Multimessenger Astronomie

ISBN-13: 9783031360381 / Niemiecki

John Etienne Beckman

Spis treści

Vorwort von Rainer Weiss (Nobelpreisträger)

Einleitung

Das elektromagnetische Spektrum wird anhand eines Diagramms dargestellt, in dem die verschiedenen Wellenlängenbereiche erläutert werden und der Beginn der Beobachtungen für jeden Bereich als eine kleine Reihe von Daten innerhalb des XX Jahrhunderts markiert wird. Darüber hinaus werden in einem zweiten Diagramm die nicht-elektromagnetischen Formen des Nachweises von astronomischen Quellen und die Daten des Beginns jeder dieser Quellen dargestellt. 

1. Optische Astronomie.

Das optische Teleskop . Spektrograf. Fotografische Platte. CCD.

Wichtige Teleskope (Sehr kurze Zusammenfassung der Geschichte, einschließlich der frühesten Teleskope: Lippershey, Galileo, Newton, Cassegrain, Earl of Rosse, Herschel, Mt. Wilson, Mt. Palomar, Hubble Space Telescope, Adaptive Optik).

Grundlegende Ergebnisse: Bilder von Sternhaufen, interstellar emittierendem Gas, Galaxien, Galaxienhaufen. Spektren von herausragenden Objekten. Geschwindigkeiten, chemische Zusammensetzungen der Objekte, Temperaturen, Gravitationsfelder. Beschränkungen (Staub, Objekte mit sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen, nicht-thermische Emission).

2. Radioastronomie

Jansky, Radiostatik von der Milchstraße. 2. Weltkrieg: Entwicklung von Radiotechniken und Empfängern. Radioteleskope: Große Schüsseln in Jodrell Bank, Green Bank, Effelsberg, Arecibo. Interferometer: Basis, Interferometer: Cambridge, Dwingeloo, VLA. Hohe Frequenzen (Zentimeterwellen- und Millimeterwellenastronomie). VLBI.

Ergebnisse: Sonne, Jupiter, Zentrum der Galaxie (Sag A), Supernova-Überreste, Quasare, Pulsare, Jets, nicht-thermische Quellen im Allgemeinen, Kosmischer Mikrowellenhintergrund.  HI, Moleküle (vor allem H2).

3.  Infrarotastronomie

Entwicklung von Infrarotdetektoren in den 1960er Jahren. Bodengestützte Infrarot-Teleskope SIRTF, UKIRT. Satelliten IRAS, Spitzer (SIRTF).

Infrarotastronomie aus Flugzeugen, Kuiper- und Sofía-Observatorien; Sonnen-IR-Beobachtungen aus Flugzeugen, Lear Jet, Concorde-Finsternisbeobachtungen.

Grundlegende Ergebnisse: Staubdurchdringung, Galaxien- und Sternentstehung, Planetenerkennung.

4. Ultraviolettastronomie.

Ozon und Stickstoff behindern die direkte Beobachtung der meisten UV-Strahlen vom Boden aus. Ballons, Raketen und Satelliten werden benötigt.

Die astronomischen Orbitalobservatorien der NASA wurden teilweise der UV-Astronomie gewidmet. OAO3 ("Copernicus") hat interstellares Deuterium gemessen, International Ultraviolet Explorer (NASA, ESA, plus UK) hat Spektren vieler astronomischer Quellen gemessen. Halleyscher Komet, Planeten, Quasare, heiße Sterne.  Extreme Ultraviolet Explorer und in jüngster Zeit GALEX, Karten der heißen Komponenten von Galaxien.

5. Röntgenastronomie

Erste Entdeckungen mit Raketenausrüstung 1962: Sco X-1 und der Krebsnebel. Verwendung von Geigerzählern als Detektoren. 35 Quellen bis 1965. Cygnus X-1, das erste schwarze Loch mit stellarer Masse.

Frühe Satelliten HEAO-1, 1977, und Einstein. Entdeckung von Radiopulsaren, Pulsaren, Galaxien, Quasaren, Polarlichtern auf Planeten und dem Röntgenhintergrund. Chandra-Röntgenobservatorium 1999, und XMM-Newton. Röntgendoppelsterne und supermassive schwarze Löcher in Galaxienzentren.

6. Gammastrahlenastronomie

Erste Entdeckungen mit den Vela-Satelliten (1960), die zur Erkennung von Kernexplosionen entwickelt wurden, entdeckten kosmische Gammastrahlenausbrüche aus dem fernen Weltraum. Auch von der Sonne aus wurden Gammastrahlen mit dem Solar Orbiter entdeckt. Eine Reihe von Satelliten, insbesondere OSO-3 (NASA), Cos-B (ESA) bis hin zum Compton Gamma Ray Observatory in den 1990er Jahren. In jüngerer Zeit INTEGRAL und AGILE in Europa und Fermi in den USA.  Bodengestützte Gammastrahlenteleskope, die den Cherenkov-Effekt von Teilchenschauern nutzen, die durch hochenergetische Gammastrahlen erzeugt werden (HESS, MAGIC, CTA). Jüngster Katalog von HESS mit Quellen in der galaktischen Ebene. Hochenergetische Gammastrahlenausbrüche, die bei gewaltigen Ereignissen (Hypernovae, Verschmelzung von Neutronensternen und Schwarzen Löchern usw.) entstehen.

Im Jahr 2017 wurde ein Gammastrahlenausbruch mit einer Gravitationswellenquelle identifiziert, die von einer Verschmelzung eines Neutronensterns erzeugt wurde.

7. die Neutrinoastronomie

Neutrinos wurden erstmals 1956 von Cowan und Reines (Nobel) in einem Reaktor nachgewiesen. Die ersten Sonnenneutrinos wurden von Davis (Nobelpreis mit Koshiba) und Bahcall entdeckt. Terrestrische atmosphärische Neutrinos im Jahr 1965.

Unterwasserexperimente DUMAND (Unterwasser-Muonen- und Neutrinodetektor) am Baikalsee (mit drei Strings wurden die Flugbahnen von Myonen ermittelt). Unter-Eis-Experimente AMANDA in der Antarktis (nicht tief genug, um Spuren zu rekonstruieren), dann auf 2 km erweitert und Spuren aufgezeichnet; Nachfolger ist IceCube (2005). Im Jahr 2017 entdeckte IceCube ein hochenergetisches Neutrino, das zu einem 3,7 Milliarden Lichtjahre entfernten Blazar zurückverfolgt werden konnte. (in Kombination mit dem MAGIC-Gammastrahlennachweis).

8. Gravitationswellenastronomie

Indirekter Nachweis von Gravitationswellen im Orbitalzerfall binärer Pulsare (Taylor und Hulse) und spätere ähnliche Entdeckungen.

Direkte Detektoren für Gravitationswellen: LIGO

1962. Gerstenshtein und Pustovoit schlugen die Verwendung von Laserinterferometern zum Nachweis von GW vor.

Laserinterferometer. Rainer Weiss erkannte in den 1970er Jahren, dass ein Laserinterferometer für den Nachweis von Gravitationswellen Erfolg versprechend war. Kip Thorne arbeitete an der Theorie der Erzeugung dieser Wellen durch astronomische Quellen. LIGO wurde in den 1990er Jahren nach und nach von der NSF übernommen, in Zusammenarbeit mit Ron Drever (der später wegen schlechten Managements ausgeschlossen wurde!). Die Technik wurde vom GEO600-Detektor in Hannover übernommen.

Erster Betrieb von LIGO von 2002 bis 2010, ohne Erfolg. Fortgeschrittener LIGO-Betrieb im Februar 2015 in Livingstone und Hanford. Erste Entdeckung am 14. September 2015 (zwei schwarze Löcher von 30 Sonnenmassen, die in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung von der Erde verschmelzen). Seitdem

9. Astronomie der kosmischen Strahlung.

Die kosmische Strahlung wurde zwischen 1908 und 1912 von Pater Wulf (Niederländer), Pacini (Italiener) und Hess (Österreicher) mit Hilfe von elektroskopischen Entladungen entdeckt, gefolgt von Kholhörster (Deutscher). Pacini wies die Teilchen unter Wasser nach, um zu zeigen, dass sie von oben kamen, Hess und KH flogen mit Ballons. Der Begriff kosmische Strahlung wurde 1926 von Millikan eingeführt.

Kosmische Strahlung als führende Elemente zur Erforschung der Physik zwischen den 1920er und 1950er Jahren (Positron, Myon, Pion, Kaon, Lambda-Hyperon)

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung (im Vergleich zu den solaren und stellaren Abundanzen mehr LiBeB. Vergleich der Teilchen mit der kosmischen Gammastrahlung. (gleiche Quellen, Gammastrahlung ermöglicht Quellenidentifizierung).

AMS und die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung. AMS und die Suche nach primordialer Antimaterie.

10. Kosmologie und Teilchenphysik: Wechselwirkung der größten und kleinsten Skalen im Universum.

Dunkle Materie: astronomische Anhaltspunkte. Die Suche nach dunkler Materie.

Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Das sehr frühe Universum. Teleskope und Beschleuniger.

Dunkle Energie.

11. In Form eines kurzen Anhangs: Meteoriten und Kosmochemie

O autorze

John Beckman ist emeritierter Forschungsprofessor für Astrophysik am Instituto de Astrofísica de Canarias. Nach einem Studium der Theoretischen Physik an der Universität Oxford promovierte er an derselben Universität in Astrophysik. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der University of California Berkeley nahm er eine Stelle am Jet Propulsion Laboratory der NASA (Caltech) an, wo er als Projektwissenschaftler für das Infrarot-Radiometer auf der Mariner 6-Sonde zum Mars tätig war. Nach seiner Rückkehr nach England lehrte er an der Queen Mary University of London und forschte auf dem Gebiet der Millimeterwellenastronomie. Neben Forschungen im Bereich der Sonnenphysik maß seine Gruppe als erste den Spitzenwert im Spektrum des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, fast ein Jahrzehnt vor der Messung mit dem COBE-Satelliten. In dieser Zeit war er auch während der 74 Minuten dauernden längsten totalen Sonnenfinsternis der Geschichte  an der Beobachtung der Chromosphäre von einem Concorde-Flugzeug aus beteiligt. Nach einem Aufenthalt in der ESTEC-Einrichtung der Europäischen Weltraumorganisation wurde er zum ersten Forschungsdirektor des Instituto de Astrofísica de Canarias berufen, wo er seither tätig ist. 

Seine Interessen haben sich von den Planeten über die Sonne zu den Sternen und schließlich zu den Galaxien weiterentwickelt. Seine gegenwärtigen Forschungsarbeiten befassen sich mit der Struktur und Entwicklung von Galaxien, wobei er die breite Palette von Instrumenten nutzt, die an den kanarischen Observatorien zur Verfügung stehen. 

Er hat 35 Doktorarbeiten und eine ähnliche Anzahl von MSc-Dissertationen betreut und verfügt über 650 Publikationseinträge beim NASA Astrophysical Datasystem (ADS). Im Rahmen seiner Öffentlichkeitsarbeit hat er Hunderte von Vorträgen an Schulen, Universitäten und in Amateur-Astronomievereinen in einem Dutzend Ländern gehalten. Er ist wissenschaftlicher Leiter und Dozent der "Jornadas Astronomicas de Almería", die seit 2005 jährlich hochkarätige populäre Astronomie der Öffentlichkeit nahebringen, unter anderem mit Vorträgen von sieben Nobelpreisträgern und sieben ESA- und NASA-Astronauten. 

Die "Festschrift" für John Beckman anlässlich seiner 40-jährigen Forschuingstätigkeit in der Astronomie trug den Titel "Pathways through an Eclectic Universe". Sein breite Wissensspektrum macht ihn zu einem geeigneten Autor für ein Buch über Multimessenger-Astronomie, in dem er die neuesten Möglichkeiten zur Beobachtung des Universums über Neutrinos und Gravitationswellen in das Panorama der Beobachtungen einbezogen hat, die mit der gesamten Bandbreite des elektromagnetischen Spektrums gemacht werden.

Blurb

Dieses Buch wurde von einem professionellen Astronomen geschrieben, der im Laufe seiner Karriere an einem breiten Spektrum von Themen gearbeitet hat, und bietet eine populärwissenschaftliche Beschreibung dessen, was als Multimessenger-Astronomie bekannt geworden ist. Es verbindet das Neue mit dem Traditionellen und zeigt, wie sich die Astronomie in der modernen Ära immer schneller weiterentwickelt hat.

Im zweiten Jahrzehnt des einundzwanzigsten Jahrhunderts hat die Astronomie den Beginn einer Revolution erlebt. Nachdem wir jahrhundertelang alle Informationen über das Universum über elektromagnetische Wellen erhalten haben, gibt es nun mehrere völlig neue Möglichkeiten, es zu erforschen. Am spektakulärsten war der Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015, aber die Astronomie nutzt auch Neutrinos und Teilchen der kosmischen Strahlung, um die Vorgänge in den Zentren von Sternen und Galaxien zu untersuchen.

Das Buch ist stark auf Messungen und Beobachtungstechnik ausgerichtet. Es ist reichlich mit farbigen Bildern von Instrumenten, ihren Entwicklern und astronomischen Objekten illustriert und wird durch Beschreibungen der zugrunde liegenden Theorien und Konzepte ergänzt, die Vorhersagen, Beobachtungen und Experimente miteinander verbinden. Der rote Faden ist weitgehend historisch, obwohl er natürlich nicht enzyklopädisch sein kann. Es deckt die Entwicklungen der Astronomie des zwanzigsten Jahrhunderts bis Ende 2020 so vollständig wie möglich ab.

Das Buch richtet sich an ein breites interessiertes Publikum und Leser populär-wissenschaftlicher Magazine. Ein tieferes Verständnis von Physik ist nicht erforderlich.

Die Übersetzung wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz durchgeführt. Eine anschließende menschliche Überarbeitung erfolgte vor allem in Bezug auf den Inhalt.