gilt) sind geeignet, um zu einem besseren Verständnis der zentralen Bedeutung eines physikalischen Prozesses zu gelangen. Die numerischen Simulationen werden dazu angewandt, um von sehr komplizierten Gleichungen beschriebene Systeme zu untersuchen, was unter Umständen Phänomene ans Licht bringt, bei denen es unmöglich wäre, sie a priori mit analytischen Methoden zu studieren. Einige dieser Phänomene seien hier tabellarisch angegeben:

  
Physikalischer ProzeßVersuchswerkzeugTheoretisches ModellErklärungen / Voraussagen
GravitationRadioteleskopeSelbstgravitatorisches SystemErzeugung eines Sternsystems
KernfusionSpektroskopieSternentwicklungWie Sterne leuchten
UrknallRaumteleskop Hubble, COBEExpansion des UniversumsAlter des Universums
Quantenfluktuationen Kosmische InflationFlachheits-Problem
GravitationskollapsRöntgenastronomie Allgemeine RelativitätstheorieSchwarze Löcher im Zentrum von Andromeda
CNO-Zykus in den Sternen    
 

 

Die Dunkle Materie und die Dunkle Energie sind aktuelle Themen in der Astrophysik, die auf Entdeckung derselben und die während der Untersuchung von Galaxien entstandene Kontrovers zurückzuführen sind. Zur Klärung dieser beiden Phänomene (DN, DE) leistet die Elementarteilchenphysik einen wesentlichen Beitrag. In der Hauptpräsentation meiner Website (auch unter der Rubrik "Astrophysik – Zum Auftakt") stelle ich mein Weltbild bzgl. der Dunklen Materie und Dunklen Energie mit Hilfe meiner 6- bzw. 12-dimensionale Superquantengravitation mit hyperkomplexer G-Topologie vor. 

 

Bevor ich auf die Tätigskeitsfelder der theoretischen Astrophysik eingehe, möchte ich zu den Verzwickungen zwischen dieser Disziplin und den weiter oben genannten Fachgebieten der theoretischen Physik einige Details angeben, weil ich es für das Verständnis der theoretischen Astrophysik überaus wichtig halte. Die folgende Zusammenfassung soll nur als Orientierung helfen und stellt nicht den.Anspruch auf Vollständigkeit.

 

Mechanik und Stellardynamik:

Diese Fachgebiete der theoretischen Physik sind von elementarer Bedeutung für die stellare Physik, d. h. zum Studium des Sternaufbaus, und auch für die Bewegung von Sternen und alle Sterne in einer Galaxie.

 

Akustik:

Viele Sterne, unter ihnen auch unsere Sonne, führen Schwingungen aus, die von den Gleichungen der Akustik beschrieben werden können. Diese Pulsationen sind nicht anderes als die Folge von Schallwellen in einem heißen, ionisierten Gas.

 

Thermodynamik:

Ausgehend von den Erkenntnissen, die man für ein ideales Fermi-Gas, Bose-Gas gewonnen wurden, werden u. a. der Strahlungsdruck (wachsende Proto-Sterne, Sternkollaps) und die Planck-Verteilung (Spektral- und Intensitätsverteilung, Approximation der Planck-Verteilung der thermischen Photonen in Sternen durch eine geeignete Überlagerung von Bremsstrahlungsspektren sehr gut approximiert, und die erzeugten (g,n)-Reaktionsprodukte werden über ihre g-Aktivität mit hoher Sensitivität nachgewiesen) untersucht. Die stellare Physik, aber auch die Kosmologie, profitieren von der Thermodynamik (Abkühlung des Universums, Aufheizung einzelner Komponenten wie z. B. des intergalaktischen Mediums), Gas und Staub als interstellares Medium im Raum zwischen den Sternen einer Galaxie werden mit thermodynamischen Gesetzen beschrieben.

 

Optik:

Die Optik ist zur Entwicklung von Beobachtungsgeräten für die Astrophysik unabdingbar. Aber auch Konzepte aus der Optik können in der theoretischen Astrophysik bei komplizierten Problemstellungen weiterhelfen, die scheinbar ganz anderer Art sind, als das, was man in der Optik kennt; dazu gehören zum Beispiel die sogenannten Gravitationslinsen, wie sie von Galaxienhaufen gebildet werden können.

 

Elektromagnetismus:

Daß in der Astrophysik nur so von Phänomenen des Elektromagnetismus wimmelt, zeigen deutlich die genauen Untersuchungen von kosmischen Objekten. Da haben wir es mit der Entstehung von stellaren Magnetfeldern durch Dynamoeffekte zu tun, die Pulsare werden mit den elektromagnetischen Gesetzen als Neutronensterne mit starr mitrotierendem Magnetfeld einer bestimten Orientierung identifiziert.

 

Festkörperphysik (Atom- und Molekülphysik:

Sie hilft bei der Erklärung zur Bildung und den Eigenschaften von interstellarem Staub. Atome, Ionen und Moleküle senden die Strahlung aus, die wir von der Oberfläche von Sternen und Planeten empfangen.

 

Kernphysik:

Wichtig für das Verständnis der Prozeße, die sich im Inneren von Sternen abspielen (Energieerzeugung und Aufrechterhaltung, Reaktionsrae beim Zusammenstoß verschiedener Kerne, welche Temperaturen und Dichten herrschen dort. Bei der Bildung von Neutronensternen (Sternkollaps) tritt Kernmaterie in Extremzuständen auf, die wir hier auf der Erden mit keinem Beschleuniger reproduzieren können.

 

Elementarteilchenphysik:

Massereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien speien sogenannte kosmische Jets, die eine wichtige ntürliche Quelle für hochenergetische Teilchen sind. Vergessen wir auch nicht, daß man zur Zeit auf der Suche nach Superpartnern der Elementarteilchen sind, mit denen man versucht, das Geheimnis der Dunklen Materie zu lüften.

 

Plasmaphysik:

Ein Plasma ist ein vollständig oder teilweise ionisiertes Gas, das als nunmehr elektrisch leitendes Medium eine Reihe von Eigenschaften besitzt, die es von Gasen, Flüssigkeiten oder festen Körpern deutlich und grundsätzlich unterscheidet. Alle Sterne sind Plasmen bzw. Plasakugeln, denn sie sind sehr heiß. Aber auch das Medium zwischen den Sternen ist im Plasmazustand. Dieses Gas ist so dünn, daß bereits das schwache Sternlicht dazu ausreicht, den Atomen, das ein oder andere Elektron zu entreissen und damit zu einer nennenswerten Ionisation zu führen. In Plasmen wirken elektrische und magnetische Kräfte, die die Bewegungen der Teilchen stark beeinflussen. Die viel leichteren Elektronen können sich relativ zu den 2000 mal schwereren Ionen schnell bewegen. Dies führt wie in Metallen zu elektrischen Strömen, die wiederum Magnetfelder produzieren. Da die geladenen Teilchen an die magnetischen Feldlinien gebunden sind, entstehen "Röhren", in denen Plasma strömt. Dieses Phänomen kann man bei Sonneneruptionen (Ausbrüchen) beobachten.

 

Computational Physics:

Für Simulationen alle Art. Ohne Superrechner wäre die Astrophysik heute – salopp ausgedrückt – aufgeschmissen.

 

Wie Sie sehen, bei der Erforschung des Weltalls und für das Verständnis aller kosmischen Prozeße seit Entstehung unseres Universums ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen diesen Disziplinen und der Astrophysik sehr wichtig und unverzichtbar.

 

Nach obiger Aufzählung könnten man den Eindruck gewinnen, daß nur die theoretische Astrophysik von den anderen Disziplinen profitiert (hat). Das ist gewiß nicht der Fall. Der Austausch ist alles andere als einseitig und auch nicht ein bloßes Anwenden physikalischer Erkenntnisse. Gerade die grundlegenden Theorien der Physik (Mechanik, Elektrodynamik, Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie, Quantenmechanik, Statistische Mechanik, Quantenfeldtheorie) haben unmittelbar von Fragestellungen zunächst der Astronomie und später dann der theoretischen Astrophysik bei ihrer eigenen Entwicklung einen großen Nutzen gehabt.

 

Bei allem gegenseitigen Nutzen und regen Austausch gibt es zwei wesentliche Unterschiede zwischen der (theoretischen) Astrophysik und den meisten Teilgebieten der Physik, welche sich jedoch nicht auf die theoretischen Ideen der Astrophysik selbst, sondern auf deren experimentelle Überprüfung, und da haben wir Astrophysiker einen kleinen bzw. großen Nachteil, denn diese experimentelle Überprüfung anhand von Laborversuchen kann ja nicht in dieser Form erfolgen, sondern der theoretische Astrophysiker muß sich vorläufig damit begnügen, Signale, die von den untersuchten Objekten ausgesandt werden, zu sammeln, auszuwerten und aus den Resultaten eine schlüssige Theorie zu entwickeln, die nicht nur in der Lage ist, das untersuchte Objekt genau zu beschreiben, sondern sogar eine Voraussage über seine Weiterentwicklung bzw. seines Schicksals zu treffen. Zu diesen Signalen gehören Photonen, in jüngster Zeit auch Neutrinos, aber auch Gravitationswellen). Diese beiden Unterschiede sind:

 

1.   Es gibt sehr oft Beobachtungen, bei denen es unmöglich ist, den Prozeß zu wiederholen (z. B.
      eine Supernova explodiert nur einmal, etc.).

 

2.   Die Beobachtung (das eigentliche "Feldexperiment") kann nicht so gut kontrolliert und untersucht werden wie ein Labor. Außerdem muß die weitgehend unkontrollierbare Umgebung bei der Auslegung der Daten immer und unmittelbar miteinbezogen werden (z. B. die wellenlängeabhängige Absorption von Photonen durch das dazwischenliegende interstellare Medium bei der Beobachtung eines weit entfernten Objektes). Daß solche Umgebungen unkontrollierbaren und kaum nachvollziehbaren Einflüssen unterworfen sind, erschwert auch die Arbeit. (Aber theoretische Astrophysiker sind zähe Leute!).

 

Damit haben wir einen ungefähren Überblick über das Zusammenspiel beider Disziplinen.

 

Die theoretische Astrophysik beschäftigt sich mit folgenden Teilgebieten:

 

  • Die Kosmologie
  • Dis kompakten Sterne
  • Die Schwarzen Löcher
  • Die aktiven Kerne von Galaxien
  • Das interstellare Medium
  • Die chemische Entwicklung des Universums
  • Die Dynamik von Galaxien
  • Theorie des Sternaufbaus und der Sternentwicklung
  • Stoßwellen, Strömungsinstabilitäten, Strahlungstransport und –prozeße, Magnetohydrodynamik
  • Physik der weißen Zwerge und thermonuklearer Supernovae
  • Physik der Akkretionsscheiben
  • Gravitationskollaps massereicher Sterne und neutrino-getriebene Supernovae
  • Stellardynamik
  • Nukleosynthese und chemische Entwicklung
  • Relativitätstheorie und Schwarze Löcher
  • Hochenergieastrophysik
  • Physik der Planeten, Entstehung des Sonnensystems
  • Physik der Planeten, Entstehung des Sonnensystems
  • Interstellares Medium und Sternentstehung
  • Kosmologie und Strukturbildung
  • Galaxien und Galaxienhaufen

 

 

 


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