Akademie für Ältere Heidelberg 2019/1. Halbjahr


Faszination Astronomie - eine Einführung in die moderne Astronomie

Seminar für Senioren 2019:


Dienstag 08:45 - 10:15 Uhr

Volkshochschule Heidelberg, Raum E10

Bergheimer Straße 76

Moderne Astronomie


Horizon
Abb.: Sturmsysteme auf Jupiter
[Bild: Juno/NASA/JPL]


Kaum eine andere Naturwissenschaft hat in den letzten 100 Jahren eine so stürmische Entwicklung genommen wie die Astronomie. Sie hat Entdeckungen hervorgebracht, die unser Weltbild drastsich verändert haben. Wichtige Meilensteine auf diesem Wege waren die Entwicklung der modernen Spiegelteleskope und ihrer Detektoren, sowie von leistungsfähigen Computern. Noch vor 100 Jahren endete das sichtbare Universum am Rand der Milchstraße. Heute überblicken wir dank Hubble das gesamte Universum - etwa 100 Milliarden Galaxien bleiben zu erforschen!

Turbulenz
Abb.: Galaxien sind die Bausteine des Universums. Über 100 Milliarden Galaxien sind im sichtbaren Universum aufzuspüren. Bisher sind nur einige Millionen von ihnen erfasst worden.

Schlüssel zu den Erkenntnissen der Astronomie ist die Entwicklung der Spiegelteleskope in den letzten 100 Jahren. Über 70 Jahre lang dominierten das Mount Wilson Observatorium und das Mount Palomar Observatorium die astronomischen Beobachtungen. Erst in den 1970er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde Europa astronomisch gesehen erwachsen. Mit der technischen Entwicklung der 8- bis 10-Meter optischen Teleskopen eröffnete sich eine neue Ära der beobachtenden Astronomie. Die beiden Keck 10-m Teleskope und die vier 8-m VLT Teleskope der ESO haben neue Einsichten ins Universum gebracht.


Moderne Astronomie

Da wir viele neue Teilnehmer in unserem Astronomiekreis begrüssen konnten, habe ich beschlossen, eine Einführung in die moderne Astronomie zu beginnen. Dazu verwenden wir für dieses 1. Jahr als Grundlage mein Buch:

Daten und Themen des Seminars




2018/2: Programm 2018/2. Halbjahr


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08. Januar: Prinzip der kleinsten Wirkung


Wir diskutieren zuerst die klassische Mechanik von Newton.
Die Newtonsche Mechanik beruht auf dem Hamiltonschen Prinzip oder dem Prinzip der kleinsten Wirkung: Das Hamiltonsche Prinzip der Theoretischen Mechanik ist ein Extremalprinzip. Physikalische Teilchen (und Felder) nehmen danach für eine bestimmte Größe einen extremalen Wert an. Diese Bewertung nennt man Wirkung, mathematisch ist die Wirkung ein Funktional, daher auch die Bezeichnung Wirkungsfunktional.

15. Januar: Einstein denkt anders !


Immer wieder verfallen wir in den alten Trott und versuchen alles mit Newton zu erklären. Einstein denkt anders. So wird auch die Bewegung von Körpern nicht durch die Gravitationskraft erklärt, sondern durch Geodätische! Was eine Geodäte ist, können wir schon bei Gauß nachlesen. Dieses Konzept müssen wir jetzt auf die 4-dimensionale RaumZeit übertragen: Wir bewegen uns in der RaumZeit so, dass unsere eigene Uhr die längste Zeit anzeigt. Der Stern S2 bewegt sich um das Schwarze Loch im Galaktischen Zentrum, so dass er das längste Leben hat! Wir laufen genau so um die Sonne, dass die Zeit maximal vergeht. Die übliche Darstellung mit Delle in der Membran ist leider falsch.

22. Januar: Planetenbahnen in Schwarzschild


Die RaumZeit der Sonne wird durch die Schwarzschild-Geometrie beschrieben. Am 13. Januar 1916 hat Karl Schwarzschild diese Lösung der ART publiziert. Darin bewegen sich die Planeten auf zeitartigen Geodäten.

29. Januar: Rotierende Schwarze Löcher


Wie alle Objekte des Universums rotieren auch Schwarze Löcher. Der Australische Mathematiker Roy Kerr hat diese Lösung 1963 aus den Einsteinschen Gleichungen hergeleitet.
==> Die Kerr-Geometrie

5. Februar: Europa mit Günther Hasinger


ESA Science Direktor Günther Hasinger berichtet über die Missionen der ESA - Stand 2019 - sowie die Pläne für die Zukunft anlässlich eines Vortrags in Göttingen (1h Video-Aufzeichnung).

12. Februar: Geometrie des Horizonts


Roy Kerr hat 1963 die Lösung für ein rotierendes Schwarzes Loch gefunden- sie wird allgemein als Kerr-Geometrie bezeichnet. Diese RaumZeit ist heute das Modell eines rotierenden Schwarzen Lochs - allein durch Masse M und Drehimpuls J bestimmt. Damit ist auch die Oberfläche des Horizonts allein durch diese beiden Parameter bestimmt: A = A(M,J) . Das ist der Ausgangspunkt der Bekenstein-Entropie eines Schwarzen Lochs.

19. Februar: Hauptsätze Schwarze Löcher


Wie lauten die Hauptsätze in der Thermodynamik?
Wie lauten die Hauptsätze für Schwarze Löcher?
Was impliziert der dritte Hauptsatz?
Was bedeutet die Entropie eines Schwarzen Lochs?

26. Februar: fällt aus!



5. März: Fasching!



12. März: Wann und wie bilden sich Galaxien?


Eine der zentralen Fragen der modernen Astronomie und Kosmologie ist, wann und wie sich die Galaxien aus der "Ursuppe" überhaupt gebildet haben. In einem Versuch, ein vollständigeres Bild der Galaxienentstehung zu entwickeln, haben Forscher des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien, der Max-Planck-Institute für Astrophysik und Astronomie, des Massachusetts Institute of Technology, der Harvard University und des Center for Computational Astrophysics in New York hat sich im Hochleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS), einer der drei deutschen Supercomputing-Einrichtungen der Weltklasse, die das Gauss Centre for Supercomputing (GCS) bilden, an Supercomputer-Ressourcen gewandt. Die resultierende Simulation wird dazu beitragen, bestehendes experimentelles Wissen über die frühen Stadien des Universums zu verifizieren und zu erweitern.

19. März: Galaxien mit IllustrisTNG


Astrophysiker aus Heidelberg, Garching und den USA haben neue Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien erzielt. Sie berechneten den Einfluss Schwarzer Löcher auf die Verteilung der Dunklen Materie, die Produktion und Verbreitung schwerer Elemente im Kosmos und den Ursprung der Magnetfelder.

26. März: 21 cm Absorption im CMB


Die ersten Sterne bilden sich bereits einige hundert Millionen Jahre nach der Rekombination.

2. April: Die ersten Galaxien entstehen


Die ersten Galaxien bilden sich bereits 400 Millionen Jahre nach der Rekombination

9. April: Grundlagen heutiges Weltmodell


Wir erinnern uns an die wesentlichen Punkte des heutigen Weltmodells:
Friedmann-Gleichungen, kosmische Rotverschiebung, Distanzen, Alter etc.

16. April: Wie bilden sich Kugelsternhaufen?


Unsere Milchstraße hat 150 - 200 Kugelsternhaufen, Messier 87 jedoch ganze 10.000. Kugelsternhaufen bilden sich, wenn Galaxien entstehen - aber wie?
==> Grundlage der Diskussion ist die Arbeit von Choksi et al. 2018, arXiv:1801.03515

23. April: Schwarz-Loch-Binaries


Das Verschmelzen von Doppelsystemen aus Schwarzen Löchern ereignet sich laut LIGO-Daten mit einer Rate von 12 - 200 pro Gpc³ und pro Jahr.
==> Grundlage der Diskussion ist die Arbeit von Choksi et al. 2019, arXiv:1809.01164

30. April: GWellen vom BHB-Verschmelzen


Albert Einstein
Abb.: Doppelsterne emittieren Gravitationswellen mit der doppelten Umlaufsfrequenz, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum ausbreiten.

7. Mai: Bedrohung durch Asteroiden?



14. Mai: Exkursion Nördlinger Ries


Vor 14,5 Millionen Jahren rast ein etwa 1 km großer Asteroid, begleitet von einem 150 m großen Trabanten, auf die Erde zu. Beide schlagen mit einer Geschwindigkeit von über 70.000 km/h auf der Albhochfläche ein und erzeugen zwei Krater mit Durchmessern von 25 und 4 km: Das Nördlinger Ries und das Steinheimer Becken.
Am Einschlagspunkt entsteht ein Druck von mehreren Millionen bar und eine Temperatur von mehr als 20.000˚C: Der Asteroid und ein Teil der getroffenen Gesteine werden verdampft und aufgeschmolzen. Eine Druckfront (Stoßwelle) rast mit Überschall durch das tiefer liegende Gestein, verändert es und führt zur Bildung von Hochdruckmineralen wie Coesit, Stishovit und Diamant. In den ersten Sekunden nach dem Einschlag entsteht eine Kraterhohlform, die eine Tiefe von 4,5 km erreicht. Am Ende kollabiert der Krater und wird flacher. Nach wenigen Minuten sind alle Gesteinsbewegungen beendet. Die Glutwolke fällt in sich zusammen und lagert sich als heiße, mehrere 100 m mächtige Gesteinsmasse – Suevit genannt – im Krater und in isolierten Bereichen außerhalb des Kraters ab.

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