Einführung in die theoretische Astrophysik
Introduction to theoretical Astro Physics

• Existenz astrophysikalischer Strukturen auf verschiedenen Skalen: kompakte Körper, Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen.
• Energiegleichgewichte als grundlegendes Prinzip für Dimensionsabschätzungen von Objekten im All.
• Gravitation, Bewegungsgleichungen für Systeme von Massen, elementare Gesetze in gravitativ gebundenen Systemen.
• Anwendungen: Dynamik von Doppelsystemen, Galaxien, akkretierenden Objekten.
• Sternstrukturgleichungen und Sternaufbau.
• Beispiel: Eigenschaften Weißer Zwerge; Chandraksekharsche Grenzmasse.
• Grundzüge der Sternentwicklung; Eigenschaften von Sternen; Herleitung von Skalierungsrelationen.
• Massenaustausch in Doppelsternen, Akkretionsphänomene, Eddingtonleuchtkraft.
• Grundzüge der Hydrodynamik: elementare Gleichungen
• Anwendungen zur Hydrodynamik: Stoßfronten und Kontaktdiskontinuitäten; Sedovexplosion.
• Grundzüge des Strahlungstransports: elementare Größen und Grundgleichungen; Herleitung des Diffusionsgesetzes.
• Strahlungsprozesse und Neutrinoreaktionen in dichten, heißen Plasmen.
• Astrophysikalische Plasmen: elementare Thermodynamik und Zustandsgleichungen.

Bei allen theoretischen Themen und Konzepten werden astrophysikalische Beispiele diskutiert, z.B. Sterne, Doppelsterne, Galaxien, Schwarze Löcher, das frühe Universum.

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul hat der / die Studierende folgende Fähigkeiten erworben:

1. die im Universum auf verschiedenen Skalen beobachteten Strukturen und deren wesentliche Eigenschaften zu benennen
2. die Gründe für die Existenz dieser Strukturen auf diskreten Skalen zu erklären.
3. die grundlegenden dynamischen Gesetze in gravitierenden Systemen zu erinnern.
4. Methoden der astrophysikalischen Massenbestimmung zu erklären und darauf aufbauend für die Existenz dunkler Materie zu argumentieren.
5. die Grundzüge von Sterneigenschaften und Sternentwicklung bis zu den Endstadien zu erinnern.
6. elementare Skalierungsrelationen aus Differentialgleichungen (z.B. der Sternstruktur) herzuleiten.
7. die Grundgleichungen der Hydrodynamik und ihre Bedeutung zu beschreiben.
8. verschiedene Diskontinuitäten in hydrodynamischen Strömungen zu unterscheiden.
9. die Gleichungen des Strahlungstransports zu benennen und die Herleitung des Diffusionsgesetzes nachzuvollziehen.
10. verschiedene elementare Grenzfälle für Zustandsgleichungen astrophysikalischer Plasmen zu benennen und auf konkrete kosmische Objekte anzuwenden.

Mindestens vier Semester Physik-Bachelorstudium.

In Vorlesungen werden die Lerninhalte durch frontalen Unterricht in didaktischer, strukturierter und umfassender Form präsentiert. Dabei werden aus dem extrem breiten Gebiet der theoretischen Astrophysik vor allem elementares Wissen, anhand von Beispielen aber auch aktuelle Themen, selektiv und fokussiert behandelt. Universelle methodische und physikalische Konzepte werden durch Querbezüge aufgezeigt. Bei zentralen Sachverhalten werden die Studierenden mittels wissenschaftlicher Diskussion einbezogen, um das eigenständige analytisch-physikalische Denkvermögen zu fördern. Regelmäßiger Besuch der Vorlesungen wird daher dringend empfohlen.

Die Präsentation des Lehrstoffes wird durch Anwendungsbeispiele und Rechenaufgaben angereichert, welche die Studierenden selbst nachvollziehen und erarbeiten sollen, um dadurch Zusammenhänge zu vertiefen und das Gelernte einzuüben. Diese freiwilligen Anwendungen können auf Wunsch mit dem Dozenten nachbesprochen werden.

Das geistige Durchdringen des Vorlesungsstoffes soll durch diese freiwilligen Aufgaben und durch Selbststudium der eigenen Notizen aus der Vorlesung sowie angegebener Lehrbücher und aktueller Übersichtsartikel in der Fachliteratur erfolgen. Diese Nachbereitung des Stoffes ist unverzichtbar, um die Lehrinhalte zu vertiefen. Nur so können die Studierenden als Lernergebnis  das Gelernte verstehen und selbstständig erklären und anwenden.

Tafelanschrieb, Folien, Skripten und Online-Material, gelegentlich Laptop-Projektion von Visualisierungen.

Lehrbücher:

• T. Padmanabhan: Theoretical Astrophysics, Vol. I-III, Cambridge Univ. Press
• A. Unsöld & B. Baschek: Der neue Kosmos, Springer, Berlin
• S.L. Shapiro & S.A. Teukolsky: Black Holes, White Dwarfs, & Neutron Stars, John Wiley & Sons
• M. Bartelmann, Theoretical Astrophysics -- an Introduction, Wiley-VCH, Weinheim

Skripten (Scripts; in German):

• http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/lectures/WDNSBH/
• http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/lectures/TASTRO_SS08/
• http:/wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/lectures/HYDRO/

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Abruf einfacher Formeln zur Erfassung elementarer Zusammenhaenge und einfache Rechnungen zur quantitativen Abschaetzung von relevanten Groessenordnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Benennung von beobachteten kosmischen Objekten auf unterschiedlichen Skalen und von deren elementaren Eigenschaften.
• Erklaerung, warum astrophysikalische Strukturen auf bestimmten, diskreten kosmischen Skalen existieren.
• Auflistung von Methoden zur astrophysikalischen Massenbestimmung und Anwendung auf das Problem der Dunklen Materie.
• Beschreibung grundlegender Eigenschaften und Entwicklungswege von Sternen aufgrund von Skalierungsrelationen.
• Beschreibung der Grundgleichungen der Hydrodynamik und ihrer physikalischen Bedeutung.
• Erklaerung verschiedener Stroemungsdiskontinuitaeten und Benennung entsprechender astrophysikalischer Beispiele.
• Beschreibung der Strahlungstransportgleichung und Zusammenfassung der Schritte zur Ableitung der Diffusionsgleichung.
• Benennung der fundamentalen Grenzfaelle fuer die Zustandsgleichung astrophysikalischer Plasmen und entsprechender Anwendungsbeispiele.