Hochschultext

Simon Mitton

Die Erforschung der Galaxien Übersetzt von D. Schallwich und M. Reinhardt

Mit 36 Abbildungen und 22 Tafeln

Spri nger-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978

Dr. Si mon Mitton Institute of Astronomy, Madingley Road Cambridge CB3 OHA, Great Britain Übersetzer:

Dipl.-Phys. Dietmar Schallwich Professor Dr. Michael Reinhardt Ruhr-Universität Bochum, Astronomisches Institut Universitätsstraße 150, 4630 Bochum-Querenburg

Die englische Originalausgabe erschien 1976 unter dem Titel Exploring the Galaxies bei Faber and Faber Limited, London. © by Simon Mitton, 1976

ISBN-13 : 978-3-540-08909-4 001 : 10.1007/978-3-642-67024-4

e-ISBN-13 : 978-3-642-67024-4

CIP·Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek. Mitton, Simon: Die Erforschung der Galaxien. Berlin, Heidelberg, New York : Springer, 1978. (Hochschultext) Einheitssacht.: Exploring the galaxies < dt. > Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wieder' gabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungs· anlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfältigungen für gewerbliche Zwecke ist gemäß § 54 UrhG eine Vergütung an den Verlag zu zahlen, deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist.

© by Springer'Verlag Berlin Heidelberg 1978. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen· und Markenschutz·Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gesamtherstellung: Beltz Offsetdruck, 6944 Hemsbach 2153/3130·543210

Vorwort

Die Erforschung des Universums muß als eine der großen intellektuellen Leistungen unserer Zivilisation betrachtet werden . Astronomen können uns heute mittels großer, empfindlicher Teleskope in eine frühe Epoche in der Entwicklung des Universums zurückversetzen. Unser Wissen von den Maßen des Kosmos und von seinen Ursprüngen stammt größtenteils von Beobachtungen von Objekten jenseits der Milchstraße . Zu diesen Himmelskörpern gehören Quasare, Radiogalaxien und aktive Galaxien genauso tlie die normalen Spiral- und elliptischen Galaxien. Unser Verständnis vom extragalaktischen Universum ist stark gewachsen, seitdem Radio-, Infrarot- und Röntgenmessungen ziemlich leicht gemacht werden können. Die Erschließung dieser unsichtbaren Teile des Spektrums führte zu einem explosionsartigen Anwachsen der Forschungstätigkeit an extragalaktischen Objekten. In diesem Buch habe ich versucht, in nichttechnischer Sprache die grundlegenden Eigenschaften von Galaxien und die Hauptströmungen gegenwärtiger Forschung zu erläutern. Die zweite Hälfte des Buches befaßt sich mit einer Darstellung der hauptsächlichen Probleme extragalaktischer Forschung, denen sich der Berufsastronom gegenübergestellt sieht. Viele Kollegen unterstützten mich, als ich dieses Buch schrieb . Im besonderen danke ich Donald Lynden-Bell, Jacqueline Mitton, Patrick Moore, Martin Rees, John Shakeshaft und Peter Stubbs für ihr Interesse und ihren Ansporn, sowie den vielen Leuten, die Illustrationen bereitstellten. Eine ungeheure Menge an Schreibarbeit wurde fachkundig von Gertrude Pardoe bewältigt. Institute of Astronomy, Cambridge, England im Mai 1975

Simon Mitton

Vorwort der Übersetzer

Die deutsche Fassung dieses Buches stellt eine wortgetreue übersetzung des englischen Originaltextes dar. Lediglich in Detailfragen wurde sie überarbeitet oder korrigiert, insbesondere wenn neuere Ergebnisse der Forschung dies notwendig erscheinen ließen. Dies betrifft vor allem die astronomische Entfernungsskala, die dem heute am weitesten akzeptierten Wert der Hubble-Konstante (H = 50 km s-l/Mpc ) angepaßt und durch das ganze Buch hindurch vereinheitlicht wurde. Bochum im April 1978

Dietmar Schallwich Michael Reinhardt

Inhalt

1.

Entdeckung der Galaxien 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

2.

Erforschung des Uni vers ums .......................................... . Frühe Anfänge ..............•......................................... 1 Di e Nebe 1 ............................................................ 3 Die Familie Herschel fängt mit dem Sterngucken an .................... 5 Kosmische Strudel .................................................... 7 Verstärkung für die Augen der Astronomen ............................. 8 Vom Chaos zur Ordnung ................................................ 9 Extragalaktische Systematik .......................................... 12

Beobachtung des extragalaktischen Universums 2.1 El ektromagneti sche Strahl ung .•.............•......................... 2.2 Opti sche Teleskope ................................................... 2.3 Radi ote 1eskope ...............................•....................... 2.4 Röntgenteleskope ............•........................................ 2.5 Spektroskopie ........................................................ 2.6 Himmelsdurchmusterungen .•............................................

3.

Entfernungen 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

4.

16 18 19 22 22 23

Entfernungen zu den Sternen ............•......................•...... Die Sternstromparallaxenmethode .......................... . ........... Kerzen anstatt Lineal ..................................••....•........ Standardkerzen in den Magellanschen Wolken ........................... Galaxienentfernungen aus veränderlichen und explodierenden Sternen .............................................................. Wasserstoffwolken als Kerzen ......................................... Das ferne Universum ............................................•..... Das Hubb 1e-Di agramm ...............•.................................. Sind die extragalaktischen Entfernungen zuverlässig? .................

25 26 27 29 30 31 32 33 35

Untersuchungen an normalen Galaxien 4.1 Soziologie der Sterne ...............................................• 38 4.2 Spektren und Zusanmensetzung der Sterne .............................. 40

x 4.3 Morphologie der Galaxien ..... .................... .. ............ . .... 4.4 Leuchtkräfte der Galaxien........................ ...... .... ......... 4.5 Das Wiegen der Galaxien ............................................. 4.6 Farben der Galaxien...................... . .... ... ......... .... .... .. 4.7 Galaxienspektren .. .............. . ...... .... .... . ... .. .............. .. 5.

Das Innere der Galaxien 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5. 6

6.

Der stellare Inhalt der Galaxien Gas und Staub. ... ........... . ...... .... . .. ....... . .................. Stätten der Sternentstehung .............................. ........ ... Die Radioemission von Spiralgalaxien ................................ In welcher Art von Galaxis leben wir? ............................... Vergleich zwischen unserer Galaxis und den Magellanschen Wol ken ....•.........................................................

Gruppen von Galaxien Ausreißende Galaxien brechen die Ketten.... .... ..................... Brücken und Schwänze zwi schen den Ga 1axi en .......................... Explodierende Galaxien............. . ......... ... .. .... .......... . . .. Die Energieerzeuger

68

71

72 76 78 81

Die Kerne von Galaxien 7.1 Die Zentralgebiete von Galaxien .... ... . ..... . .... ... ................ 7.2 Das Herz der Mil chstraße ............................................ 7.3 Die Kerne normaler Galaxien.. ....... .......... ...... . ....... .. ...... 7.4 Seyfert-Galaxien . .. ... ................... . .............. ............ 7.5 Kerne als Kraftwerke der Galaxien ...................................

8.

55 56 63 65 67

Wechselwirkungen der Galaxien 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

7.

44 46 48 51 53

82 83 88 90 94

Haufen von Galaxien 8.1 Familien und Hierarchien von Galaxien ............................... 96 8.2 Unsere eigene Galaxienfamil ie ....................................... 97 8.3 Die nächsten großen Haufen .......................................... 100 8.4 Röntgens trah 1en von Haufen ... .. .............. . ..... ..... .. . ......... 101

9.

Radiogalaxien 9. 1 Die Entdeckung ferner Radioquellen ................................. 103 9.2 Optische Eigenschaften der Radiogalaxien ........ ... .............. .. 105 9.3 Eigenschaften der Radioemission .................................... 106

XI

9.4 9.5 9.6 9.7 10.

Der Aufbau der Radiogalaxien ....................................... Einige gut untersuchte Radiogalaxien ............................... Radiowellen von Kaulquappengalaxien ................. .... ........... Probleme für die Modellmacher ................•.................•...

109 111 114 116

Quasistellare Objekte Die Entdeckung der Quasare 119 10.2 Beobachtungen der Radioemission von Quasaren ....................... 123 10.3 Geheimni sse der Quasarrotverschi ebungen ............................ 125 10.4 Quasare und die Expansion des Universums . ••. ....................... 126 10.1

11.

Was liegt zwischen den Galaxien? 11.1 Brauchen wir intergalaktische Materie? ............................. 11.2 Eigenschaften des intergalaktischen Gases .......................... 11.3 Die Jagd nach neutralem Gas .• . ....•..•.....•...............•....... 11.4 Ein heißes intergalaktisches Medium ............................•... 11.5 Ist das Gas in der Nähe von Galaxienhaufen? . .........•. .. ....... .. . 11.6 Elektronen und Magnetfelder im intergalaktischen Raum .............• 11.7 Schnee, Sand, Ziegelsteine und Planeten? 11.8 Irrlichter zur Schließung des Universums ..........................• 11.9 Absch 1ießende Bemerkungen ..•••..••.......•.........................

12.

Das Energieproblem 12.1 12.2 12.3 12.4

13.

133 136 136 138 138 139 139 140 142

Ärger mi t den Radi oga 1axi en .•................•.......••......•.•... Konventionelle Energiequellen ....•....•...............•.....•••.... Schwarze Löcher und Weiße Löcher ................................... Die Zähmung der Energie .........................•.................•

143 144 146 150

Ursprung und Entwicklung der Galaxien Der Anfang der Zei t .. •............................ ... ... .. .. .. ..... Protogalaxien aus Störungen ...•.... ....... ..... .. .................. 13 .3 Entwicklung der Galaxien ...........•...................•........•.. 13.4 Spiral struktur ....... •.. .............. .....•... .................... 13.5 Die Ziele zukünftiger Forschung •....•..... ......................... 13.1 13.2

151 153 155 157 159

Namen- und Sachverzei chni s ..............•...................•.............•... 163 Verzei chni s astronomi scher Objekte ............................................ 167 Tafeln 1-22 ........................................................ nach Seite 114

Abbildungsnachweis

Der Autor dankt den folgenden Kollegen und Instituten für die Bereitstellung der Abbil dungen . Abbildungen: 1, 2 und 3, Michael Hoskin; 13, nach einem Diagramm von A. Sandage; 14, H. L. Johnson und W. W. Morgan; 19, Barry Madore; 21, D. S. Mathewson und V. L. Ford (Royal Astronomical Society copyright); 23, D. S. t4athewson, M. N. Cleary und J. D. r·lurray (University of Chicago Press copyright); 24, Eric Beckl in und Gerry Neugebauer (University of Chicago Press copyright); 25, Nicholas Scoville (University of Chicago Press copyright); 29, P. Hargrave und M. Ryle; 3D, Mullard Radio Astronomy Observatory; 31, Harry van der Laan; 32, M. Ryle und M. D. Windram; 34, Mullard Radio Astronomy Observatory. Tafeln: 1, Richard M. West, European Southern Observatory (ESO), Genf; 2, Dennis Downes, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn; 3, Vincent Reddish, Royal Observatory, Edinburgh; 4, 5, Royal Astronomical Society; 6, Guy Pooley, University of Cambridge; 7, Royal Astronomical Society; 8, Hale Observatories; 9, Wallace Sargent, Hale Observatories; 10, Hale Observatories; 11, Hale Observatories; 12, Wallace Sargent, Hale Observatories; 13, Hale Observatories und Mullard Radio Astronomy Observatory; 14, Hale Observatories; 15, Hale Observatories; 16, Roger Lynds, Kitt Peak National Observatory; 17, Vincent Reddish und UK Science Research Council; 18, Harry van der Laan, Westerbork; 19, Sidney van den Bergh, David Dunlap Observatory, Toronto; 20, Harry van der Laan, Westerbork; 21, Alan Stockton, University of Hawaii; 22, Halton Arp, Hale Observatories.