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: 21 cm mit EDGES


Die ersten Sterne bilden sich bereits 200 Millionen Jahre nach der Rekombination.

9. April: Sternbildung im lokalen Universum


Im Unterschied zum frühen Universum ist Sternbildung in unserer Milchstraße heute recht gut verstanden.

16. April: The Ring of Fire in M 87


Das erste Bild von einem Schwarzen Loch in Messier 87 ?

23. April: Akkretions-Torus um Schwarzes Loch


Magnetische Turbulenz treibt die Akkretion auf ein Schwarzes Loch.

30. April: 100 Jahre Lichtablenkung


Die erste gezielte experimentelle Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART), die in der Öffentlichkeit großes Aufsehen erregte und diese Theorie berühmt machte, wurde 1919 durchgeführt. Dabei wurde die Sonnenfinsternis vom 29. Mai 1919 ausgenutzt, um die scheinbare Verschiebung der Position eines Sternes nahe der Sonnenscheibe zu messen, da hier der Effekt am stärksten sein sollte. Die Voraussage der Einstein’schen Theorie, dass Sternenlicht, das auf seinem Weg zur Erde den Rand der Sonnenscheibe streift, um 1,75 Bogensekunden abgelenkt werden sollte, wurde bei dieser ursprünglichen Messung mit einer Abweichung von 20 % bestätigt.

7. Mai: Asteroiden im Anflug auf die Erde


Rein statistisch gesehen schlagen 14-mal im Jahr irgendwo auf der Erde Meteoriten oder Asteroiden ein . Hinzu kommen Sonnenstürme, die auf das Magnetfeld der Erde wirken können und Weltraumschrott. Der Mensch hat also gute Gründe, sich mit den Gefahren aus dem All und einer möglichen Abwehr zu befassen.

14. Mai: Exkursion Nördlinger Ries


Vor 14,8 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. In der Folge bildet sich ein Kratersee, der später verlandet.

21. Mai: Vor 250 Millionen Jahren ...


Das Massensterben vor 250 Millionen Jahren übertraf in seinem Ausmaß selbst das Ende der Dinosaurier und wurde vermutlich durch einen Supervulkanausbruch in Sibirien ausgelöst. Das verheerendste Massensterben aller Zeiten fand vor 250 Millionen Jahren statt. 90 Prozent aller Meereslebewesen und 70 Prozent der Landbewohner starben aus, so auch die Trilobiten, eine primitive Krebsart, die als Leitfossilien eine Rolle spielen. In den Gesteinsschichten der Erde ist dies erkennbar, als Grenze zwischen den Erdzeitaltern Perm und Trias, auch mit P/T abgekürzt. Das Massensterben dauerte etwa 8000 bis 100.000 Jahre - eine Mikrosekunde auf der geologischen Zeitskala.

28. Mai: 9000 Jahre Klima & Sonne


Sonnenaktivität ist die Veränderung in der Menge der Strahlung von der Sonne in ihrer spektralen Verteilung über Jahre bis Jahrtausenden emittiert. Diese Variationen haben periodische Komponenten, etwa den rund 11-jährigen Sonnenzyklus. Die Veränderungen zeigen auch aperiodische Schwankungen. In den letzten Jahrzehnten ist die Sonnenaktivität durch Satelliten gemessen worden, davor wurde sie mit sog. 'Proxy'-Variablen geschätzt.

4. Juni: Klima & Sonneneinstrahlung II




11. Juni: Alexander Gerst bei Markus Lanz


Am 14. Mai 2019 war Alexander Gerst zu Gast bei Markus Lanz (zdf Mediathek). Gerst erzählt von seiner Mission als Kommandant der ISS und äußert sich zum Klimawandel.

18. Juni: Klima - ein chaotisches System ?


Kann man das Klima eindeutig vorhersagen?
„Das Klimasystem ist ein gekoppeltes, nichtlineares chaotisches System. Daher ist die langfristige Vorhersage zukünftiger Klimazustände nicht möglich“. – IPCC TAR WG1, Working Group I: The Scientific Basis.

25. Juni: Chaotische Systeme II


Chaos ist vielfältig.
Das Chaos-Pendel und das Lorenz-System.

2. Juli: Das Lorenz-System & El Nino


Chaos ist vielfältig
Untersuchungen am Lorenz-System.
Anwendungen: El Nino und die Konvektion in Sternen.

9. Juli: Vor 50 Jahren & das Sonnenwindsegel


Vor 50 Jahren ist Apollo 11 auf dem Mond gelandet, Ulrich Walter erklärt die Zusammenhänge.
Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, der ständig von der Sonne in alle Richtungen abströmt. Im Vergleich zum Sternwind anderer Fixsterne ist er relativ schwach und muss bei der Ursonne stärker gewesen sein. Der Sonnenwind stellt ein sogenanntes Plasma dar, das elektrisch hoch leitfähig ist. Die Sonne verliert durch den Sonnenwind pro Sekunde etwa eine Million Tonnen ihrer Masse mit nur geringer zeitlicher Variation. Außerhalb der Beschleunigungszone von 10 bis 20 Sonnenradien ändert sich die Geschwindigkeit des Sonnenwindes kaum noch, sodass seine Dichte mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Der schnelle Sonnenwind beschleunigt weiter bis etwa 10 bis 20 Sonnenradien Distanz, ab dann strömt er mit ungefähr konstanter Überschallgeschwindigkeit fort. In Erdnähe hat der Sonnenwind eine Dichte von ungefähr 5 Millionen Teilchen pro Kubikmeter und eine Temperatur von etwa 800.000 K. Die Existenz des Sonnenwinds konnte erst 1959 durch die sowjetische Lunik 1 und 1962 durch die amerikanische Raumsonde Mariner 2 auf ihrem Weg zur Venus experimentell bestätigt werden.

16. Juli: Hannes Alfven & die Magnetfelder


Hannes Olof Gösta Alfvén war ein schwedischer Physiker. Er erhielt 1970 den Physik-Nobelpreis für „seine grundlegenden Leistungen und Entdeckungen in der Magnetohydrodynamik mit fruchtbaren Anwendungen in verschiedenen Teilen der Plasmaphysik“.

23. Juli: Wellen im Plasma & Sonnenwind


Die Magnetohydrodynamik spielt nicht nur in der Technik eine wichtige Rolle, sondern auch in der Astrophysik. Magnetfelder im Plasma verändern die Schallwellen und erzeugen zusätzliche Wellen, die Alfvén-Wellen. Auch der Sonnenwind kann nur mit Magnetfeldern verstanden werden.

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Sommerpause bis 8. September 2019



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10. Sept: Die Gottes-Formel & Kolonialisierung


Wir diskutieren einige amüsante Betrachtungen, die vom Astronauten Ulrich Walter stammen.

17. Sept.: Die Lokale Leere (Local Void)


Als Lokale Leere (engl. Local Void) wird eine ausgedehnte leere Region des Raumes bezeichnet, welche direkt an die Lokale Gruppe angrenzt. Die Lokale Leere wurde 1987 von Brent Tully und Rick Fischer entdeckt und besteht aus drei Separaten Sektoren, welche durch dünne Filamente getrennt sind. Das genaue Ausmaß der Leere ist nicht bekannt, beträgt jedoch geschätzt mindestens 45 Million Parsec (150 Millionen Lichtjahre) und bis zu 70 Million Parsec (230 Millionen Lichtjahre).