Theoretische Astronomie

Gegenstand und Arbeitsweise

Die Theoretische Astronomie untersucht Bewegungen und Eigenschaften von Himmelskörpern sowie deren Physik, Chemie und Entwicklung. Dazu verwendet sie mathematische Modelle. Sie steht in enger Verbindung mit der Kern- und Astrophysik, der Astrometrie (Positionsastronomie), der Himmelsmechanik, der Stellarstatistik und der Kosmologie.

Theoretische Astronomen arbeiten vor allem mit zwei Modelltypen. Analytische Modelle beschreiben Prozesse mathematisch und können Einblicke in innere Vorgänge geben. Computergestützte numerische Simulationen berechnen komplexe Abläufe; bei manchen unerklärten Phänomenen sind sie der einzige Weg, sich einer Erklärung anzunähern. Wegen der großen Datenmengen der beobachtenden Astronomie gehörte die Himmelskunde zu den ersten Wissenschaften, die Computer in großem Maßstab einsetzten. Numerisch-theoretische Modelle bilden deshalb einen großen Teil der heutigen Arbeitstechniken.

Die Forschenden entwickeln Modelle und leiten daraus beobachtbare Konsequenzen ab. Dadurch lassen sich unzutreffende Modelle widerlegen oder alternative Modelle unterscheiden. Neue Messungen führen häufig zu Anpassungen. Zunächst werden möglichst geringe Änderungen am Modell oder an seinen Parametern vorgenommen. Erst wenn zahlreiche Inkonsistenzen auftreten, wird das Modell vollständig verworfen. Für die Überprüfung theoretischer Modelle können auch neuartige Messinstrumente und Sensoren notwendig sein, etwa zum Nachweis von Gravitationswellen.

Entwicklung und Verbindung zur Physik

Als frühe Werke theoretischer Astronomie gelten einige Bände des Almagest von Ptolemäus. Als Pionier des Fachs im heutigen Sinn gilt Johannes Kepler (1571–1630). Seine Methodik führte zu den Kepler-Gesetzen der Planetenbewegung und zur Überlegung, dass unsichtbare Himmelskörper existieren könnten. Isaac Newton folgte mit dem Gravitationsgesetz. Heinrich Olbers verfeinerte die Methoden der Bahnbestimmung, und Simon Newcomb entwickelte genaue Bezugsysteme. Arthur Eddington erforschte um 1930 erstmals das Innere von Sternen mithilfe mathematisch-physikalischer Modelle.

Astronomie und Physik beeinflussen sich gegenseitig. Astronomische Beobachtungen dienen als „Labor“ für energiereiche Vorgänge, die auf der Erde nicht untersucht werden können. Umgekehrt erklärt die Physik astronomische Erscheinungen und ermöglicht ihre rechnerische Modellierung. Beispiele sind die Theorie der Mondbahn, thermonukleare Energiequellen im Sonnenkern und die Entwicklung großer Strukturen des Universums.

Wichtige Verbindungen zwischen physikalischen Wechselwirkungen und astronomischen Phänomenen sind:

• Elektromagnetismus erklärt Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum, thermische Strahlung, Schwarzkörperstrahlung, Licht- und Wärmestrahlung sowie Synchrotronstrahlung. Letztere steht mit astronomischen Radio- und Röntgenquellen in Verbindung.
• Die Beschleunigung geladener Teilchen ist relevant für kosmische Strahlung, aktive Galaxienkerne und Pulsare. Absorption und Streuung werden unter anderem bei interstellarer Materie untersucht.
• Kernphysik sowie die starke und schwache Wechselwirkung erklären die Nukleosynthese in Sternen und Supernovae. Das Pauli-Prinzip ist für Neutronensterne bedeutsam.
• Die Relativitätstheorie wird auf das frühe Universum angewandt. Die Gravitation beschreibt unter anderem Bahnen von Planeten, Satelliten und Doppelsternen, die Struktur des Universums, die N-Körper-Theorie in Sternhaufen und Galaxien sowie die Expansion des Weltalls.

Modelle und ihre Vorhersagen

Weitgehend geklärt und akzeptiert sind Modelle zu Supernovae, zum Urknall (Big Bang) und zur anfänglichen kosmischen Inflation. Auch weitere fundamentale physikalische Theorien der Astrophysik und Kosmologie gelten als anerkannt. Bei der Dunklen Materie gilt allerdings nur ihre vermutliche Existenz als gesichert; die Dunkle Materie selbst ist nicht in gleicher Weise theoretisch und empirisch geklärt.

Theoretische Modelle werden mit experimentellen oder beobachtenden Zugängen verbunden und sollen konkrete Vorgänge erklären oder Vorhersagen ermöglichen. Beispiele aus dem Artikel sind:

• Ein „Self-gravitating System“, also ein durch seine eigene Gravitation bestimmtes System, wird mithilfe von Radioteleskopen untersucht und kann Sternentstehung erklären.
• Kernfusion wird durch Spektroskopie untersucht. Modelle der Sternentwicklung beschreiben stellare Strahlung und Metall-Synthese.
• Beobachtungen mit dem Hubble Space Telescope und COBE stehen mit dem Modell eines expandierenden Universums in Verbindung, das Aussagen über das Weltalter ermöglicht.
• Quantenfluktuationen gehören zu den Grundlagen der kosmischen Inflation; diese steht unter anderem mit dem Flachheitsproblem in Verbindung.
• Gravitationskollaps wird durch Röntgenastronomie untersucht und mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie modelliert. Als Beispiel wird ein Schwarzes Loch in der Andromedagalaxie genannt.
• Der CNO-Zyklus im Innern von Sternen beschreibt einen Zusammenhang zwischen Kernprozessen und der Energieerzeugung in Sternen.

Aktuelle Forschungsgebiete

Zu den derzeit wichtigen Arbeitsgebieten gehören die Stellardynamik und Sternentwicklung, die Dynamik und Struktur der Milchstraße, die großräumige Massenverteilung im Universum, der Ursprung der kosmischen Strahlung sowie Allgemeine Relativität, physikalische Kosmologie und Teilchenphysik.

Die astrophysikalische Relativität untersucht Großstrukturen, die entscheidend durch Gravitation geprägt werden. In diesem Zusammenhang stehen auch die vermutete Dunkle Materie und die Theorie der Gravitationswellen.

Spezielle Forschungsthemen der theoretischen Astrophysik und Astrochemie sind:

• stellare Photosphären, Planeten-Atmosphären und Sonnenwind,
• interplanetare organische Materie und die Koma von Kometen,
• interstellare Materie, Turbulenz-Theorien und Gasnebel,
• Supernova-Radioaktivität und Staubbildung,
• die Thermodynamik Schwarzer Löcher,
• die schwache Wechselwirkung und massereiche Isotope.

Damit verbindet die Theoretische Astronomie Modelle zu Bewegungen, Strahlung, Materie, chemischen Prozessen und kosmischer Entwicklung. Ihre Aussagen werden fortlaufend an Beobachtungen und Messungen geprüft.