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Astrophysik
Die Astrophysik befasst sich mit den physikalischen Grundlagen der Erforschung von Himmelserscheinungen und ist ein Teilgebiet der Astronomie.
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Was ist Astrophysik?
Die Astrophysik befasst sich mit den physikalischen Grundlagen der Erforschung von Himmelserscheinungen. Sie ist ein Teilgebiet der Astronomie und eine Erweiterung der klassischen Astronomie, die vor allem aus Astrometrie (genauer Vermessung von Himmelskörpern) und Himmelsmechanik (Berechnung von Bewegungen am Himmel) bestand. Heute macht die Astrophysik große Bereiche der astronomischen Forschung aus.
Anfänge der Astrophysik
Viele Historiker datieren den Beginn der Verschmelzung von Astronomie und Physik auf den Anfang des 17. Jahrhunderts, genauer auf die Entdeckung der Keplerschen Gesetze. Keplers langjähriger Lehrmeister und Freund Michael Mästlin war einer der Ersten, die Kepler als ersten Astrophysiker ansahen, auch wenn er ihm empfahl, astronomische Fragen nur mit astronomischen, nicht physikalischen Ursachen und Hypothesen zu erklären und physikalische Ursachen außer Betracht zu lassen. Kepler und Galileo Galilei befassten sich intensiv mit den Arbeiten des englischen Arztes und Physikers William Gilbert. Gilbert unterschied als Erster eindeutig zwischen Magnetismus und statischer Elektrizität und war überzeugt, dass die Erde als ein einziger Magnet mit zwei Polen anzusehen ist. Magnetismus galt ihm als die „Seele“ der Erde, woraus er eine ganze „magnetische Philosophie“ entwickelte. Viele Wissenschaftler der damaligen Zeit nahmen die Entdeckungen von Kepler, Galileo und Gilbert nicht ernst, was ihre Arbeiten vernachlässigte; so vergingen noch zwei weitere Jahrhunderte, bis die alchemistischen Ansichten verlassen wurden. Als tatsächliche Geburtsstunde der Astrophysik geben viele Naturwissenschaftler das Jahr 1838 an: Friedrich Wilhelm Bessel, Thomas James Henderson und Friedrich Georg Wilhelm Struve bestätigten das kopernikanische Weltbild durch die ersten Messungen trigonometrischer Sternparallaxen (scheinbare Positionsverschiebung naher Sterne durch die Erdbewegung). Weitere Basis waren die Sternphotometrie, also die Messung der scheinbaren Helligkeit der Sterne, und die beinahe parallel entwickelte Spektrumanalyse durch Joseph von Fraunhofer, Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen. Bereits 1814 hatte Fraunhofer dunkle Linien im Sonnenspektrum entdeckt, die Fraunhoferlinien, ohne allerdings ihren Ursprung erklären zu können. Nach A. Unsöld und B. Baschek begann die „eigentliche Astrophysik“, das heißt die Erforschung der Sterne mit physikalischen Methoden, als Kirchhoff und Bunsen 1859 in Heidelberg die Spektrumanalyse sowie die Deutung der Fraunhoferlinien im Sonnenspektrum entdeckten. 1860 formulierte Kirchhoff die Grundlagen der Strahlungstheorie, insbesondere den Kirchhoffschen Satz, der im thermodynamischen Gleichgewicht die Beziehungen zwischen Emission und Absorption der Strahlung festlegt. Dieser Satz bildete zusammen mit dem Doppler’schen Prinzip (Δλ/λ = ν/c) vierzig Jahre lang das ganze gedankliche Gerüst der Astrophysik.
Entwicklung ab 1859
Die Feststellungen von Kirchhoff und Bunsen wurden ab der Mitte des 19. Jahrhunderts sofort von Astronomen angewandt. 1863 veröffentlichte Angelo Secchi darauf basierende Studien; Lewis Morris Rutherfurd aus New York und William Huggins aus London veröffentlichten in dieser Zeit bahnbrechende Arbeiten zur Astrophysik. Bei einer Sonnenfinsternis in Indien am 18. August 1868 entdeckte Jules Janssen in der Korona der Sonne mit Hilfe der chemischen Beobachtung durch Spektralanalyse ein damals noch unbekanntes Element: Helium. Viele bekannte Wissenschaftler leisteten in den folgenden Jahren interdisziplinäre Grundlagenforschung. Hermann von Helmholtz formulierte in seinem Buch „Über die Erhaltung der Kraft“ (1847) den Energieerhaltungssatz detaillierter als Julius Robert von Mayer es 1842 getan hatte und trug so wesentlich zur Anerkennung dieses zunächst sehr umstrittenen Prinzips bei; damit erbrachte er die Grundsätze für die Gravitationsenergie. Antoine Henri Becquerel, der Entdecker der Radioaktivität, legte 1896 den Grundstein für die Messung des Zerfalls von Isotopen. George Howard Darwin, Sohn von Charles Darwin, untersuchte ab 1882 mit mathematischen Methoden den Effekt der Gezeiten auf das Sonnensystem und wurde ein anerkannter Experte auf diesem Gebiet. John Joly schlug 1899 vor, das Alter der Erde aus dem Natriumgehalt der Ozeane zu bestimmen, in der Annahme, dass dessen Konzentration durch Erosion an Land stetig zunimmt; danach schätzte er das Alter der Erde auf 80 bis 100 Millionen Jahre. 1903 schlug er in einem Nature-Artikel eine bessere Methode vor: die Abschätzung des Erdzeitalters aus dem radioaktiven Zerfall von Radium. 1907 maß Bertram Boltwood das Alter von Gesteinen durch den radioaktiven Zerfall von Uran zu Blei (Uran-Blei-Datierung).
Klassische Forschungsgebiete
Die klassischen Teilgebiete der Astrophysik sind: Physikalische Kosmologie (Kosmogonie), also die Entstehungsgeschichte des Universums; Entstehung und Evolution von Sternen; Sonnenphysik; Astroteilchenphysik; Kosmochemie (chemische Evolution der Elemente) und Nukleosynthese; Gravitationsdynamik, also Entstehung und Entwicklung von Galaxien; Schwarze Löcher; Neutronensterne; sowie Entstehung und Evolution von Planetensystemen (Exoplaneten, Planemos, Braune Zwerge).
Theorie und Beobachtung
Die Theoretische Astrophysik versucht, anhand von Modellen Himmelserscheinungen vorauszusagen oder nachzubilden. Viele astrophysikalische Prozesse lassen sich durch partielle Differentialgleichungen beschreiben, für die nur in Ausnahmesituationen eine exakte analytische Lösung gefunden werden kann. Weit verbreitet sind daher numerische Berechnungen (Numerik) und Simulationen, die mit einem üblichen PC (2008) Tage bis Wochen dauern würden; in der Praxis greift man deshalb oft auf Supercomputer oder Cluster zurück. Die gewonnenen Resultate vergleicht man mit Beobachtungen und prüft, ob sie übereinstimmen. Die Theoretische Astrophysik beschäftigt sich unter anderem mit der Allgemeinen Relativitätstheorie, dem Sternaufbau, dem Strahlungstransport, der Formation von Sternen und der Magnetohydrodynamik. Die wichtigste Methode der Beobachtenden Astrophysik ist die Spektralanalyse der elektromagnetischen Strahlung. Der Beobachtungsbereich erstreckt sich von langwelligen Radiowellen (Radioastronomie) bis zu kurzwelligen und damit hochenergetischen Gammastrahlen und umfasst etwa 20 Zehnerpotenzen. Von der Erde aus können außer sichtbarem Licht Radiowellen und einige Teile des Infrarotbereichs beobachtet werden; der größte Teil des infraroten Lichts, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung sind nur von Satelliten aus beobachtbar, da die Erdatmosphäre als Filter wirkt. Sterne werden nach Spektralklassen und Leuchtkraftklassen klassifiziert und in ein Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) eingetragen; die Lage im HRD legt fast alle physikalischen Eigenschaften des Sterns fest. Zur Entfernungsbestimmung kann man das Farben-Helligkeits-Diagramm (FHD) benutzen. Neben einzelnen Sternen werden vor allem Galaxien und Galaxienhaufen beobachtet, mit erdgebundenen Teleskopen, die oft zu Clustern zusammengeschaltet sind (z. B. HEGRA), sowie mit Weltraumteleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop; häufig werden auch Satelliten mit Detektoren und Teleskopen gestartet. Daneben interessieren sich Astrophysiker für den kosmischen Strahlungshintergrund.
Astrophysik im Labor und ihr Verhältnis zur Physik
Lange Zeit kannte die Astrophysik so gut wie keine Laborexperimente. Erst die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Teleskope ab der Jahrtausendwende führte zum Entstehen der Laborastrophysik. Sie erzeugt und untersucht bislang unbekannte Moleküle; auf Grundlage der im Labor gewonnenen Spektrogramme und mithilfe großer Radioteleskope lassen sich diese Moleküle dann in interstellaren Gaswolken nachweisen. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf chemische Prozesse ziehen, die dort etwa bei Sternengeburten stattfinden. Weltweit gibt es nur rund 20 laborastrophysikalische Forschergruppen, in Deutschland an der Universität Kassel, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Universität zu Köln. Des Weiteren gibt es Labore, die sich mit der Entstehung von Planeten befassen, wie die Universität Braunschweig und die Universität Duisburg-Essen: Neben Computersimulationen zur Kollision und zum Wachstum von Staubpartikeln werden dort auch einige Laborexperimente durchgeführt, die unter anderem in Schwerelosigkeit fortgeführt werden. Die Astrophysik ist prinzipiell auf Beobachtungen und Messungen angewiesen, denn konstruierte Experimente sind wegen der Größe der Forschungsobjekte und der Nichtreproduzierbarkeit einmaliger kosmologischer Ereignisse (Urknall) ausgeschlossen. Viele Messungen haben aufgrund ihrer Kleinheit (z. B. Objektgrößen oder Winkelabstände) einen großen relativen Fehler; daraus indirekt bestimmte Größen wie Sternmassen, -alter oder -entfernungen sind entsprechend mit hohen Ungenauigkeiten verbunden. Bei anderen Messungen lassen sich jedoch auch hohe Genauigkeiten erreichen, etwa bei der Spektroskopie der Sternatmosphären, bei Radar-Messungen zum Mond oder im Vorbeiflug an Objekten sowie durch statistische Methoden mit vielen unabhängigen Messungen. Trotz dieser grundsätzlichen Verschiedenheit zu allen anderen physikalischen Teildisziplinen nutzen Astrophysiker Methoden und Gesetzmäßigkeiten aus anderen Gebieten der Physik, insbesondere aus der Kern- und Teilchenphysik (etwa Detektoren zur Messung bestimmter Teilchen bei bestimmten Energien), und beginnen, die Nukleare Astrophysik zu entwickeln. In der Theoretischen Astrophysik ist die Anlehnung an die Plasmaphysik besonders eng, da sich viele astronomische Erscheinungen wie Sternenatmosphären oder Materiewolken in guter Näherung als Plasmen beschreiben lassen. Die Astrophysik greift außerdem, insbesondere in der Theorie, oft auf Methoden der Statistischen Mechanik bzw. der Thermodynamik zurück; auch die Quantenmechanik spielt eine wichtige Rolle.
