Astrophysik
Q3 Grundkurs Physik bei Pawletko
Das Milchstraßensystem
Von Livia Neubauer
1. Frage: Was ist das Milchstraßensystem?
Antwort: Das Milchstraßensystem bezeichnet man die Galaxis bzw. das Sternsystem in dem wir
leben. Es besteht aus Einfach-, Doppel- und Mehrfachsternen, Sternhaufen und interstellarer
Materie.
2. Frage: Beschreiben Sie die Struktur des Milchstraßensystems.
Antwort: Das Milchstraßensystem besteht aus der Zentralregion, der Scheibe, dem Hola und
der Korona. Das eigentliche Zentrum aber wird durch eine starke Quelle nichtthermischer
Strahlung gebildet. Drumherum befindet sich dann die Zentralregion, die die Gestalt einer
leicht abgeplatteten Kugel hat. Je näher am eigentlichen Zentrum, desto höher ist die
Sterndichte und die Dichte der interstellaren Materie in der Zentralregion. Um die
Zentralregion herum ist die Scheibe, die durch mehrere Spiralarme strukturiert ist. In den
Spiralarmen konzentrieren sich leuchtkräftige heiße Sterne, Sternhaufen und interstellare
Materie, während sich zwischen den Spiralarmen Sterne geringerer Leuchtkraft befinden. Die
Scheibe ist vom fast kugelförmigen Hola umschlossen, das aus kugelförmigen Sternhaufen und
Einzelsternen besteht. Und das Hola ist wiederum von der dunklen Korona umgeben, einer
unsichtbaren sehr massenreichen Hülle. Sie hat die zehnfache Masse der sichtbaren
Bestandteile des Systems.
3. Frage: Was haben wir (die Erde) mit dem Milchstraßensystem zu tun?
Antwort: Die Sonne und damit das Sonnensystem, in dem sich die Erde befindet, gehört dem
Milchstraßensystem als einer von mehreren hundert Milliarden Sternen ( · 1011 ) an.
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Wir sehen das Milchstraßensystem also von innen. Dieser Innenanblick ist die Milchstraße, ein
schwach leuchtendes Band, das vom gemeinsamen Licht einer sehr großen Anzahl Sterne vom
Mensch wahrgenommen wird.
Kosmologie
1. Frage: Das kosmologische Prinzip besagt, dass der Kosmos zu jedem Zeitpunkt seiner
Entwicklung homogen und isotrop ist. Was bedeuten diese beiden Begriffe? Was besagt das
kosmologische Prinzip noch?
Antwort: Homogenität bedeutet, dass Materie im Kosmos gleichmäßig verteilt ist und sich
Strukturelemente gleichmäßig bewegen. Isotropie bedeutet, dass der Anblick des Kosmos in
jeder Richtung gleich ist und physikalische Vorgänge richtungsunabhängig sind. Außerdem
besagt das kosmologische Prinzip die Gleichartigkeit der Materie und materieller Strukturen
und die universelle Gültigkeit der Naturgesetze.
2. Frage: Was ist der Doppler-Effekt, die Rotverschiebung und der Hubble-Effekt?
Antwort: Der Doppler-Effekt beschreibt eine Frequenzverschiebung von sich bewegenden
Körpern. Die Frequenz von Wellen eines Körpers, der sich auf uns zu bewegt, wird höher, da
die Welle gestaucht wird. Entfernt der Körper sich, wird die Welle gestreckt und die Frequenz
damit niedriger. Diese Frequenzverschiebung wirkt sich auf die Tonhöhe bei Schallwellen und
auf die Farbe bei Lichtwellen aus. Veranschaulichend für die Schallwellen ist das Beispiel eines
Krankenwagens, dessen Sirene höher klingt, je näher er sich befindet, und tiefer klingt, je
weiter weg er ist. Bei hoher Frequenz wird der Ton also höher, bei niedriger Frequenz tiefer.
Das gleiche Prinzip gilt für Lichtwellen. Kommt der Körper auf uns zu, wird die Frequenz höher
und das Licht geht in blau über. Entfernt sich der Körper, wird die Frequenz niedriger und das
Licht geht im sichtbaren Bereich immer mehr ins rot über. Daher leitet sich auch der Begriff
Rotverschiebung ab, der auch Doppler-Rotverschiebung genannt wird.
Der Hubble-Effekt überträgt das Ganze nun auf die Sterne. Fast alle Sternsysteme weisen
Rotverschiebung ihrer Spektrallinien auf und nahezu alle Galaxien entfernen sich vom
Milchstraßensystem mit einer Radialgeschwindigkeit. Die kosmologische Rotverschiebung
kommt daher, dass sich die Abstände zwischen den Galaxien ständig vergrößern. D.h. die
Galaxien entfernen sich alle immer weiter voneinander, die Radialgeschwindigkeit, mit der sie
sich entfernen, wird immer größer, die beobachtete Frequenz des Lichts der Spektrallinien
wird immer niedriger und die Farbe des Lichts geht immer weiter in rot über --> Kosmologische
Rotverschiebung.
Der Dopplereffekt wird zunehmend nicht als Ursache der Kosmologischen Rotverschiebung
verstanden. Es ist wohl ein Effekt, der seine Erklärung in der Relativitätstheorie findet
(Raumdilatation).
Nach Hubble gilt für die nichtrelativistischen Geschwindigkeiten 
 =·
mit:  =
−0
0


= , : gemessene Wellenlänge, 0 : Labor-Wellenlänge
Relativistisch gilt:  =
(+1)2 −1
(+1)2 +1
·
Es gilt immer:
 = 0 · 
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Gravitation
Von Frederik Brendel und Minh Cong Nguyen
Einführung: http://www.youtube.com/watch?v=uDiy__nc_oA (14 min)
1. Frage: Wie kam man auf die Existenz von Gravitation?
Antwort: Schon immer schauten die Menschen in den Himmel und fingen an sich Gedanken
über die Bewegungen von Sternen und Planeten zu machen (z.B. entstand so das
heliozentrische Weltbild). Durch die Nutzung eines Fernrohres fing Galileo Galilei an, sich
genauer mit Planetensystemen auseinander zu setzen. So fand er heraus, dass die
Jupitermonde sich genau so um den Jupiter drehen, wie die Erde um die Sonne. Johannes
Kepler (1571-1630) bestätigte dann Galileis Beobachtungen durch die nach ihm benannten
Gesetze. Somit machte er sich Gedanken, welche Kraft dafür verantwortlich ist, dass die
Jupitermonde auf ihrer Umlaufbahn bleiben.
2.Frage: Wie lauten die Kepler'schen Gesetze und was bedeuten sie?
Antwort:
1. Kepler'sches Gesetz: Alle Planeten bewegen sich auf Ellipsenbahnen um die Sonne. In einem
der beiden Brennpunkte von der Elipsenbahnen steht die Sonne.
Auswirkungen: Die Sonne liegt in der jeweiligen Bahnebene der Planeten. Der Punkt an dem
der Planet am weitesten von der Sonne entfernt ist heißt Aphel. Am dichtesten Periphel.
2. Kepler'sches Gesetz (Flächensatz): Die gerade Verbindung zwischen der Sonne und einem
Planeten überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen:
∆
∆
= konstant
Auswirkungen: Es stellte sich heraus, dass die Geschwindigkeit der Planeten immer variieren
muss.
3. Kepler'sches Gesetz: Innerhalb eines Planetensystems gilt für die großen Halbachsen der
Bahnen a und die Umlaufzeiten der Planeten T:
³
2
=  = https://etherpad.mozilla.org/ep/search?query=konstant
Ck ist die Keplerkonstante. Sie ist für jedes Planetensystem charakteristisch.
3.Frage: Was hält den Mond auf seiner Umlaufbahn?
Antwort: Wie bei allen kreisförmigen Bewegungen wirken zwei Kräfte auf den sich
bewegenden Körper ein: Zum einen die Zentrifugalbeschleunigung, zum anderen die
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Zentripetalbeschleunigung, auch bekannt als Fallbeschleunigung. Die Fallbeschleunigung
entspricht auf der Erde g (9,81 m/s²). Hier fängt Isaac Newton an, die Kepler'schen Gesetze
mathematisch zu beweisen.
4. Frage: Ist g konstant und universal einsetzbar?
NEIN! g ist schon auf der Erde an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß. Das liegt daran,
dass g von der spezifischen Dichte der Erdteile beeinflusst wird. Außerdem wirkt sich die
Zentrifugalbeschleunigung auf der sich rotierenden Erde an den Stellen mehr aus, welche
weiter von der Rotationsachse entfernt sind. Zudem wurde festgestellt, dass g quadratisch
abnimmt, wenn man sich vom Massezentrum der Erde (oder eines anderen Massekörpers)
entfernt. Dies gleicht dem Abstandsquadratgesetz bei Strahlung, was schon einmal einen
Hinweis auf die Wirkungsweise von Gravitation gibt, sie muss teilchengebundener Strahlung
irgendwie ähneln. Allerdings ist die Frage, wie Gravitation genau wirkt immer noch nicht
geklärt.
5. Was hat nun die Planetenbewegung mit dem fallenden Apfel bei uns auf der Erde zu tun?
Um das zu klären, zerlegte Isaac Newton die Bewegung eines Planeten in zwei Teile: Ersten die
gleichförmige Tangentialbewegung und zweitens die auf das Zentrum gerichtete
Radialbewegung. Für diese Radialbewegung sei die Gravitation verantwortlich, welche von der
Masse des Zentralkörpers abhängig sei. Um diese Kraft zu beschreiben, die letztendlich dafür
verantwortlich ist, dass die Erde um die Sonne kreist, dass der Apfel vom Baum fällt oder dass
wir auf der Erde stehen, stellte Newton das nach ihm benannte allgemeine Newton'sche
Gravitationsgesetz:
=·
1 · 2
= (, 1 ) · 2
2
G ist hierbei eine feste Gravitationskonstante
m1 und m2 die zwei Massen, der sich anziehenden Körper
und r der Abstand der beiden Schwerpunkte
G = 6,67 · 10-11
3
 × 2
G ist allerdings sehr schwer genau zu bestimmen, da Gravitationswechselwirkungen sehr
schwach sind. So üben zwei 100 kg schwere Körper im Abstand von einem Meter nur eine
Gravitationskraft von 6,67 * 10-7 N aufeinander aus.

Aufgabe: Wie lässt sich mit dem Newton'sche Gravitationsgesetz die Erdmasse theoretisch
berechnen?
Die Erdmasse lässt sich ungefähr bestimmen, indem man zu nächst die
Gravitionsanziehung mit der Zentripetalkraft des Mondes gleichsetzt, die leichter zu
bestimmenden Werte Winkelgeschwindigkeit (2π/T) und Erd-Mond-Abstand einfügt und
nach der Erdmasse umstellt:
 · 
·
=  ∙ 2 ∙ 
2
 =
2 ∙  3

6. Wir wissen ja, dass es auf der Erde das Phänomen von Ebbe und Flut gibt und wir wissen
auch, dass das mit der Anziehungskraft des Mondes zusammen hängt. Doch wieso entsteht
dann auf der mondabgewandten Seite der Erde Flut, wie auch auf der mondzugewandten?
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Die Flut auf der mondzugewandten Seite lässt sich einfach
durch die direkte Anziehungskraft des Mondes auf das
bewegliche Wasser in den Meeren erklären. Doch für die
Erklärung der Flut auf der anderen Seite der Erde muss man
sich eines bewusst machen: Der Mond kreist nicht direkt um
die Erde! Vielmehr kreisen beide Massekörper um einen
zentralen zwischen ihnen liegenden Rotationspunkt, da
Gravitation nicht nur einseitig von der Erde ausgeht,
sondern auch vom Mond. Doch liegt dieser Rotationspunkt
eher an der Erde als am Mond, weil die Erde schlichtweg
mehr Masse besitzt. Dadurch wird quasi das Meer
"geschleudert" und "bäumt" sich deswegen auf der
rotationspunktabgewandten Seite auf (Abb. 90.1).
7. Die Gravitation eines Zentralkörpers hängt von seiner Masse ab. Wie kann man sich die
Wirkung dieser Gravitation bildlich vorstellen?
Das Gebiet welches von der Gravitation des Zentralkörpers beeinflusst wird nennt sich
Gravitationsfeld und baut sich als Vektorfeld auf. Zu jedem
Punkt des Raumes in der Umgebung des Zentralkörpers
lässt sich eine Fallbeschleunigung ⃑ angeben, die auf die
Masse des Zentralkörpers zurückzuführen ist. Die
Fallbeschleunigung hat in jedem Punkt einen bestimmten
Betrag und eine bestimmte Richtung. Durch die
Verknüpfung verschiedener Punkte, die in die selbe
Richtung zeigen, entstehen Feldlinien. Je dichter die
Feldlinien zueinander liegen, umso höher ist der Betrag des
Gravitationsfeld. So lassen sich als Fazit Vektorfelder
mithilfe von Feldlinien modellhaft darstellen. (Abb. 88.1)
⃑ = ⃑ G /mPr
⃑ ist die Feldgröße
mPr ist die Masse des Probekörpers
8. Gibt es Orte an dem die Fläche im Gravitationsfeld das selbe Potential besitzt wie eine
andere Fläche an einem anderen Ort im Gravitationsfeld?
Das Potential nach dem gesucht ist, ist das Gravitationspotential V, welches angibt, wie groß
die potenzielle Energie eines Probekörpers im Gravitationsfeld ist.
=


Auf der Erde gilt:  = − ·  ·
1

Der Ort an dem benachbarte Punkte das gleiche Potential
besitzen, heißt Äquipotenzialfläche. Daraus folgt, dass ein
Körper, der auf den Äquipotenzialflächen verschoben wird,
seine potenzielle Energie nicht verändert.
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Sternenentstehung:
Von Leon Engemann und Daniel Ochs
Definition eines Sterns: Ein Stern ist ein leuchtender massereicher Himmelskörper, der durch
seine eigene Gravitation zusammengehalten wird. Alle leuchtenden Punkte, die wir an
unserem Himmel sehen sind Sterne.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Star-sizes.jpg Sternengrößen im Vergleich
1. Frage: Wie entsteht ein Stern?
Antwort: Die Gravitation einer kühlen, dichten Wolke aus interstellarer Materie kann durch
Stoßwellen einer Supernova oder Strömungen interstellarer Materie instabil werden, also die
Eigengravitation der Wolke größer als die in ihr nach außen wirkenden Kräfte ist. Dadurch zieht
die Wolke Materie aus ihrer Umgebung an und ihre Dichte steigt. Die Kontraktion der
Materie im Kern bewirkt eine Erwärmung des nun entstandenen Protosterns.
2. Frage: Was verhindert eine Sternenentstehung?
Wenn sich die Gaswolke vor der Kontraktion um sich selbst dreht, wird sie sich im weiteren
Verlauf weiterhin drehen und durch die Kontraktion immer schneller werden. Die
Zentrifugalkraft wird die Wolke wieder expandieren lassen, sodass diese nicht zu einem Stern
werden kann.
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3.Sternetypen:
-Hauptreihenstern: Mehrheit der Sterne befinden sich in der Hauptreihe. Längstes Stadium
eines Sternes (siehe Hertzsprung-Russel-Diagramm)
-Roter Riese: sehr großer Stern, mittlere Temperaturen, Leuchtkraft ist durch die große
Oberfläche hoch
-Weißer Zwerg: sehr Kleiner Stern, sehr hohe Temperatur, Leuchtkraft ist durch die kleine
Oberfläche aber gering
-Neutronenstern: sehr hohe Masse, wenig Umfang -> ca 20km Durchmesser bei 1,5 bis 3
Sonnenmassen
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Abbildung: Herzsprung- -Diagramm
4. Hertzsprung-Russell-Diagramm
Das Hertzsprung-Russell-Diagramm stellt die bekannten Sterne in einem Diagramm dar. Dabei
sind die Sterne nach Leuchtkraft (y-Achse) und Temperatur (x-Achse) angeordnet.
Die Temperatur bestimmt die Farbe des Sterns. Die Leuchtkraft hängt unter Anderem von der
Größe des Sterns ab, da eine größere Oberfläche auffälliger ist als eine kleinere.
5. Frage: Wie "stirbt" ein Stern?
Supernova -> Explosion -> Hellt ein letztes Mal auf und strahlt mit milliardenfacher Helligkeit in
einer Explosion -> Schwarzes Loch oder Neutronenstern
Stern glüht aus -> schwarzer Zwerg - leuchtet nicht mehr (noch nicht vorhanden, da das
Universum noch sehr jung ist)
6. Frage: Was unterscheidet Sterne von Planeten?
Planeten sind in Bewegung. Das Wort "Planet" stammt aus dem Griechischen und bedeutet
"umherschweifend" oder "sich bewegend". Sterne dagegen haben eine feste Position und
werden von Planeten umkreist. Ein weiterer Unterschied ist die Masse und die Leuchtkraft.
Planeten haben eine viel kleinere Masse und leuchten nicht. Sterne leuchten immer, außer sie
sind ausgeglüht oder sind noch in der Entwicklungsphase und haben sich noch nicht entzündet.
7. Aufgabe: Größe, Masse oder Entfernung von Sternen / der Sonne | Berechnung des
Sonnenradius
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Schwarze Löcher
Von Janna Sonnenschein und Lisa Nachtwey
Was sind schwarze Löcher?
Der Begriff: Ein schwarzes Loch ist ein Außenraum mit hinreichender kompakten Masse oder
Energieanhäufung, welches ein Raumgebiet bildet. In dieses fallen Materien hinein, doch
finden nicht wieder heraus. Daher kommt der Begriff "Loch". Dieses Loch können auch
elektromagnetische Wellen, wie zum Beispiel sichtbares Licht, nicht verlassen, deswegen
nennt man es "schwarzes Loch". Generell wird unter dem schwarzen Loch ein astronomisches
Objekt verstanden, welches eine extreme Gravitation besitzt. Die Entstehung kann man nach
der allgemeinen Relativitästheorie folgendermaßen beschrieben: Es ist eine kompakte Masse,
welche die Raumzeit verformt und so ein schwarzes Loch bildet.
Gibt es verschiedene schwarze Löcher und wie entstehen diese?
Es gibt eine Klasseneinteilungen mit vier verschiedenen schwarzen Löchern. Eingeteilt werden
die Löcher nach ihrer Entstehungsweise, der Größe (Schwarzschildradius) und Masse.
1. Supermassenreiches schwarzes Loch: Besitzt die größte Masse, den größten Radius, doch
seine Entstehung hat man noch nicht erforscht.
2. mittelschweres schwarzes Loch, entsteht eventuell durch Sternkollisionen und verschmelzungen.
3. stellares schwarzes Loch: Ist der Endzustand von entwickelten Sternen. Doch Sterne die eine
zu kleine Masse haben, können nicht zu einem schwarzen Loch werden. Diese schwarzen
Löcher entstehen, wenn Sterne in einer Supernova explodieren, die überbleibende
Sternenreste, welche eine bestimmte Mindestgröße haben, werden zu einem schwarzen Loch.
4. Primoordiales schwarzes Loch: wurden beim Urknall im Raumbereich geblidet. Durch die
Schwankungen der gleichmäßigen Dichteverteilung entstehen diese schwarzen Löcher.
Was ist ein Ereignishorizont und der Schwarzschildradius?
Der Ereignishorizont ist eine Grenzfläche, Ereignisse außerhalb von diesem sind nicht sichtbar.
Es ist die Grenze für Informationen und Kausale Zusammenhänge. Bei schwarzen Löchern
hängt dieser von der Masse ab, doch eine neue Theorie besagt, dass schwarze Löcher selbst
keinen Ereignishorizont hätten. 1971 wurde allerdings angeblich gezeigt, dass der
Ereignishorizont eines schwarzen Loches nicht kleiner werden könne.
Der Schwarzschildradius ist eine "Linie" ausgehend vom Mittelpunkt bis zum Ereignishorizont.
Geben schwarze Löcher eventuell doch etwas ab?
Ja, schwarze Löcher können Energie in Form von Hawking-Strahlung abgeben. Wenn man
davon ausgeht, weiß man, dass schwarze Löcher verdampfen, desto schneller, umso kleiner it
die Masse. Hawking-Strahlung ist sehr energiearm und nicht erkennbar.
Warum sind schwarze Löcher schwarz?
Jeder Körper besitzt eine bestimmte Fluchtgeschwindigkeit, die angibt, welche
Geschwindigkeit ein Körper haben muss, um von der Oberfläche des erstgenannten Körpers
starten zu können und nie wieder zurückzukehren. So hat die Erde eine Geschwindigkeit
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beschleunigen könnte und in Richtung Himmel schießen würde, würde er nie wieder
zurückkehren.
Sehr große und/oder sehr kompakte Körper können sogar eine Fluchtgeschwindigkeit besitzen,
die gleich oder größer als die Lichtgeschwindigkeit (2997792,458 km/s) ist. Einen solchen
Körper kann man nicht sehen: Sowohl Licht, das er selbst aussendet, als auch Licht, das zu ihm
gesendet wird, kann der Fluchtgeschwindigkeit nicht entkommen.
Dieses Phänomen lässt sich ebenfalls mit Hilfe der Gravitation eines Körpers erklären. Bei sehr
kompakten und/oder sehr großen Körpern ist dessen Gravitationsfeld sehr stark. Denn wenn
die Gravitation extrem stark ist, werden die Photonen des Lichts, die vom Körper ausgesandt
werden, auf ihrem Weg vom Körper weg verlangsamt bis sie stillstehen und zurück in Richtung
Körper fliegen. Kein Licht tritt aus. Alle Photonen, und jegliche andere Materie, die sich auf den
Körper zu bewegen, werden beschleunigt, sobald sie ins Gravitationsfeld des Körpers gelangen
und fliehen auf diesen zu.
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Aufgaben
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Leben auf anderen Planeten
Von Max Klemann, Robin Krause und Florian Meyer
Frage: Wieso wird auf der Suche nach außerirdischem Leben so intensiv nach wasser gesucht
und wieso ist Wasser so besonders?
Antwort: Weil alles Leben auf der Erde von Wasser abhängig ist, wir dieses Element
weitestgehend erforscht haben, und es uns vertraut genug ist vernünftig nach außerirdischem
Leben zu suchen.
-an Merkurs Polen, Uranus, Neptun wurde Wasser gefunden
-Wasserstoff ist das meist vorkommenste Element in All
-Wasser enthält lebensnotwendige Stoffe, wie Zucker und Salz
-Der Apfel bekommt seine Krümmung durch die Gravitation.
-Bleibt über eine Reichweite von Temperaturen flüssig, d.h. es werden bestens Nährstoffe
transportiert
-es braucht eine Menge Energie um die Temperatur zu ändern, d.h. es kann sich gut in
Situationen halten, die hospitabel für Leben sind und Wechsel standhalten kann
-Wasser speichert gut Infrarotstrahlung, d.h. speichert gut Hitze
Bsp.: vereister Mond "Europa" unter dessen Eisschicht Ozeane vermutet werden
Frage: Warum entstand auf unserer Erde Leben und nicht auf einem anderen Planeten?
1: Vorraussetzung: Wasser
-Entscheidender Faktor für Entstehung des Lebens auf der Erde war Wasser
-Verschiedene Gase u.a Wasserdampf aus Vulkanen u. Erdspalten bei Erdentstehung
-Es begann zu regnen und die Meere entstanden
-Kleinstlebewesen (Einzeller) bilden sich in den Ur-meeren (verschiedene Theorien)
-Wasser schützt Urlebewesen vor tödlicher ultravioletter Weltraumstrahlung (Absorption)
-Erdatmosphäre war noch nicht vorhanden, Strahlung wurde noch nicht aufgehalten
-Sauerstoff eine Notwendigkeit für Erdschutzhülle (Ozonschicht)
2: Vorraussetzung: Ozonschicht
-Existenz von Leben an Land möglich durch Ozonschicht (Mensch u. Tier)
-Sauerstoff noch nicht von Anfang an vorhanden, sondern wurde durch Pflanzen erzeugt
(Fotosynthese)
-Aus besonderer Sauerstoffform Ozon entsteht Ozonschicht
-Kein anderer Planet unseres Sonnensystems besitzt lebenserlaubende Atmosphäre
-Mond bietet gute Bedingung für Bildung einer Atmosphäre (geringe Größe erlaubt jedoch
keine eigene Atmospäre)
-Mars besitzt derzeit keine Atmosphäre, jedoch weisen Beobachtungen auf frühere
Atmosphäre
Frage: Leben auf dem Mars! Ist das möglich?
Frühestens 2023 sollen Astronauten auf den Mars fliegen, um dort eine Kolonie zu gründen.
Derzeit werden noch bis zu 40 Freiwillige gesucht, die an dem 6 Mrd. $ Projekt teilnehmen
möchten. Das Auswahlverfahren soll 2015 abgeschlossen sein.
Vorraussetzungen:
-Volljährigkeit
-Englisch-Kenntnisse und soziale Kompetenz
-gute Gesundheit
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"Mars One" sieht keinen Rückflug von Mars zur Erde vor, da die Kosten und der technische
Aufwand zu immens wäre. Würde es wirklich zur Realisierung des Projektes kommen, hätten
die 40 Frauen und Männer 7 Monate Flug in der Dunkelheit vor sich, und wären starker
kosmischer Strahlung ausgesetzt. Auf dem Mars angekommen, hätten sie viel Arbeit vor sich.
Sie müssten Wohnkapseln und künstliche Gärten aufbauen (aus den Materialien, die mit
geliefert werden). Sie würden ihr komplettes Leben dort verbringen.
Das Projekt soll als größtes "Medienereignis der Weltgeschichte" vermarktet und finanziert
werden. Es soll eine Reality TV Show werden, die auf wissenschaftlichen Erkenntnissen basiert.
Was ist S.E.T.I?
Search for Extraterrestial Intelligence. Elektromagnetisches Spektrum wird nach Radiowellen
abgesucht nach möglichen Anzeichen und Signalen weit entwickelter fremder Zivilisationen.
Seit 1960.Die Galaxie, in der sich die Erde befindet, Milchstraße, Durchmesser von ungefähr
100.000 Lichtjahren und beinhaltet zwischen 200 und 400 Milliarden Sterne, 50 Milliarden
Planeten, davon schätzungsweise 500 Millionen Planeten in habitablen Zonen. Dabei wird
davon ausgegangen, dass die Lebensformen auf Kohlenstoff-Chemie basieren. Man
konzentriert sich hierbei auf sonnenähnliche Sterne
Der Laser
Von Luis Haan und Yannik Schäfer
Grundlagen
Die Abbildung zeigt die Vorgänge
der spontanen und stimulierten
Emission. Spontane Emission:
Nachdem ein Atom in ein
angeregten Zustand gehoben
worden ist, bleibt dieser Zustand
typischerweise nur wenige Piko- bis
Mikrosekunden bestehen. Danach
wird das absorbierte Lichtquant
wieder emittiert. Dieser Vorgang
erfolgt automatisch und spontan.
Stimulierte Emission: Bei der
stimulierten Emission wird die
Lebensdauer des angeregten
Zustandes eines Atoms dadurch
künstlich verkürzt, dass nach
Anregung eines Atoms ein weiteres Energiequant das Atom trifft. Das zweite Energiequant
muss genau dem Energiebetrag des absorbierten Quants entsprechen. Das Durchqueren des
Atoms durch das zweite Quant verursacht eine frühzeitige Emission des ersten Quants.
Der Laser(light amplification by stimulated emission of radiation) wurde im Jahre 1960
entwickelt.
Die Ausbildung eines Laserstrahls beruht auf dem beschriebenen Vorgang der stimulierten
Emission. Zunächst wird eine durch spontane Emission zufällig entstandene
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elektromagnetische Welle durch fortlaufende stimulierte Emission weiterer Photonen
verstärkt(siehe Abb.2).
Aufbau eines Lasers:
Elementare Bestandteile eines Lasers sind der optische Verstärker und der Resonator. Der
auslösende Prozess erfolgt zufällig in eine beliebige Raumrichtung und zu einem beliebigen
Zeitpunkt. Durch Überlagerung vieler solcher spontan entstandenen und anschließend
verstärkten elektromagnetischen Wellen würden dennoch auch diese überlagerten Wellen in
den gesamten Raum ausgesendet und sich nicht wesentlich von einer normalen
monochromatischen Lichtquelle unterscheiden. Der Resonator sorgt dafür, dass im Idealfall
nur Strahlung einer Raumrichtung zur Verstärkung führt, während andere Strahlrichtungen
nach einmaligem Durchgang durch das Lasermedium ausgeblendet werden. So wird der größte
Teil der gespeicherten Energie in eine Raumrichtung ausgestrahlt.
Genauere Erläuterung zum Resonator:
Was ist ein Resonator? Ein Resonator verstärkt eine Schwingungsfrequenz, dabei ist zu
beachten, dass in jedem Resonator mehrere Schwingungsfrequenzen verstärkt werden
können(einerseits die Grundfrequenz andererseits ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz).
Die Erklärung für dieses Verhalten findet sich bei näherer Betrachtung der Vorgänge innerhalb
des Resonators. In einem Resonator kommt es zur Ausbildung stehender Wellen, also zu
räumlich stabilen Verteilungen der Schwingungsenergie, die sich durch Überlagerung von hinHeinrich-von-Gagern-Gymnasium 16.05.16
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und rücklaufenden Wellen ergeben. Damit stehende Wellen ausgebildet werden können, muss
die Länge des Resonators ein ganzzahliges Vielfaches des halben Wellenlänge betragen. Es gilt
also: L=n*λ/2. Die unterschiedlich möglichen Schwingungszustände in einem Resonator
bezeichnet man als Resonatormoden. Abbildung vier zeigt zwei stehende Wellen für den Fall
n=9 und n=8.
Praktisch kann ein Resonator dann aussehen wie in Abbildung zwei gezeigt. Zwischen zwei
Spiegeln wird die elektromagnetische Welle hin-und her geworfen, wobei der linke Spiegel zu
100% reflektiert und der rechte zu 99,9%, also teildurchlässig ist. Durch den teildurchlässigen
Spiegel wird ein geringer Teil ausgekoppelt. Dieser Teil der stehenden elektromagnetischen
Welle ist die sichtbare „Laserstrahlung“.
Erläuterung zum Erzeugen einer stimulierten Emission und dem Lasermedium:
Um wie in Abbildung zwei gezeigt eine Verstärkung einer durch spontane Emission
entstandenen elektromagnetischen Welle zu erzeugen, müssen sich mehr Atome des
Lasermediums im angeregten Zustand befinden als im Grundzustand, da die
Wahrscheinlichkeit für die Absorption eines Photons durch ein nichtangeregtes Atom genauso
groß ist wie die Wahrscheinlichkeit einer stimulierten Emission eines angeregten Atoms. Durch
thermische Anregung und alle anderen Formen energetischer Anregung kann das ober Niveau
maximal gleich besetzt werden, niemals höher(siehe Abb. 5).
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Jedoch gibt es eine Möglichkeit dennoch eine höhere Besetzung im oberen Niveau als im
unteren Niveau zu erreichen(Dieser Zustand wird Besetzungsinversion genannt.). Diese
Möglichkeit beruht auf dem Zusammenspiel von mindestens drei Energieniveaus
unterschiedlicher Lebensdauer. Exemplarisch kann dies an Abbildung 6 gezeigt werden.
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Zunächst werden nichtangeregte Atome in ein höheres Energieniveau gehoben, das jedoch nur
eine kurze Lebensdauer besitzt und deshalb schnell in ein tieferes und stabileres Niveau(das
obere Laserniveau) relaxiert. Aufgrund der Langlebigkeit des oberen Laserniveaus ergibt sich
sozusagen ein Stau angeregter Atome. Die Besetzung des unteren Niveaus bleibt hingegen
sehr gering, da diese ebenfalls sehr kurzlebig ist. Das Vorhandensein einer Besetzungsinversion
erzeugt eine lawinenartige Verstärkung spontan entstandener elektromagnetischer Wellen,
welche im Resonator nun exakt in sich selbst zurückgespiegelt werden.
Als Lasermedium kann jeder Stoff verwendet werden mit dem eine Besetzungsinversion
erzeugt werden kann:
1. Gasförmige Atome in ionisierter oder ungeladener Form (Gaslaser)
2. Farbstoffmoleküle in Lösung (Farbstofflaser)
3. Atome oder Ionen in Festkörpern (Festkörperlaser)
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1. Frage: Was ist das Milchstraßensystem?