Theoretische Astronomie

Die Theoretische Astronomie besteht in der Anwendung mathematischer Modelle, um Bewegungen und Eigenschaften von Himmelskörpern und deren Physik, Chemie und Entwicklung zu untersuchen. Andere wichtige bzw. angrenzende Fachbereiche sind die Kern- und Astrophysik, die Astrometrie (Positionsastronomie), die Himmelsmechanik, die Stellarstatistik und die Kosmologie. Für die Bestätigung der theoretischen Modelle ist oft auch die Entwicklung neuartiger Messinstrumente und Sensoren wesentlich, z. B. zum Nachweis der Gravitationswellen.

Erste Schritte zu theoretisch-astronomischen Modellen

Als erstes Werk theoretischer Astronomie können einige Bände des Almagest von Ptolemäus gelten. Pionier des Fachs im heutigen Sinn ist Johannes Kepler (1571–1630) und seine Methodik, die Kepler-Gesetze der Planetenbewegung herzuleiten und die mögliche Existenz unsichtbarer Himmelskörper – gefolgt von Isaac Newton mit dem Gravitationsgesetz, den verfeinerten Methoden der Bahnbestimmung von Heinrich Olbers und der Entwicklung genauer Bezugsysteme durch Simon Newcomb. Zu den bedeutendsten Theoretikern der Astronomiegeschichte ist auch Arthur Eddington zu zählen, der um 1930 erstmals das Innere von Sternen durch mathematisch-physikalische Modelle erforschte.

Wegen der großen durch beobachtende Astronomie anfallenden Datenmengen war die Himmelskunde unter den ersten Wissenschaften, die Computer in großem Maß einsetzten. Dementsprechend liegt in numerisch-theoretischen Modellen ein Großteil der heutigen Arbeitstechniken.

Integration von Physik und Astrophysik

Die Astronomie hat wesentliches zum tieferen Verständnis der Physik beigetragen und ist oft ein "Labor" für energiereiche, auf der Erde nicht untersuchbare Vorgänge. Umgekehrt hilft die "terrestrische" Physik, astronomische Phänomene zu erklären und rechnerisch zu modellieren. Typische Beispiele sind die Theorie der Mondbahn, die thermonukleare Energiequellen im Sonnenkern oder die Entwicklung großer Strukturen des Universums.

Die Integration von Astronomie und Physik beinhaltet unter anderem:

Physikalische Interaktion	Astronomisches Phänomen
Elektromagnetismus:	Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum
Thermische Strahlung, Schwarzkörperstrahlung	Licht- und Wärmestrahlung
Synchrotronstrahlung	astronomische Radio- und Röntgenquellen
Beschleunigung geladener Teilchen	Kosmische Strahlung, aktive Galaxienkerne, Pulsare
Absorption und Streuung	Interstellare Materie
Kernphysik, Starke und schwache Wechselwirkung	Nukleosynthese in Sternen
	Supernovae
Pauli-Prinzip	Neutronensterne
Relativitätstheorie	frühes Universum
Gravitation	Bahnen von Planeten, Satelliten und Doppelsternen, Struktur des Universums, N-Körper-Theorie in Sternhaufen und Galaxien, Expansion des Weltalls.

Astrochemie

Derzeitige Forschungsthemen und Methoden

Theoretische Astronomen benützen eine Vielzahl von Tools – darunter besonders häufig analytische Modelle von Prozessen und computergestützte numerische Simulationsrechnungen. Erstere können Einblicke in innere Vorgänge geben, während numerische Simulationen oft der einzige Weg sind, unerklärlichen Phänomenen näherzukommen.

Die Wissenschaftler entwerfen theoretische Modelle und arbeiten heraus, was die beobachtbaren Konsequenzen dieser Modellrechnungen sind. So können sie unzutreffende Modelle widerlegen oder zwischen alternativen Modellen unterscheiden.

Neue Messergebnisse führen dazu, Modelle zu modifizieren und den Beobachtungen anzupassen. Wie in anderen Naturwissenschaften bewährt es sich auch hier, zunächst möglichst geringe Änderungen des Modells oder seiner Parameter vorzunehmen. Erst wenn zahlreiche Inkonsistenzen auftreten, muss das Modell gänzlich verworfen werden.

Wichtige Arbeitsgebiete sind derzeit:

Stellardynamik und Sternentwicklung
Dynamik und Struktur der Milchstraße
großräumige Massenverteilung im Universum
Ursprung der kosmischen Strahlung
Allgemeine Relativität, physikalische Kosmologie und Teilchenphysik.

Die astrophysikalische Relativität erlaubt, die Großstrukturen abzuschätzen, welche von der Gravitation entscheidend geprägt werden, ebenso wie die Dunkle Materie und die Theorie der Gravitationswellen.

Astronomische Modelle

Weitgehend geklärte und akzeptierte Modelle sind solche zu den Phänomenen der Supernovae, zum Urknall (Big Bang) und zur anfänglichen kosmischen Inflation. Auch weitere für die Astrophysik und Kosmologie fundamentale physikalische Theorien sind anerkannt, bei der Dunklen Materie allerdings nur ihre vermutliche Existenz.

Einige Beispiele solcher Forschungsthemen und -Modelle sind:

Physikalischer Prozess	Experimenteller Zugang	Theoretisches Modell	erklärt/prädiziert
Gravitation	Radioteleskope	Self-gravitating System	Sternentstehung
Kernfusion	Spektroskopie	Sternentwicklung	Stellare Strahlung und Metall-Synthese
Urknall	Hubble Space Telescope, COBE	Expandierendes Universum	Weltalter
Quantenfluktuationen		Kosmische Inflation	Flachheitsproblem
Gravitationskollaps	Röntgenastronomie	Allgemeine Relativitätstheorie	Schwarzes Loch in der Andromedagalaxie
CNO-Zyklus im Innern von Sternen

Spezielle Forschungsbereiche

Theoretische Astrophysik und Astrochemie

Beispiele für aktuelle Forschungsthemen sind:

Stellare Photosphären, Planeten-Atmosphären, Sonnenwind
Interplanetare organische Materie, Koma von Kometen
interstellare Materie, Turbulenz-Theorien, Gasnebel
Supernova-Radioaktivität und Staubbildung
Thermodynamik Schwarzer Löcher
Schwache Wechselwirkung, massereiche Isotope

Literatur und Weblinks

Arnold Hanslmeier: Einführung in Astronomie und Astrophysik, Springer Spektrum 2020, ISBN 978-3662604120
W. H. McCrea: Observational and theoretical astronomy, 2006 (Rezension hier)
Wilhelm Klinkerfues (1871): Theoretische Astronomie, Nachdruck Bremen University Press 2013 (das erste Werk dieses Namens, aber nur teilweise im Sinn der heutigen Definition)
Korean Astronomy – Cosmology
Introduction to Cataclysmic Variables (CVs)
L. Sidoli, 2008 Transient outburst mechanisms
Commentary on "The Compendium of Plain Astronomy" is a manuscript from 1665 about theoretical astronomy