Vom einfachen Fernrohr zum Hubble
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VII Erde und Weltraum Beitrag 4 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 1 von 32 Vom einfachen Fernrohr zum Hubble-Teleskop – Weltraumbeobachtung im Wandel Ein Beitrag von Thomas Rosenthal, Esslingen Illustrationen von Julia Lenzmann, Stuttgart Der Anblick der Sterne weckt schon seit mehreren Jahrtausenden das Interesse der Menschheit. Mit Galileo Galilei und Johannes Kepler machte die Beobachtung der Sterne mit dem Linsenteleskop einen großen technischen Fortschritt. Foto: www.astromedia.de Heutzutage ist die Weltraumbeobachtung mit ganz unterschiedlichen Teleskopen und von verschiedenen Beobachtungsorten auf der Erde und aus dem Weltall möglich. Neben Spiegel- und Radioteleskopen gewährt auch SOFIA, eine mit Teleskop ausgestattete Boeing 747, von der Stratosphäre aus Einblicke in die Welt der Sterne. T H C I S N A R O V Doch wie können Sie Ihren Schülern die Welt der Sterne und die Methoden der Weltraumbeobachtung näher bringen? Dazu gibt Ihnen diese Einheit rund um Teleskope zahlreiche Anregungen. Mit einfachen Materialien aus dem Baumarkt und einem Linsenset bauen Ihre Schüler ein eigenes Teleskop. Ein eigenes Teleskop muss nicht teuer sein. Lassen Sie Ihre Schüler eines selbst bauen. itung: Mit Bauanle chritt zum Schritt für S skop! eigenen Tele Das Wichtigste auf einen Blick Klassen: 8–10 Aus dem Inhalt: Dauer: 4–6 Stunden + 4–6 Stunden für Teleskopbau •WieverläuftderStrahlengangdurcheine konvexe und eine konkave Linse? Kompetenzen: Die Schüler … •Wie hat sich die Weltraumbeobachtung im Laufe der Zeit weiterentwickelt? •kennendieBegriffeOkular,Objektiv,konkav, konvex, Brennweite und Teleskop. •WiefunktionierteinTeleskop? •könnendenAufbauunddieFunktionsweise von Teleskopen beschreiben. •Welche verschiedenenTeleskope gibt es und wie sind sie aufgebaut? •können unterschiedliche Teleskope und verschiedene Beispiele der Weltraumbeobachtung von der Erde oder aus dem Weltraum beschreiben. •Welche Möglichkeiten der Weltraumbeobachtung mit Teleskopen gibt es? •WiekannmaneinTeleskopselbstbauen? •könnenauseinfachenMaterialieneinTeleskop mit einem Sonnenfilter bauen. Beteiligte Fächer: Physik Technik Geografie Anteil hoch mittel gering 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 2 von 32 Erde und Weltraum Beitrag 4 VII Rund um die Reihe Warum wir das Thema behandeln „Voyager 1 erreicht Schwelle zur Unendlichkeit“ oder „Forscher beobachten Geburt eines riesigen Planeten“ – zwei von zahllosen Schlagzeilen aus Zeitungen oder Nachrichtenmagazinen, die uns vor Augen führen, wie faszinierend die Astronomie ist. Auch Schülerinnen und Schüler* haben ein großes Interesse an der Astronomie, das man im naturwissenschaftlichen Unterricht aufgreifen kann. Sie haben Fragen, die nicht einmal die aktuelle Forschung beantworten kann. Motivierend wird es für sie sein, ein eigenes funktionsfähiges Teleskop zu bauen, um Sonnenflecken am Tag zu entdecken und in der Dunkelheit den Sternenhimmel zu entdecken. Dabei lernen sie die Bedeutung der Himmelsbeobachtung für die Astronomie kennen und können die verschiedenen elektromagnetischen Wellen den Teleskoptypen zuordnen sowie eigene Beobachtungen planen und durchführen. * Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet. Was Sie zum Thema wissen müssen T H C Ein Teleskop ist eine Kombination verschiedener optischer Elemente, das weit entfernte ObjektedemAugenahebringt.DieoptischenBestandteilebeieinemklassischenTeleskopsind dasObjektiv,derTubusunddasOkular. Das Objektiv sammelt die elektromagnetische Strahlung, wie sichtbares Licht, Wärme oder Radiowellen, mit einem optischen System. Dieses System kann aus Linsen oder Spiegeln bestehen. Der TubusverbindetdasObjektivmitdemOkular.UmdieeingefangeneStrahlung möglichst störungsfrei weiterzuleiten, ist er von innen schwarz ausgekleidet und rau. Durch die raue Oberfläche wird das Streulicht gedämpft. Das OkularhilftdemAuge,indasjeweilige optische System zu blicken. Es besteht aus einer einzelnen Linse oder aus einem Linsensystem.DasObjektiventwirftvoneinemweitentferntbeindlichenBeobachtungsobjekteinreelles oder ein virtuelles Bild, das mit dem Okular betrachtet wird. I S N A R O Sammellinse und Zerstreuungslinse V Eine Linse, die in der Mitte dicker ist als am Rand, ist konvex und heißt Sammellinse. Fällt ein paralleles Lichtstrahlenbündel durch sie hindurch, so entsteht ein konvergentes, also zulaufendes Lichtstrahlenbündel. Der Punkt, an dem sich alle Strahlen schneiden, ist der Brennpunkt F. Es entsteht an dieser Stelle ein scharfes reelles Abbild der Umgebung, das durch einen weißen Schirm sichtbar gemacht werden kann. Da sich die Lichtstrahlenbündel kreuzen, steht das Bild einer einzelnen Sammellinse auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. (Dies kann von Schülern sehr gut mit einer brennenden Kerze und einem weißen Schirm getestet werden.) Der Abstand von Linse und Brennpunkt ist die Brennweite f. Eine Linse, die in der Mitte dünner ist als am Rand, ist konkav und heißt Zerstreuungslinse. Sie macht aus einem parallelen Lichtstrahlenbündel ein divergentes, also auseinander laufendes Lichtstrahlenbündel. Da die Lichtstrahlen gestreut werden, entsteht kein reelles Bild, sondern ein virtuelles Bild hinter der Linse im Brennpunkt F. Dieser Brennpunkt liegt dort, wo sich die auseinanderlaufenden Strahlen theoretisch kreuzen würden. Da sich die Strahlengänge nicht schneiden, ist das enstandene Bild aufrecht. Man kann dieses virtuelle Bild durch die Linse sehen, aber nicht mit einem Schirm festhalten. Der Abstand von Linse und Brennpunkt ist auch hier die Brennweite f. Vergrößern Die Vergrößerung V gibt an, um welchen Faktor das betrachtete Objekt vergrößert oder verkleinert wird.DieVergrößerungerrechnetsichausderObjektivbrennweite,dividiertdurchdie Okularbrennweite.HatdasObjektivdesTeleskops1000mmBrennweiteunddasOkular10mm Brennweite,ergibtsicheineVergrößerungvon1000:10=100.SomiterscheintdasObjektdurch das Fernrohr 100-mal größer als es in der Realität ist. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 VII Erde und Weltraum Beitrag 4 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 7 von 32 Die Reihe im Überblick Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt Fo = Folie · V = Vorbereitungszeit * = Materialbedarf einer Gruppe = Zusatzmaterial auf CD · D = Durchführungszeit Stunden 1/2: Strahlengänge und Linsen – Abbilden, Vergrößern und Verkleinern Material Thema und Materialbedarf M 1 (Fo) Weltraumbeobachtung früher und heute M 2 (Ab) Grundlagen: Optische Linsen – weißt du Bescheid? M 3 (Ab) Optische Linsen – Vergrößern und Verkleinern Stunden 3/4: Wie funktioniert ein Teleskop? – Verschiedene Teleskope kennenlernen Material Thema und Materialbedarf M 4 (Ab) Das Kepler-Fernrohr – Aufbau und Funktion M 5 (Ab) Immer weiter in die Ferne – Teleskope im Überblick Stunden 5/6: Verschiedene Teleskope im Überblick – Gallery-Walk Material Thema und Materialbedarf M 6 (Ab) Weltraumbeobachtung aus der Erdumlaufbahn * I S N ein Plakat/Papier in A2 oder A1 M 7 (Ab) mehrere Filzschreiber Weltraumbeobachtung aus der Wüste * ein Plakat/Papier in A2 oder A1 A R O M 8 (Ab) V mehrere Filzschreiber Weltraumbeobachtung aus dem All * ein Plakat/Papier in A2 oder A1 M 9 (Ab) T H C mehrere Filzschreiber Weltraumbeobachtung aus der Stratosphäre * ein Plakat/Papier in A2 oder A1 mehrere Filzschreiber Stunden 7–12: Bau eines Teleskops Material Thema und Materialbedarf M 10 (Ab) · V: 120 min (einschließlich Einkauf) Teleskop selbst gebaut – das benötigst du!* M 11 (Ab) Teleskop selbst gebaut – der Objektivtubus M 12 (Ab) Teleskop selbst gebaut – das Plössl-Okular M 13 (Ab) Teleskop selbst gebaut – die Plössl-Okularhalterung M 14 (Ab) Teleskop selbst gebaut – der Okulartubus M 15 (Ab) Erweiterung des Teleskops – der Sonnenfilter * AstroMedia-Bausatz HT-Muffenstopfen HT-Rohr mit Steckmuffe HT-Überschiebemuffe · D: 270 min Kisten ø 40 mm ø 40 mm, Länge 500 mm ø 40 mm, Länge 100 mm schwarzer Karton BAADER Sonnenfilterfolie Gummi M 16 (Ab) Tipps und Tricks – so benutzt du ein Teleskop 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 10 von 32 M3 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) Erde und Weltraum Beitrag 4 VII Optische Linsen – Vergrößern und Verkleinern Weißt du, mit welcher Linse man vergrößern und mit welcher man verkleinern kann? Und wie kann man sie verbauen? Teil 2: Vergrößern und Verkleinern mithilfe von Linsen Betrachten durch die Sammellinse Betrachten durch die Zerstreuungslinse Es entsteht ein reelles Bild auf der gegenüberliegenden Seite der Linse, das du mithilfe eines Schirms sichtbar machen kannst. Da die Lichtstrahlen gestreut werden, entsteht kein reelles Bild, sondern nur ein virtuelles Bild. Du kannst es durch die Linse sehen, aber nicht auf dem Schirm festhalten. I S N Je nach Entfernung vom Gegenstand zur Linse ist das reelle Bild größer, kleiner oder gleichgroß. Das Bild steht auf dem Kopf. A R O Aufgabe 1 T H C Eine Zerstreuungslinse wirkt immer verkleinernd und das Bild steht aufrecht. Wann wirkt eine Sammellinse vergrößernd, wann verkleinernd und wann bleibt das Bild gleichgroß? Vervollständige die Skizze mit verschiedenen Farben und finde es heraus. V Das Bild wird … vergrößert, wenn verkleinert, wenn bleibt gleichgroß, wenn Aufgabe 2 Beschreibe den Strahlengang durch die Linsen. Welches Gerät könnte hier gemeint sein? 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 VII Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) Erde und Weltraum Beitrag 4 13 von 32 Das Kepler-Fernrohr – Aufbau und Funktion M4 Wie ist eigentlich ein Linsenteleskop aufgebaut? Hier findest du heraus, aus welchen optischen Elementen ein Kepler-Teleskop (1611) besteht und welche Funktionen die einzelnen Bestandteile haben. Ein einfaches Linsenteleskop besteht aus drei optischen Elementen, die in Kombination weiterentfernteObjektefürdasAugevergrößern.DieseBestandteilesinddasObjektiv,derTubus und das Okular. Das Objektiv Das Okular Der Tubus leitet das Licht vom Objektiv bis zum Okular weiter und ist von innen meist schwarz gefärbt und gerippt. Die dunkle Farbe und die raue Oberläche vermeiden Streulicht, damit das betrachtete Objekt scharf abgebildet wird. dient dazu, mit dem Auge das vergrößerte Bild des Objektivs zu betrachten. Es besteht dabei aus einer einzelnen Linse oder aus einem Linsensystem. Beim Kepler-Fernrohr nutzt man eine bikonvexe Sammellinse. Je nach Entfernung des Objekts wird mit dem Okular „scharfgestellt“, indem man es verschiebt und sich die Brennpunkte der Sammellinsen überlagern. T H C I S N A R O Querschnitt eines Kepler-Teleskops Fotos: Thinkstock/iStock; Pinnwandzettel: Colourbox ist das wichtigste Element eines Teleskops. Es besteht beim Kepler-Fernrohr aus genau einer bikonvexen Sammellinse und bündelt die einfallenden Lichtstrahlen im Brennpunkt. Der Brennpunkt ist von der jeweiligen Linse oder dem Spiegel abhängig und bestimmt die Vergrößerung des Fernglases. V Aufgaben 1. Fülle die Lücken mithilfe der Texte auf den Pinnwandzetteln. 2. SkizzierediepassendenLinsenandiemarkiertenStellenfürdasObjektivunddasOkular. 3. Zeichne den Strahlengang des einfallenden Lichts durch die beiden Linsen bis zum Ende des Teleskops. 4. Erkläre anhand des Strahlengangs, ob man das Bild verkehrt herum sieht. 5. Die einfallenden Lichtstrahlen sind hier parallel eingezeichnet; kann das stimmen? Diskutiere mit deinem Nachbarn. Nutzt zur Hilfe das Physikbuch und erklärt eure Antwort. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 18 von 32 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) Erde und Weltraum Beitrag 4 VII Weltraumbeobachtung aus der Wüste M7 Die ESO (engl. European Southern Observatory), auch Europäische Südsternwarte genannt, ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung. Für das Jahr 2020 plant sie den Bau eines Großteleskops der 40-Meter-Klasse. Es soll das größte optische Teleskop der Welt werden! Das European Extremely Large Telescope – E-ELT Mit einem Hauptspiegeldurchmesser von 39,3 Metern wird das E-ELT vier- bis fünfmal größer als heutige Spitzenteleskope. Ein so großer Spiegel kann nicht in einem Stück gefertigt werden. Stattdessen wird er aus rund 1000 sechseckigen Segmenten zusammengesetzt. Das E-ELT wird über mehrere Kameras verfügen, zwischen denen schnell gewechselt werden kann. Auch die Mechanik des Teleskops und der Kuppel ist so ausgelegt, dass binnen kürzester Zeit von einem Beobachtungsziel am Himmel auf ein anderes umgeschwenkt werden kann. Im Oktober 2013 überreichte Sebastían Piñera, der Präsident Chiles, die unterzeichneten Dokumente zur Übergabe des Landes um den Cerro Armazones an die ESO. A R O Dieser Berg liegt in der Atacama-Wüste etwa 130 km südlich der Stadt Antofagasta. Hier hat das Teleskop in einer Höhe von 2400 m über dem Meeresspiegel sein Zuhause gefunden. V Forschungsziele in der Zukunft Eines der ehrgeizigsten Ziele der beobachtenden Astronomie ist der erste Nachweis eines erdähnlichen Planeten, auf dem sich Leben bilden könnte. Dies ist nur in der habitablen Zone um einen Stern möglich, wo es weder zu kalt noch zu warm für Lebewesen wird. Darüber hinaus soll das E-ELT die Eigenschaften der ersten Sterne und Galaxien, der Dunklen Materie und der Dunklen Energie erforschen. Aufgabe Erstellt in eurer Gruppe ein Informationsplakat zum E-ELT. Stellt die Informationen auch mit eigenen Illustrationen oder Skizzen des Teleskops anschaulich dar. Beantwortet die Frage: „Wieso soll dieses riesige Teleskop fernab der Zivilisation in der Wüste stehen?“. Begründet eure Antworten und Vermutungen und schreibt sie mit auf das Plakat. Jedes Gruppenmitglied sollte das Plakat erklären können. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 Pinnwandzettel: Colourbox T H C I S N Das E-ELT sucht ein Zuhause Digitales Modell: ESO/L. Calçada Das E-ELT wird ein vielseitiges Großteleskop für das sichtbare Licht und das nahe Infrarot. VII Erde und Weltraum Beitrag 4 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 21 von 32 Erläuterungen (M 6 bis M 9) Hier beschäftigen sich die Schüler in Gruppen mit vier großen Teleskopen und deren Einsatzorten, die sich voneinander unterscheiden. Im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen das Hubble-Weltraumteleskop (M 6), die Weltraumbeobachtung aus der Atacama-Wüste (M 7), das Gaia-Teleskop (M 8) und die fliegende Sternwarte SOFIA (M 9). Gleichzeitig wird die Fähigkeit, Grafiken oder Klimadiagramme zu interpretieren, gefördert. Ihre Schüler erstellen pro Gruppe ein Plakat, auf dem die Fakten und Vermutungen zum Einsatzort des Teleskops möglichst ansprechend dargestellt werden. Überprüfen Sie während der Gruppenarbeitsphase, ob alle wichtigen Informationen auf den Plakaten abgebildet sind. Geben Sie den Schülern Hilfestellungen und Tipps, die Sie den Lösungen zu den Materialien entnehmen können. Die Vorstellung der Ergebnisse findet als Gallery-Walk statt. Der Gallery-Walk Phase 1 Teilen Sie die Klassesoauf,dassjedesdervierMaterialiengleichoftvergebenist. Optimal sind bei diesem Gallery-Walk Vierergruppen. Phase 2 Jede Gruppe erstellt ein Plakat zu einem der vier Teleskope, auf dem es möglichst anschaulich das Teleskop erklärt und dessen Einsatzort begründet. T H C Phase 3 Hängen Sie die Plakate gut zugänglich und verteilt im Klassenzimmer auf. Phase 4 Die Gruppen werden neu eingeteilt, sodass jedes Teleskop mindestens einmal in der Gruppe vertreten ist. Die Summe der Gruppen bleibt dabei gleich. Phase 5 Die Gruppen verteilen sich auf die Plakate, sodass immer einer in der Gruppe ist, der zum Plakat gehört. Geben Sie den Schülern 5 Minuten Zeit, um das Plakat der Gruppe vorzustellen. Dies geschieht an allen Plakaten gleichzeitig. I S N Phase 6 Nach der ersten Teleskopvorstellung läuft die Gruppe weiter zum nächsten Plakat, zu dem einer aus der Gruppe gehört. Dieser stellt es der Gruppe vor. A R O Der Gallery-Walk ist nach vier Runden beendet. Zum Abschluss bewerten die Schüler die Plakate im Plenum und lassen die ansprechendsten Plakate in der Klasse hängen. Zur Ergebnissicherung sammeln Sie die Teleskope (E-ELT, SOFIA, Hubble, Gaia) und die Vorteile der Standorte (Wüste, Atmosphäre, Erdumlaufbahn, Lagrange-Punkt) an der Tafel und klären dabei die letzten Fragen. V Tipp Als Alternative eignet sich eine klassische Gruppenarbeit. Dazu finden Sie auf der CD die einzelnen Bilder (M 6_M 9.ppt) zu den Materialien. Bei einer Präsentation der Ergebnisse können die Gruppen die Bilder zur Erklärung nutzen. Lösungen (M 6) Wichtige Informationen, die Ihre Schüler auf den Plakaten festhalten sollten: Leitende Organisationen Missionsstart Größe des Teleskops Art des Teleskops Einsatzort Missionsergebnisse ESA und NASA 1990, wobei Messungen erst ab 1993 möglich wurden 13 m lang, 12 m breit und 12 t schwer Spiegelteleskop à misst Licht und Wärmestrahlung eine 600 km entfernte Erdumlaufbahn, 95 Minuten Umlaufzeit Nachweis Schwarzer Löcher, Sternentstehung, „UltrazoomBild des Universums“, sodass 10 000 Galaxien zu sehen sind Gründe und Vermutungen für den Einsatzort: Mit dem Hubble-Weltraumteleskop umgeht man das in Erdoberflächennähe störende Streulicht von Siedlungen. In den Luftschichten wird die Strahlung durch Moleküle abgelenkt, sodass sie die Erdoberfläche nicht erreicht. Da das Teleskop um die Erde kreist, kann so das gesamte Universum beobachtet werden und nicht nur eine Halbkugel. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014
