Planetariumsshow zum Thema Das Leben eines Sterns 1
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Carl-Fuhlrott-Gymnasium Wuppertal Jahrgangsstufe 12 Schuljahr 2009/2010 Planetariumsshow zum Thema: „Das Leben eines Sterns“ Name: Christoph Hastenrath Fach: Physik Kursleiter: OStR Michael Winkhaus Schuljahr: 2009/2010 Kontakt: [email protected] Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Planetariumsshow zum Thema: „Das Leben eines Sterns“ 1 VORWORT.................................................................................................................... 1 2 EINLEITUNG................................................................................................................. 2 3 DAS PLANETARIUM .................................................................................................... 3 3.1 Unsere Planetariumstechnik ................................................................................................... 3 3.1.1 Ausgangssituation des Planetariums..................................................................................... 4 3.1.2 Bilderserie: Ausgangssituation des Planetariums.................................................................. 5 3.2 Steuerung der Planetariumstechnik....................................................................................... 7 3.3 Konzept Planetariumssteuerung ............................................................................................ 8 3.4 Blende für den HD-Videoprojektor ......................................................................................... 9 4 ERSTELLUNG EINES FACHARTIKELS .....................................................................10 4.1 Vorbereitung und Analyse..................................................................................................... 10 4.2 Fachartikel „Das Leben eines Stern“ ................................................................................... 11 5 5.1 UMSETZUNG IN EINE PLANETARIUMSSHOW .........................................................38 Fahrplan für Planetariumsshow............................................................................................ 40 6 MEIN FAZIT .................................................................................................................47 7 QUELLENNACHWEISE...............................................................................................48 7.1 Literarische Quellen ............................................................................................................... 48 7.2 Internet-Quellen ...................................................................................................................... 48 7.3 Bild-Quellen ............................................................................................................................ 48 8 INHALTSVERZEICHNIS DER CD................................................................................49 9 ABSCHLUSSERKLÄRUNG.........................................................................................49 Das Leben eines Sterns Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 1 Vorwort Im Rahmen der Jahrgangsstufe 12 ist eine wissenschaftliche Hausarbeit anzufertigen. Meine Facharbeit soll nun die Grundlage für einen multimedialen Planetariumsvortrag zum Thema „Das Leben eines Sterns“ sein und dient auch als Basis für weitere Arbeiten am Schülerplanetarium des Carl-Fuhlrott-Gymnasiums Wuppertal. Ein Hauptaugenmerk innerhalb dieser Arbeit besteht darin, das Planetarium zu erweitern, modernisieren und in Betrieb zu nehmen. So soll eine Basis für ein umfassendes Bildungsangebot geschaffen werden. Die hier geschaffene Infrastruktur soll nachfolgenden Referenten die Möglichkeit bieten, eigene Fachvorträge in Form einer Planetariumsshow zu erstellen und halten zu können. Zur Nutzung von Videomaterial und noch ansprechender Darstellung astronomischer Inhalte sollte auch ein HD-Videoprojektor in die vorhandene Technik des Planetariums integriert werden. So bestand ein Teil meiner Arbeit auch in der Planung und Umsetzung dieser technischen Komponente. Insbesondere die Installation des Videoprojektors warf Probleme auf, die zunächst nicht ersichtlich waren. Im nächsten Teil der Arbeit beschäftige ich mich dann theoretisch mit dem Leben eines Sterns. Hier wird ausführlich die Lebensgeschichte eines Sterns erklärt, von seiner Entstehung bis zu seinem Ende. Des weiteren wird auch auf alle Szenarien eingegangen, insbesondere das Sterben des Sterns und deren Varianten werden beschrieben. Die Umsetzung dieses Artikels in eine Planetariumsshow ist in einem weiteren Abschnitt dieser Arbeit dargestellt. So wird das allgemeine Konzept, wie auch die konkrete Umsetzung in eine Show beschrieben. Im Fokus standen vor allem die Erstellung eines Fahrplans zur Vereinfachung des Vortrags und das Zusammenstellen der benutzten Medien. Die Entstehungsgeschichte und dessen Konzept werden in diesem Teil genauer beschrieben. Das Leben eines Sterns Seite 1 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 2 Das Einleitung Gesamtziel dieser Arbeit besteht darin, eine Planetariumsshow über die Lebensgeschichte eines Sterns zu erstellen. Von der Geburt bis zu seinem Ende soll alles in einer kurzweiligen Show dargestellt werden. Die Kunst des Ganzen besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen Information und Unterhaltung zu finden. Ein reines Aufzählen von Fakten wird auf Dauer keinen hohen Unterhaltungswert erreichen können, deshalb wird schnell klar, dass es hier eine entsprechende didaktische Aufbereitung geben musste. Das Planetarium verfügte damals bereits über einen Sternenprojektor und zwei Diaprojektoren, sowie weitere Hilfs- und Sonderprojektoren. Die Darstellung von dynamischen Vorgängen, wie sie sich im Inneren eines Sternes abspielen, ist mit Hilfe von Videomaterial, Animationen und Powerpoint Präsentation viel nachvollziehbarer als nur mit Hilfe einer Diashow. Also sollte das Planetarium um einen HD-Videoprojektor erweitert werden. Als nächstes muss aber zunächst ein Fachartikel verfasst werden, der die Grundlage der Planetariumsshow bildet. Dieser Artikel soll alle Informationen über das Leben eines Sterns enthalten, die zum Verständnis notwendig sind. Insbesondere sollte auch auf die Zielgruppe dieses Vortags besonders eingegangen werden. Die Umsetzung des Fachartikels in eine Planetariumsshow war der abschließende letzte Schritt meiner Arbeit. Schüler sollen, auch ohne Vorkenntnisse, in der Lage sein, diesem Vortrag folgen zu können und zu verstehen, und vielleicht sogar das Interesse an der Astronomie finden. Letztendlich sollen alle Hilfsmittel des Vortrags so aufbereitet werden, dass andere Vorführer diese Show allein referieren können. Das Leben eines Sterns Seite 2 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 3 Das Planetarium Das Schülerplanetarium des Carl-Fuhlrott-Gymnasiums Wuppertal entstand aus der Idee hinaus, eine wetterunabhängige Alternative für Astronomie-Interessierte zu schaffen. Zusätzlich zu der Sternwarte auf dem Schuldach, erstellten zwei Schüler im Rahmen ihrer wissenschaftlichen Facharbeit vor einigen Jahren das Konzept für ein eigenes Schülerplanetarium. Hintergrund war es, aufgrund des sehr begrenzten zu Verfügung stehenden Raumes, ein sehr kleines Planetarium mit einem Durchmesser von gerade einmal 7 Metern zu erschaffen. Da es aber keines in solch kleinen Dimensionen zu kaufen gab, beschlossen sie ihr eigenes zu bauen. In monatelanger Arbeit verbrachten sie Tage und Nächte damit ihre Gedanken umzusetzen und schafften es schlussendlich ein vollwertiges Planetarium zu erbauen. Der verdient Preis war der Gewinn bei „Jugend forscht“, dessen Erbe ich in meiner Facharbeit antreten darf und erste Shows entwickeln kann, um die Idee dieser zwei mittlerweile Physik- Studenten weiter umzusetzen. 3.1 Unsere Planetariumstechnik Bei der Realisierung des Sternenprojektors war wohl das größte und zeitintensivste Problem bei dem Bau. Hierzu wurden 32 Fotoobjektive genutzt, die wie von einer Taschenlampe durchleuchtet werden und dann das Licht auf eine dunkle Platte trifft, in das kleine Löcher gelasert wurden, die jeweils einen Stern darstellen. Die genaue Positionierung wurde dann durch die Ausrichtung der Objektive am Himmel getestet, wobei wichtig ist, dass zwei Objektive nicht denselben Stern darstellen, da es sonst zu irrealen Doppelsternen kommt. Je größer ein Stern in der Realität ist, desto größer ist das Loch in der Platte, sodass sich durch erhöhte Lichtmenge ein optisch größerer Stern projiziert wird. Da allerdings dieses Licht sehr schwach ist, gilt es, jede weitere Lichtquelle, wie zum Beispiel Lichter am Steuerungs-PC, Monitor etc. zu vermeiden, da es ansonsten zur in Großstädten typischen Lichtverschmutzung kommt, die dunklere Sterne am Nachthimmel überdecken. Das Leben eines Sterns Seite 3 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 3.1.1 Ausgangssituation des Planetariums Der Einbau des Videoprojektors in die vorhandene Anlage gestaltete sich als recht schwierig und Zeitaufwendig. Die besonderen optischen Verhältnisse innerhalb des Planetariums sind sehr komplex und schwierig. Die Lichtausbeute des Sternenprojektors ist sehr gering, stellt aber den wichtigsten Teil des Planetariums dar, also müssen alle anderen Licht und Bildquellen darauf abgestimmt werden. Diese hat zur Folge, dass Eintreten von Fremdlicht in die Kuppel unbedingt verhindert werden muss. Außerdem ist das Licht eines Videoprojektors viel zu hell und überstrahlt die Sterne. Deshalb musste ich ein Konzept entwickeln, mit dem die Lichtmenge reguliert werden kann. Dieses Problem löste ich mit Hilfe von zwei Polarisationsfiltern, welche zueinander verdreht werden, um die Lichtmenge einstellen zu können. Ein weiteres Problem sollte sich als viel schwieriger herausstellen. Der Videoprojektor muss aus Platzgründen und wegen der enormen thermischen und optischen Belastung außerhalb der Kuppel montiert werden. Durch eine Öffnung in der Kuppel wird dann das Bild auf die entgegen gesetzter Seite projiziert. Dafür muss eine Öffnung in die Kuppel geschnitten werden, die aber nur bei Bedarf geöffnet wird. Diese Vorrichtung sollte einmal das Fremdlicht von außerhalb der Kuppel fernhalten und den Strahlengang des Projektors unterbrechen, da selbst ein schwarzes Bild des Projektors immer noch die Darstellung des Sternenprojektors stark stören und die projizierten Sterne zum Verschwinden bringen würden. Da dieses Problem sehr speziell ist, habe ich keine geeignete Lösung auf dem Technik-Markt finden können, weshalb ich eigene Lösungskonzepte finden musste. Der erste Versuch der Realisierung wurde mit einer Holzklappe durchgeführt, die manuell auf und zu geschoben werden kann. Dieses stellte sich schnell als unpraktisch heraus, da man die Kuppel verlassen musste, um die Klappe zu öffnen oder zu schließen. Die Holzklappe hätte außerdem der thermischen Belastung der 150 Watt Projektorlampe nicht unbeschadet standgehalten. Mein Vater, der aufgrund seiner Profession als Ingenieur täglich mit technischen Problemen konfrontiert wird, kam auf die Idee die Klappe zu automatisieren. Er stellte mir elektromechanische Bauteile zur Verfügung, mit dessen Hilfe eine Blende um 90 Grad bewegt werden kann. Er konstruierte eine kleine Mechanik für diese Blende (siehe Anhang: Blende für Videoprojektor). Die Ansteuerung dieser Blende soll über ein neues TouchscreenMonitor erfolgen. Das Leben eines Sterns Seite 4 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 3.1.2 Bilderserie: Ausgangssituation des Planetariums Großansicht Sternenprojektor Ansicht Sternenprojektor Eingang zum Planetarium Diaprojektor 1 Das Leben eines Sterns Altes „Steuerpult“ Diaprojektor 2 Seite 5 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Innenansicht Planetarium I Innenansicht Planetarium II Innenansicht des Planetariums mit Sternhimmel und Horizont Das Leben eines Sterns Seite 6 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 3.2 Steuerung der Planetariumstechnik Bald wurde klar, vorhandene Steuerelemente nicht komplett ausgereift waren. Zusammen mit meinem Vater und einigen Recherchen im Internet erarbeiten wir ein Konzept für die Steuerung des gesamten Planetariums. Zum Einsatz soll ein Bussystem kommen, welches auch in der professionellen Bühnen- und Theatertechnik benutzt wird. Dieses DMX-Bussystem ist besonders für die Steuerung von Geräten, wie Lampen, sowie für das Ein- und Ausschalten von Lichteffekten geeignet. Auch eine große Flexibilität scheint für unsere Anwendung ideal geeignet zu sein. Zum Steuern aller Komponenten dient ein Computerprogramm, das mit Hilfe eines Interfaces die einzelnen Geräte des Busses ansteuert. So können auch verschiedene Lichteinstellungen gespeichert werden und mit einem Knopfdruck erneut eingestellt werden. Dieses kann dann später auch bei der Planetariumsshow sehr nützlich sein. Die Bedienung erfolgt über einen angeschlossenen Touchscreenmonitor. Das Steuerungsprogramm ist auch in der Lage, auf einem entfernten Computer verschiedene Medien anzuzeigen oder abzuspielen. An diesem PC ist der HDVideoprojektor angeschlossen. So ist eine Fernsteuerung des Projektors über den Touchscreenmonitor möglich. Abbildung eines ähnlichen Touchscreen-Monitors. Wir nutzen in unserem Planetarium einen kleinen Faytech Monitor [Quelle: http://www.conrad.de/ce/ProductDetailImage.html?image=/medias/globa/touch.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 7 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 3.3 Konzept Planetariumssteuerung Dieses ist die Darstellung des neuen Steuerungskonzepts. Der Steuerungs-PC (1) dient als Mittelpunkt der Steuerung. Von hier werden alle angeschlossen Geräte gesteuert. Als Benutzerinterface dient ein Touchscreen-Monitor (4). Über eine TCP/IP-Schnittstelle wird der Medien-PC (2) angesteuert. Dieser kann dann die Videodateien, Bilder und Powerpoint-Präsentationen auf dem Videoprojektor (3) darstellen; der Ton wird über einen angeschlossenen Audioverstärker ausgegeben. Alle am DMX-Bus angeschlossenen Geräte, wie die Beleuchtung des Planetariums (6), Diaprojektoren (7) und sonstige Hilfsmittel (8), werden über einen DMX-Controller (5) an den Steuerungs-PC angeschlossen. Der Sternenprojektor besitzt eine eigene Steuerung und ist hier nicht dargestellt. Das Leben eines Sterns Seite 8 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 3.4 Blende für den HD-Videoprojektor Blende zum Unterbrechen des Strahlengangs des Videoprojektors. (geschlossen) Der Antrieb der Blende erfolgt mit Hilfe eines Drehmagneten. Beim Einschalten des Drehmagneten wird die Blende um 90 Grad gedreht und gibt somit den Strahlengang frei. Blende in geöffneter Stellung Epson HD-Projektor: EH-TW5500 Das Leben eines Sterns Seite 9 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 4 Erstellung eines Fachartikels 4.1 Vorbereitung und Analyse Ein Fachartikel ist die Basis eines jeden wissenschaftlichen Fachvortrages, weshalb ich mir für diesen Teil meiner Arbeit besonders viel Zeit genommen habe. Deshalb steht zu Beginn jeweils die Auseinandersetzung mit den theoretischen Inhalten. Ich musste mir also Grundwissen aus mehreren Enzyklopädien aneignen, sowie auf etliche Fachbücher zurückgreifen. Zur Erstellung meines Fachartikels habe ich mich mit diversen physikalischen Kompendien auseinandergesetzt, um mir so ein fundiertes Wissen über die Zyklen der Sternentwicklung anzueignen. Der Umgang mit fremden Quellen ist immer kritisch zu betrachten, weshalb ich gleich mehrere Werke akquiriert habe, die aus verschiedenen Medien bestehen. Vor allem durch Bücher, DVDs und den Besuch in den Planetarien von Recklinghausen und Bochum habe ich viel lernen können. Im Fokus meiner Arbeit stand vor allem die Verständlichkeit für jedermann, denn es soll kein Vorwissen benötigt werden, um alles verstehen zu können. Die Planetariumsshow, die aus meinem Artikel entsteht, soll auch für Schuler gehalten werden und ebenso von Schüler referiert werden können. Ich habe deshalb probiert, stets einen roten Faden durch meine Publikation zu verfolgen, um so ein genaues Verständnis des Lesers entwickeln zu können und die große Masse an Informationen so interessant wie möglich vermitteln zu können. Die Bedeutung von Bildern ist gerade bei solch schweren astronomischen Inhalten von größtem Stellenwert, denn sie dienen dem physikalischen Verständnis ungemein, da ja sehr komplexe Vorgänge innerhalb der Sterne ablaufen. Ich habe hierfür auf viele Veröffentlichungen des Hubble-Space-Teleskopes zurückgreifen können, die im Internet zu finden sind und somit Aufnahmen erhalten, die in solcher Qualität und Schärfe nicht von der Erde aus zu erzielen sind. Des weiteren verdanke ich viele Bilder der großen Diasammlung in unserem Planetarium. Das Leben eines Sterns Seite 10 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 4.2 Fachartikel „Das Leben eines Stern“ Das Leben eines Sterns Von Christoph Hastenrath [Quelle: http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/image/0407/n11_hst.jpg] A. Einführung und Vorstellung des Themas „Alles was einen Anfang hat, hat auch ein Ende“, so verhieß es vor wenigen Jahren ein Kinoplakat und genauso ist es auch bei den Sternen, unseren stillen Begleitern. Seit tausenden von Jahren machen sich Menschen Gedanken darüber, wie zum Beispiel ein Stern entsteht, doch leider hatten sie nicht das nötige Wissen, um Fragen solcher Art genauer beantworten zu können. Das Leben eines Sterns Seite 11 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Dank der modernen Methoden der Astrophysik ist es heute möglich, auf viele Fragen eine Antwort geben zu können. Die Sterne begleiten uns Tag und Nacht, doch leider wissen wir häufig gar nicht so viel über sie, wie sie es eigentlich verdient hätten, denn immerhin würden wir nicht leben, wenn es die Sterne nicht gäbe. Warum??? Das wird später erläutert! Sterne durchlaufen, vergleichbar wie beim Menschen, viele verschiedene Lebensabschnitte, man nennt diese „Phasen“ oder „Stadien“ der Sterne. Ein Stern wird geboren, wächst heran, lebt auf und erfährt einen dramatischen Tod, bevor er wieder in der Dunkelheit des Universums verschwindet. In dieser Planetariumsshow wollen wir uns genauer mit den Lebensphasen von Sternen beschäftigen. Wir beginnen am Ursprung des Sternes und erleben die Stadien seines Lebens bis hin zu seinem Ende. Die Intention der Entwicklung dieses Planetariumsprogramms ist nicht nur rein wissenschaftlich, sondern soll jedem Wissbegierigem, egal ob groß oder klein, das Leben der Sterne erläutern und vielleicht sogar die Astronomie etwas näher bringen, denn sie ist zweifellos eines der aufregendsten und faszinierendsten Wissenschaften unserer Zeit. B. Wie entsteht überhaupt ein Stern? Bevor wir uns dieser Frage widmen können, müssen wir uns erst einmal mit dem Ort der Sternentstehung, den so genannten „Sternentstehungsgebieten“, genauer beschäftigen. Das Leben eines Sterns Seite 12 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal B.1 Wo entsteht ein Stern? Sterne entstehen in interstellaren Gaswolken, sogenannten Molekülwolken, da sie überwiegend aus Wasserstoff und Helium bestehen, die sich in Molekülen anordnen. Es müssen jedoch viele Voraussetzungen gegeben sein, damit ein neuer Stern entstehen kann. Die Gaswolke muss eine gewisse Dichte aufweisen und verhältnismäßig kalt sein, also ca. 10-30 K, das ist minus 240°c. Da unsere Galaxie unvorstellbar groß ist, findet der Prozess der Sternentstehung relativ häufig, meistens sogar mehrfach innerhalb einer Molekülwolke statt. Nur knapp ein Drittel der Sterne sind in Form von Einzelsternen entstanden, während die große Mehrheit als Doppelsterne oder Mehrfachsterne geboren werden. Vor allem der Orionnebel gilt als aktuelle Geburtsstätte von Sternen. Wenn man Molekülwolken von der Erde aus betrachtet, erscheinen sie als dunkle Flecken am Nachthimmel, denn die vielen winzigen Staubteilchen, die im interstellaren Medium enthalten sind, zerstreuen und dämpfen das Licht der dahinter liegenden Sterne. Da dies die Licht-Spektroskopie, also die Analyse der chemischen Zusammensetzung anhand des Lichtes, verhindert, da nicht eine ausreichende Menge an Licht ankommt, muss man die Infrarot-Strahlung (Wärmestrahlung) der Staubteilchen nutzen, um in die Molekülwolke „sehen“ zu können. Somit ist ein Sternentstehungsgebiet u.a. mit der Analyse der Infrarotstrahlen auszumachen. Das Leben eines Sterns Seite 13 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Schärfste Aufnahme des Orion-Nebels des Hubble Teleskops. Sie zeigt das aktuelle Sternentstehungsgebiet und man erkennt die gerade erst entstandenen Sterne, die den Gas- und Staubnebel, in dem sie entstanden sind, von innen beleuchten. [Quelle: http://www.wissenschaft.de/sixcms/media.php/1441/spitzer.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 14 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Aufnahme der Plejaden, dem Siebengestirn des Himmels. Sie sind ein junger offener Sternhaufen in unserer Galaxie, der Milchstraße. [Quelle: http://members.chello.at/plejaden/bilder/plejaden1.jpg] Infrarot-Aufnahme der Plejaden, auf der man erkennen kann, dass dort bereits Sterne entstanden sind, die durch ihren Sternenwind den Staub und das Gas langsam wegblasen. Man kann diese Lebensphase mit der Pubertät bei Jugendlichen vergleichen (Befreiung). [Quelle: http://members.chello.at/plejaden/bilder/plejaden2.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 15 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal B.2 Die Kontraktion Die Sternentstehung kann durch mehrere Prozesse eingeleitet werden. Zum einen kann sie durch eigene Verdichtung entstehen, dass heißt: An einer Stelle ist die Gasdichte höher als in ihrer Umgebung, so dass sie das umgebende Gas anziehen kann und so weiter wächst. Dies ist nur möglich, wenn die Molekülwolke, wie zuvor beschrieben, eine ausreichende Dichte aufweist, da diese um den Faktor 1000 größer ist als die Durchschnittsdichte des Universums. Allerdings ist Schwerkraft ist eine vergleichsweise schwache Kraft und dieser Prozess der gravitativen Verdichtung dauert sehr lange. Viel stärker hingegen ist die Kraft einer nahen Supernova, die Masse in die Molekülwolke hindrückt und somit den Prozess in Gang setzt oder erheblich beschleunigt. Außerdem ist es möglich, dass die Sternentstehung aufgrund der Kollision von zwei oder mehreren Molekülwolken eingeleitet wird. Der zukünftige Stern verdichtet sich immer mehr und wird komprimiert, so dass die Dichte und somit auch die Temperatur stetig wachsen, wodurch auch der Gasdruck im Protostern beständig steigt. Im Stern herrscht ein ewiger „Kampf“ zwischen Strahlungsdruck und Gravitation. [Quelle: http://www.lehrer-online.de/dyn/pics/763901-764261-1-4_hydrostatisches_gleichgewicht.jpg] Das Leben eines Sterns Seite 16 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal B.2 Protonenstern Die kollabierende Gaswolke, auch Globul genannt, heizt sich immer mehr auf und kann die so gewonnene Energie irgendwann nicht mehr über die Konvektion abstrahlen, so dass die Kerntemperatur immer mehr ansteigt. Dieser aufheizende Gasklumpen wird Protostern genannt. Er ähnelt optisch einem vollwertigen Stern, doch fehlt ihm die benötigte Kerntemperatur, um die Kernfusion zünden zu können. Er ist quasi ein Prototyp von einem Stern, mit vergleichbarer Oberflächentemperatur, sowie gleicher Leuchtkraft. Der Stern wird immer größer, weil er der äußeren Gasschicht, der so genannten Akkretionsscheibe, die zuvor aufgrund geringerer Anziehungskraft zurückgeblieben ist, Materie entzieht. Die Akkretionsscheibe ist hierbei die Quelle für Planetensysteme, aus der zum Beispiel auch unsere Erde entstanden ist. Doch der Großteil der Masse dieser Scheibe wird weder für den Stern, noch für die Bildung von Planeten genutzt, sondern durch den einsetzenden Sternenwind fortgetragen, der in dem Augenblick einsetzt, wenn im Stern die Kernfusion im Inneren einsetzt und die Energie dieser Fusionsreaktionen nach außen abstrahlt. Die Masse, die vom Protostern angezogen wird, führt dazu, dass sich die Temperatur des Kerns erhöht. Auch wenn sich die Kerntemperatur immer weiter erhöht, bleibt die Oberflächentemperatur relativ konstant. Es ist demnach nicht von außen abzusehen, wie lange der Protostern noch in diesem Zustand verbleiben wird. Das Leben eines Sterns Seite 17 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Eine künstlerische Darstellung eines Protosterns, von der Akkretionsscheibe umgeben. [Quelle: http://www.lehrer-online.de/dyn/pics/763901-764261-1-4_hydrostatisches_gleichgewicht.jpg] Der Sternenwind treibt Materie aus der Akkretionsscheibe in die Weiten des Universums. [Quelle http://www.mondatlas.de/other/martinel/ccd/2359_78x3min_halpha_na140ss.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 18 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal C. Die Hauptreihe Das Hauptreihenstadium nimmt ca. 90% der Lebenszeit eines Sternes ein. Der heiße Gasklumpen kann erst ab diesem Zeitpunkt als wahrer „Stern“ bezeichnet werden, da nun ein Gleichgewicht zwischen der nach innen wirkenden Gravitation und dem nach außen wirkenden Gasdruck entstanden ist, der durch die Kernfusionsprozesse im Inneren des Sterne gebildet wird. Auch unsere Sonne befindet sich im Hauptreihenstadium. Ihre Aktivität wird an den Protuberanzen sehr schön deutlich, die man im Hα-Licht direkt sehen kann. [Quelle http://ah8892.bplaced.net/Astronomie%20Website/Bilder/Sonne/sonne.gif ] Das Leben eines Sterns Seite 19 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Aufnahme der Sonne im H-α-Licht. Das H-α ist als die hellste Spektrallinie bekannt und hat eine Wellenlänge von 656,28 nm und ist somit im roten Bereich des Lichts. Bei der Sonnenbeobachtung dient der H-α-Filter dazu, nur Licht dieser Wellenlänge durchzulassen und ermöglicht die Beobachtung der obersten Sonnenschicht (Chromosphäre), sowie der Oberflächenaktivitäten(Protuberanzen). [Quelle http://astro-ccd-bilder.de/Bilder/310308SonneHa.jpg ] [Quelle http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/81/Sonne_Wasserstoff-alpha-Filter.jpg/600pxSonne_Wasserstoff-alpha-Filter.jpg Das Leben eines Sterns ] Seite 20 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Oben: Aufnahme der Sonne im Weißlicht. Spezielle Solarfilter ermöglichen es, trotz der enormen Helligkeit der Sonne, diese zu beobachten und so aktive Regionen und Sonnenflecken auszumachen. Dies ist dadurch möglich, dass nur 0,1% des Sonnenlichtes in das Teleskop eindringen können, da dieses ansonsten auf Grund der enormen Temperaturen beschädigt und zum sofortigen Erblinden eines Beobachters führen würde. Als Filter kann eine Folie oder Glas dienen, dass mit einer minimalen Gold-/Silber-/Chromschicht überzogen wurde. Unten: Eine Baader-Silberfolie angebracht an einem Zeissteleskop. [Quelle http://astro-ccd-bilder.de/Bilder/310308SonneW.jpg ] [Quelle: http://www.astro-siggi.de/Bilder/tutorials/SonnenfilterfolieamRefraktor.jpg] Das Leben eines Sterns Seite 21 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal C.1 Die Kernfusion Weißt der Stern eine ausreichende Masse auf, sodass die Kerntemperatur über 10 Millionen Kelvin steigt, setzt das sogenannte Wasserstoffbrennen ein. Es ist eine der zwei in Sternen auftretenden Fusionsreaktionen (die andere Reaktion nennt man Bethe-Weizsäcker-Zyklus [CNO-Zyklus]), die vor allem bei Sternen mit kleineren und mittleren Massen, den Hauptteil der Energie erzeugt, weshalb wir uns hier auf die sogenannte Proton-Proton-Reaktion beschränken wollen. Bei Kerntemperaturen dieser Größenordnung, können Atome (also Kerne mit an sich gebundenen Hüllenelektronen) nicht mehr existieren und die gesamte Materie liegt in freien Protonen, Elektronen und Neutronen vor. Diese unabhängigen Atomfragmente nennt man Plasma. Die Proton-Proton-Kette wird durch eine Startreaktion eingeleitet, also zwei HKerne verbinden sich unter Bildung eines Positrons und eines Elektronenneutrinus zu Deuterium. Im weiteren Schritt fusionieren der Deuteriumkern und ein weiteres Proton zu einem ³He, also einem leichten Heliumisotop, wobei gleichzeitig ein Gammaquant abgestrahlt wird. Die Hauptfolgereaktion ist hauptsächlich (ca. 91% der Energieerzeugung) von der so genannten Pp-Reaktion I geprägt, in der zwei ³He-Kerne zu einem 4He-Kern und zwei freiwerdenden Protonen reagieren. Des weiteren laufen viele vergleichweise unbedeutende Reaktionen ab. Diese stark exotherme Reaktion beruht auf dem relativistischen Massendefekt, demnach die Masse des Endproduktes rund 1% geringer ist als die Produkte. Die Energie die so erzeugt wird, macht das Leben, wie das auf unserer Erde, erst möglich. Die Reaktion läuft so lange ab, bis der gesamte Vorrat an H-Kernen aufgebraucht ist. Dies kann mehrere Millionen Jahre, bis hin zu 20 Milliarden Jahre dauern, wobei eine höhere Masse des Sterns, ein schnelleres Verbrennen Das Leben eines Sterns Seite 22 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal bedeutet. Durch den Einsatz der Kernfusion stoppt der Gravitationskollaps des Sternes und es bildet sich ein konstantes Verhältnis zwischen der im Inneren erzeugten Energie und der Energie, die der Stern abstrahlen kann. Der Gravitationsdruck, der nach innen zeigt und der Strahlungsdruck, der nach außen wirkt, halten sich in dieser stabilen Phase genau das Gleichgewicht. Da unsere Sonne eine relativ geringe Masse hat, befindet sie sich noch im Hauptreihenstadium und hat gerade einmal ungefähr die Hälfte ihres Wasserstoff-Vorrats verbraucht. Sie leuchtet jetzt schon ca. 5 Milliarden Jahre und wird noch weitere 5 Milliarden Jahre sehr konstant Energie abstrahlen. Zum Ende der Brennzeit von Wasserstoff gerät der Stern wegen der verminderten Energieproduktion in seinem Inneren in ein Ungleichgewicht, und somit kollabiert der Stern. Dieser Kollaps leitet dann das unweigerliche Ende des Sterns ein. Wie im Kapitel 4 näher beschrieben wird, hängt das jeweilige spektakuläre Sterbeszenario dann von der Masse des Sterns ab. Darstellung der Proton-Proton-Kette (p-p Kette). Vier Wasserstoffkerne werden zu einem Heliumkern fusioniert. [Quelle http://www.astro.uni-bonn.de/~deboer/sterne/bf4ppkette.gif ] Das Leben eines Sterns Seite 23 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal C.2 Das Hertzsprung-Russel- Diagramm (HRD) Das Hertzsprung-Russel-Diagramm ist eines der populärsten und wichtigsten „Hilfsmittel“ der modernen Astronomie. Es wurde 1913 von dem amerikanischen Physiker Henry Norris Russel in Zusammenarbeit mit dem dänischen Astronom Ejnar Hertzsprung entwickelt. Es ist von großer Bedeutung, da man an ihm die aktuelle Lebensphase und die weitere Entwicklung eines Sternes ablesen kann. Das klassische HRD zeigt ein Verhältnis zwischen Leuchtkraft (Leuchtkraftklasse) und Oberflächentemperatur (Spektralklasse) eines Sternes auf. Beim Auftragen vieler Sterne entstehen charakteristische Häufungen, die als Äste bezeichnet werden. Die Äste sind grob unterteilt in die Hauptreihe, den Riesenast und den der Zwerge, sowie Unterzwerge [siehe Bild nächste Seite]. Entscheidend ist auch hier wieder ein Wert: Die Sternmasse. Sie bestimmt das Tempo, mit dem der Stern das Diagramm durchläuft und somit auch seine weitere Entwicklung und seine Lebenszeit. Ein Stern von großer Masse beginnt seinen Hauptreihenzustand im oberen Bereich des HRD, woran man erkennen kann, dass er eine kürzere Brenndauer und somit ein kürzeres Leben hat. Ein Stern der mittleren Masse, wie zum Beispiel unsere Sonne, hat eine so lange Phase im Hauptreihenzustand, dass manche Sterne der Population I, also aus der Urzeit unseres Universums vor rund 10 Milliarden Jahren, noch vorhanden sind. Keiner der Sterne mit großer Masse, welche damals häufiger vorkamen befinden sich, heute noch im Hauptreihenzustand. Im Laufe der Zeit steigert sich die Helligkeit eines Sternes und nähert sich dem Stadium eines roten Überriesen immer mehr an, bis der gesamte Wasserstoff verbraucht ist. Man kann nun mit Hilfe des HRD eine Entwicklungslinie von Sternen darstellen, also die Entwicklungsphasen, die ein Stern durchläuft. Dank des Hertzsprung-Russel-Diagramms ist es möglich, die Lebensphase zu visualisieren und so ein tieferes physikalisches Verständnis zu erreichen. Das Leben eines Sterns Seite 24 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Dieses HRD beschreibt den Lebensweg eines typischen Sterns. Es wird deutlich, wie sich ein Stern entwickelt und in welcher Lebensphase er sich befindet. Der Pfeilstrich markiert den Lebensweg eines typischen Sterns. [Quelle http://www.ajoma.de/assets/images/Stern1.gif ] Das Leben eines Sterns Seite 25 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Ein typisches HRD , das vor allem die bekannten Sterne, wie Sonne, Beteigeuze und Sirius zeigt. (Man erkennt hier deutlich, welche Phasen durchlaufen werden.) [Quelle http://www.mgf-kulmbach.de/material/gk/sterne/hertz.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 26 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal D. Das Ende eines Sterns D.1 Roter Riese Durch den erneuten Kollaps steigt die Kerntemperatur auf über 100 Millionen Kelvin an. Da bei diesen enormen Temperaturen selbst die aus Wasserstoff fusionierten Heliumkerne ihrerseits extrem häufig mit enormen Geschwindigkeiten zusammenstoßen, setzt die Kernfusion erneut ein und die Heliumkerne, fusionieren zu Kohlenstoff und zu weiteren schweren Elementen bis hin zu Eisen. Hier ist ein Ende erreicht, da noch größere Atomkerne weniger Energie erzeugen würden, als ihre Entstehung verbrauchen würde. Dieser Prozess führt dazu, dass sich die Leuchtkraft stark erhöht und der Stern enorm anwächst. Die Oberflächentemperatur ist dabei aber im Vergleich relativ niedrig, da die Ausdehnung die Dichte der äußeren Schichten absenkt. Bekannte Beispiele für diese Phase sind Aldebaran im Sternbild Stier (das "rote Auge des Stiers") und der rote Überriese Beteigeuze im Sternbild Orion. Der Rote Überriese Beteigeuze, einer der bekanntesten Sterne. Hier als echte Aufnahme, die dem Hubble Space Telescope zu verdanken ist. Sie ist die erste echt aufgelöste Aufnahme eines Sternes (außer der Sonne). [Quelle http://jumk.de/astronomie/img/beteigeuze.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 27 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal D.2 Und was passiert danach? Wie im Hauptreihenstadium ist auch bei der Sternentwicklung nach der stabilen Phase die Masse des Sterns von größter Bedeutung. Je nach seiner Masse gibt es völlig unterschiedliche "Todesszenarien" der Sterne. D.2.1 Weißer Zwerg, bei weniger als 1,4 MSonne Wenn der Stern eine Masse von weniger als 1,4 MSonne (Sonnenmassen) hat, verliert er seine äußere Hülle, weil er diese durch fehlende Gravitation nicht halten kann. Er dehnt sich nämlich immer weiter aus, wobei die Dichte sinkt und der Einfluss der zusammenhaltenden Schwerkraft ebenso abnimmt. Zurück bleibt ein sogenannter weißer Zwerg, also ein erdgroßes Objekt, das aus schwereren Elementen, wie zum Beispiel Eisen und Kohlenstoff besteht und eine Zentraltemperatur von immer noch ca. 10.000 Millionen Kelvin hat. Im Laufe der Zeit kühlt er immer weiter ab, bis er irgendwann als "Brauner Zwerg" als Beobachtungsobjekt verschwindet, da er dann kaum noch Licht abstrahlt. Ein bekanntes Beispiel für einen Weißen Zwerg ist Sirius B, ein Begleiter von Sirius im Sternbild Großer Hund (immerhin der hellste Stern am Himmel). Er kann mit dem „Hubble Space Telescope“ optisch deutlich von seinem Hauptstern getrennt werden und beeinflusst aufgrund seiner Gravitation die Bahn und die Geschwindigkeit von Sirius. Künstlerische Darstellung eines Weißen Zwerg im AE-Aquarii-System. Man erkennt, wie der Doppelstern noch auf Grund viel höherer Masse, in der Hauptreihe verweilt und Materie des Zwergs aufnimmt. [Quelle: http://www.astris.de/thumbnail.php?file=white_dwarf_656769716.jpg&size=article_medium] Das Leben eines Sterns Seite 28 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal D.2.2 Neutronenstern, bei 1,4 MSonne bis 3,2 MSonne Wenn der Stern eine Masse von mehr als 1,4 MSonne hat, kollabiert er, nachdem alle Kerne bis hin zum Eisen fusioniert sind. Da aufgrund der aussetzenden Kernfusion, die Temperatur schnell absinkt, weshalb die Gravitationskraft den Druck übersteigt, fällt er zusammen. Die Temperatur steigt dadurch im Kern so stark an, dass noch endothermere Reaktionen, wie zum Beispiel die Bildung von Uran, stattfinden. Der Strahlungsdruck steigt dabei so stark an, dass es dem Stern die äußeren Schichten wegreißt und er explodiert. Diesen Effekt nennt man Supernova, bei dem die Leuchtkraft schlagartig ansteigt und Unmengen an Licht ins Weltall gestrahlt werden, wodurch er ganze Galaxien überstrahlen kann. Der helle Punkt am Rand des Sternsystems ist eine Supernova. Sie ist milliardenfach heller als ein normaler Stern und überstrahlt eine ganze Galaxie. [Quelle: http://img.webme.com/pic/c/chancen/supernova3.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 29 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Darstellung einer Supernova. Sie schleudert dabei ihre komplette äußere Schicht ins All. [Quelle: http://msnbcmedia4.msn.com/j/msnbc/Components/Photos/070222/070222_supernova_vmed.widec.jpg ] Künstlerische Darstellung einer Supernova. Man erkennt die Raumzeitkrümmung, die von der Supernova ausgeht. Sie ist ein Effekt der Allgemeinen Relativitätstheorie. [Quelle: http://www.chaoszone.de/blog/media/blogs/webnews/ways-to-destroy-earth-02.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 30 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Zurück bleibt ein Neutronenstern, der gerade einmal einen Durchmesser von 20 bis 24 km hat. Die Materie wird dabei so dicht zusammengepresst, dass der ganze Stern praktisch ein riesiger Atomkern wird. Die Protonen werden dabei zu Neutronen umgewandelt und der ganze Stern bildet somit praktisch ein Neutronengas. Der Neutronenstern ist damit eine dicht gepackte Kernmaterie und weist eine hohe Kerntemperatur auf, die jedoch relativ schnell sinkt. Die Leuchtkraft ist wegen der kleinen Größe sehr gering und noch niedriger als bei einem Weißen Zwerg. Künstlerische Darstellung eines Neutronensterns. Man erkennt die verschiedenen Magnetfeldströme des Sterns [Quelle: http://www.achtphasen.net/media/users/achtphasen/neutronenstern-isoliert.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 31 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal D.2.3 Schwarzes Loch, bei mehr als 3,2 MSonne Schwarze Löcher entstehen, wenn nach der Supernova eine Restmasse von über 3,2 MSonne übrig bleibt. Schwarze Löcher sind längst nachgewiesen, aber wissenschaftlich noch nicht ausreichend erforscht. Einige Hypothesen haben sich aber bereits bestätigt. Wenn ein Stern eine immer noch so enorme Masse besitzt, so kollabiert er so stark, dass er die Schwarzschild-Grenze unterschreitet. Er bildet einen eigenen Ereignishorizont, dass heißt: Man kann nicht in dieses Loch hineinschauen, weil selbst Licht diesem unglaublich kompakten Objekt nicht mehr entweichen kann. Licht, dass in ein Schwarzes Loch fällt, taucht in diesen Horizont ein und wird auf eine endlose Kreisbahn gezwungen, aus der es nie mehr herauskommt. Da man also kein Licht zurückkommen sieht, kann man es also nicht "sehen". Deshalb bezeichnet man es als "Schwarzes Loch". Jede Materie, die sich einem schwarzen Loch nähert, wird unweigerlich hineingezogen und verschwindet in ihm unwiderruflich. Außerdem geht man davon aus, dass die hier bekannten Naturgesetze innerhalb des Ereignishorizontes nicht mehr gelten, was aber nicht zwingend heißen muss, dass Schwarze Löcher als Wurmloch, also eine Art Portal in ein paralleles Universum, genutzt werden können, so wie es in manchem Science Fiction Film gezeigt wird. Hier beginnt die spekulative Physik. Das Leben eines Sterns Seite 32 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Ein Schwarzes Loch: Es erscheint komplett schwarz, da kein Licht entweichen kann. [Quelle: http://www.paranormal.de/okkultes_weltbild/seelegif/loch14.jpg ] Eine Großaufnahme der Supernova SN 1987A. Links eine Aufnahme kurz nach dem Aufleuchten, rechts eine Aufnahme ein Jahr später. Die SN1987A war die einzige aufgezeichnete Supernova der Neuzeit, die mit bloßem Auge sichtbar war. [Quelle: http://www.e-klassen.nl/access/content/group/e-klasproject/gepubliceerd/natuurkunde/Zonnestelsel%20en%20heelal/html/H4/SN1987a_wiki.jpg Das Leben eines Sterns ] Seite 33 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Eine Übersicht der Aufnahmen von der Supernova 1987A. Hier kann der Zustand der Reste innerhalb weniger Monate, Jahre und Jahrzehnte verglichen werden. [Quelle: http://www.spacetelescope.org/static/archives/images/screen/opo0409b.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 34 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Eine aktuelle Aufnahme des Crabnebels. Die dazu gehörige Supernova erhellte am 4. Juli 1054 den Tageshimmel und überstrahle sogar die Sonne. [Quelle: http://www.1koeln.eu/media/crab_nebel.jpg ] Eine aktuelle Aufnahme des Ringnebels in der Leier vom Hubble Space Telescope. Der Ringnebel ist der Rest einer Supernova, die vor ca. 20.000 Jahren explodierte. [Quelle: http://www.br-online.de/wissen-bildung/spacenight/sterngucker/foto/ringnebel-hubble.jpg Das Leben eines Sterns Seite 35 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal Die gesamte Entwicklung schematisch zusammengefasst: Gaswolke, Protostern, Kernfusion, Supernova, Weißer Zwerg/ Neutronenstern/ Schwarzes Loch [Quelle: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Sternentwicklung.png&filetimestamp=20061113155153 ] Das Leben eines Sterns Seite 36 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal E. Abschluss Wir haben nun alle Phasen eines Sternes durchlaufen und das Leben eines Sternes genauer verstanden. Man kann viele Gemeinsamkeiten zwischen dem Sternenleben und dem Leben eines Menschen erkennen und dies ist sicherlich auch kein Zufall. Die Elemente, aus denen wir bestehen (Kohlenstoff, Sauerstoff, ...) sind einst in Sternen durch die im Inneren ablaufenden Fusionsprozesse erst gebildet worden. Wir alle bestehen also aus Sternenstaub! Wir sollten uns dessen immer bewusst sein, denn ohne die Kernfusion im Inneren der Sterne gäbe es die unterschiedlichen Elemente nicht, aus denen wir bestehen. Aber auch das Leben auf der Erde wäre ohne unsere Sonne nicht möglich. Unsere Sonne, die ihre Energie im Inneren ebenso durch Kernfusion erzeugt, schenkt uns tagtäglich ihre Wärme und wird dies hoffentlich auch weiterhin machen, denn sie hat in ihrem stolzen Alter von knapp 5 Milliarden Jahren gerade einmal die Hälfte ihres Leben erreicht, bevor sie als weißer Zwerg am Firmament verschwinden wird. Doch bis dahin erfreuen wir uns erst einmal weiterhin ihres Anblickes! In diesem Sinne wünsche ich uns allen viel Spaß beim Beobachten der Sonne, der Quelle unseres eigenen Lebens! Christoph Hastenrath Das Leben eines Sterns Seite 37 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 5 Umsetzung in eine Planetariumsshow Nach Abschluss meines Artikels galt es, diesen theoretischen Text in das Konzept einer Planetariumsshow zu bringen. Vor allem ist es von großer Bedeutung, den Planetariumshimmel nicht nur als reine Projektionsfläche zu nutzen, sondern auch den Charakter des Planetariums in den Vortrag einfließen zu lassen, also die Regionen, die auf den Bildern gezeigt werden, auch am Sternenhimmel zu zeigen. Zur Einleitung sollte man in jeder Show erstmal den Himmel mit ein wenig restlicher Lichtverschmutzung zeigen, denn so sind die Hauptsternbilder am besten zu erkennen. Außerdem können sich so die Augen an die Dunkelheit gewöhnen, während eine allgemeine Himmelserläuterung erbracht wird, in der man vor allem auf Sterne in verschiedenen Lebensstadien eingeht, die dann im eigentlichen Vortrag wieder aufgegriffen werden. Sind die Augen nach wenigen Minuten vollkommen adaptiert, kann man auf das eigentliche Thema zu sprechen kommen. Bei der Umsetzung des Fachartikels in eine Planetariumsshow haben wir schulintern ein festes Konzept entwickelt, dass auf die Unabhängigkeit von bestimmtem Referenten abzielt. Das heißt, der Vortrag soll von jedem beliebigen Schüler, oder einer Privatperson gehalten werden können, ohne dass er ein enormes Vorwissen mitbringen muss. Deshalb haben wir festgelegt, dass bei der Erstellung einer neuen Planetariumsshow zuerst ein Fachartikel verfasst wird, der zum einen den Referenten sachlich vorbereitet, zum anderen soll er den Besuchern einer Präsentation dazu dienen, sich weitergehend mit dem Thema beschäftigen zu können oder um später darauf zurückgreifen zu können. Des Weiteren wird auf Basis dieser Ausarbeitung ein Fahrplan erstellt, der als Leitfaden während des Vortrages dient. Er ist tabellarisch aufgebaut. Das heißt, er schildert den Ablauf der Show von Anfang bis Ende. Da unser Planetarium multimedial ausgestattet ist, werden nicht nur die Namen der Medien und deren Beschreibung angegeben, sondern auch die Ausgabequelle, also welcher der Diaprojektoren oder ob der Videoprojektor genutzt wird. So ist es möglich, bereits vor der Präsentation die Projektoren zu bestücken und vorzubereiten. In meiner Umsetzung startet der Fahrplan mit einer kurzen Einleitung, die auf der Analogie zwischen dem Leben der Sterne und dem der Menschen beruht. Darauf folgt die Beschreibung der Entstehung eines Sterns, der Jugend, die Adoleszenz, bis hin zu ihrem Sterben. Wir begleiten die Sterne durch alle möglichen Lebensstadien und erörtern ihre Sterbeszenarien. Zum Ende greifen wir den zu Beginn erbrachten Vergleich zurück und erörtern, dass durch den Tod eines Sterns (Supernova) meist ein Neuer entsteht. So Das Leben eines Sterns Seite 38 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal entsteht und endet das Leben immer wieder aufs Neue: Der Kreislauf des Lebens schließt sich. Abbildung eines professionellen Planetriumsprojektors. Unser Schulprojektor sieht zwar anders aus, jedoch ist die Qualität vergleichsweise gut. [Quelle: http://www.nacht-der-wissenschaften.de/2005/images/Planetarium5.jpg ] Das Leben eines Sterns Seite 39 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 5.1 Fahrplan für Planetariumsshow Planetariumsveranstaltung zum Thema „Das Leben eines Sterns“ Von Christoph Hastenrath Diaprojektor 1 (DP1): hinten an der Lüftung Diaprojektor 2 (DP2): vorne am Foucaultschen Pendel Beamer (B) Nr Mediumname 1 : über dem Eingang Medium Thema B Titel: Blick von der Erde zu den Sternen. Tag und Nacht Nachthimmel sind die Sterne unsere stillen Begleiter, doch ist uns oft ihre Bedeutung gar nicht bewusst, denn ohne sie gäbe es weder uns Menschen noch die Erde. Thema: Das Leben eines Sterns 2 Menschenleben B Menschen und Sterne haben vergleichbare Lebensphasen: Geburt, Jugend, Adoleszenz, hohes Alter, bis hin zum Tod. Begleiten wir nun die Sterne vom Ursprung bis zu ihrem Ende 3 L02 – 103/104 DP1 „Orionnebel“ Anfang: Wie entsteht ein Stern? Titel: Orion-Nebel, aktives Sternentstehungsgebiet Doch wo entsteht ein Stern? 4 Orionnebel B Sterne entstehen in Molekülwolken Was sind MW? MW sind Gaswolken, die überwiegend aus H und He Molekülen bestehen. Sterne entstehen nicht in jeder MW MW Zoom 5 B Welche Vorraussetzungen müssen gegeben sein? 2 Vorraussetzungen: Temperatur: (10-30K≈ -240°C); Dichte: muss >1000x Durchschnitt des Weltalls haben Das Leben eines Sterns Seite 40 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 6 MW v. d. Erde B MW erscheinen auf Grund der vielen Staubteilchen, die das Licht absorbieren, als dunkle Flecken am Nachthimmel. In diesen „Dunklen Flecken“ findet das langsame Schauspiel der Sternentstehung statt. 7 MW Infrarot B Dank der Infrarotstrahlung kann man in MW „hineingucken“, wodurch man die Sterngeburt beobachten kann. 8 MW Kollision B Wie entsteht ein Stern? Ursachen: -Eigene Kontraktion (Schwacher Effekt) -Kollision von MW (starker Effekt) -Nahe SN explodiert (starker Effekt) 9 Protostern B Stern kontrahiert immer mehr und die Dichte + Temp. im Kern steigt an. Irgendwann reicht die Konvektion nicht mehr aus um Wärme abzustrahlen -> Temperatur steigt weiter. Der Kern wird von der Akkretionsscheibe umgeben, der er weitere Masse entzieht. 10 Grav. Vs Druck B Innerhalb des Sterns herrscht ein ständiger Kampf zwischen der Gravitation und dem Strahlungsdruck. 11 H-Fusion B Steigt nun die Kerntemperatur >10 Mio. °C, so setzt das Wasserstoffbrennen ein und somit geht der Stern in die Hauptreihe über. 12 Sonne DP1 Bekanntester Stern in diesem Zustand ist die Sonne. Sie strahlt bereits seit 5 Mrd. Jahren ihre Energie ab und wird uns Menschenbewohner noch weitere 5 Mrd. Jahre dieses Zustandes erfreuen. Ohne Sie wäre ein Leben auf der Erde unmöglich. Das Leben eines Sterns Seite 41 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 13 Sun2(CD)Video B Kernfusion Im Stern stellt sich nun ein Gleichgewicht ein und das Wasserstoffbrennen fusioniert 4 H-Kerne zu einem He– Kern. Der Stern benötigt keine weitere Masse mehr, weshalb die Akkretionsscheibe zur Bildung von Planeten führt oder in die Tiefen des Alls geweht werden. Dieser Prozess läuft solange ab, bis alle H zu He umgewandelt wurden, was mehrere Millionen Jahre dauern kann. 14 Plejaden1 B Die Plejaden befinden sich in einem Zustand, den man mit der Pubertät bei Menschen vergleichen kann. Sie sind sehr charakteristisch in einem Mehrfachsystem entstanden und werden das Siebengestirn genannt. 15 Plejaden2 B Sie sind gerade dabei, sich von dem sie umgebenden Gas zu trennen und pusten diese quasi, wie eben erwähnt, ins Universum. 16 HRD1 DP1 Das HRD ist zurückzuführen auf den amerik. Physiker Henry N. Russel und dän. Astronom Ejnar Hertzsprung. HRD zeigt ein Verhältnis zwischen Leuchtkraft und Oberflächentemperatur. 17 HRD2 B Beim Auftragen entstehen Häufungen, den sog. Ästen, an denen man die aktuelle Lebensphase eines Sterns erkennt. 18 HRD mit Lebensweg B Wichtig ist auch hier: die Masse. Je größer sie ist, desto schneller vergeht der Lebensweg. Große Sterne beginnen ihre Hauptreihe viel höher im HRD, wodurch sich ihr Leben zusätzlich verkürzt. Der Stern beginnt seine „Reise“ entlang des Zwergenasts und steigt nach Abschluss des Wasserstoffbrennens auf den Riesenast. Nachdem er alle Elemente bis hin zu Fe fusioniert hat, verlässt er diesen Ast. Doch mehr dazu später. Das Leben eines Sterns Seite 42 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 19 Hertzsprung- B Russel Seine Entdeckung wird auf einen unglaublichen Zufall zurückgeführt, dass zwei so von einander unabhängige Größen wie Leuchtkraft und Temperatur die Zyklen der Sterne verdeutlichen. Das HRD ist eines der wichtigsten Hilfsmittel in der Astrophysik und trägt zum Verständnis der Lebensphasen von Sternen ungemein bei. 20 Beteigeuze B Sind alle H zu He fusioniert, kollabiert der Stern aufs Neue, wodurch die Temperatur enorm ansteigt und He zu schwereren Elementen, bis hin zu Fe, denn noch schwerere Elemente würden mehr Energie verbrauchen, als sie erzeugen. Der Prozess ist vergleichsweise kurz. 21 Aldebaran B Zusätzlich bläht der Stern sich auf, wodurch die Oberflächentemperatur sinkt, da die Dichte abnimmt und die Leuchtkraft stark ansteigt Bsp. Aldebaran im Stier oder Beteigeuze im Orion (Erster Stern außer der Sonne, der echt aufgelöst betrachtet werden konnte). 22 Waage B Doch wie endet denn nun ein Stern? Auch sein Ende ist geprägt von dem maßgebenden Faktor: der Masse. Je massenreicher ein Stern ist, desto „imposanter“ ist sein Tod. 23 Weißer Zwerg B Bei weniger als 1,44 MSonne:: Weißer Zwerg Zum Ende der Kernfusion, also wenn alle Vorräte an Hund He-Kernen fusioniert worden sind, senkt sich die nachkommende Energie ab, weshalb ein Ungleichgewicht entsteht, das führt dazu, dass der Stern die äußere Hülle nicht mehr halten kann. Nur der harte Kern bleibt zurück, der in etwa nur noch die Größe der Erde einnimmt. Man nennt solche Objekte Weißer Zwerg, welche sich mit der Zeit abkühlen und weniger Licht abstrahlen, weshalb sie als sog. Braune Zwerge am Nachthimmel verschwinden. Das Leben eines Sterns Seite 43 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 24 Sirius B B Bsp. Sirius B: Ein Begleiter von Sirius A, dem hellsten Stern am Himmel, der mit dem Hubble deutlicht vom seinem Hauptstern optisch getrennt werden kann und seine Bahn beeinflusst(Gravitation). 25 XXXX DP2 „Sonne" Auch dieses Szenario wird unsere Sonne in ca. 5 Mrd. Jahren durchlaufen und ihr Ende als Weißer Zwerg finden. 26 Crabnebel B Bei mehr als 1,44 MSonne: Supernova Typ II Im Kern setzt die Kernfusion wie eben beschrieben aus, weshalb der Strahlungsdruck abnimmt und der Stern stark kollabiert. Hierbei werden Elektronen und Protonen so stark zusammengequetscht, dass sie sich gegenseitig neutralisieren und Neutrinos frei werden. Dieser Prozess, heitzt den Kern so auf, dass sogar schwere Atome wie Uran entstehen können und die Temperatur der äußeren Hüllen steigt so dramatisch an, dass man von einem Hüllenbrand sprechen kann. 27 Supernova1 B Diese stark energetischen Prozesse strahlen unglaubliche Energieströme ab, die aber erst nach Tagen an der Oberfläche erkannt werden können. 28 Supernova3 B Sobald dies passiert, reißt es dem Kern die komplette Hülle weg und explodiert in einer Supernova des Typs II. Sie sendet dabei so viel Licht ab, dass sie ganze Galaxien überstrahlt. 29 Neutronenstern B Zurück bleibt ein Neutronenstern, der auf Grund des Pirouetten-Effektes enorm schnell rotiert (Rotationsdauer: wenige Sekunden). Er besitzt lediglich einen Durchmesser von 20-24 km und die Atome so nahe auf einander sitzen, dass ein Neutronenstern quasi als ein großer Atomkern zu betrachten ist . Das Leben eines Sterns Seite 44 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 30 Neutronenstern B 2 Auf Grund des kleinen Durchmessers besitzt er kaum Leuchtkraft (<Weißerer Zwerg). Außerdem sinkt seine Kerntemperatur schnell ab, weshalb er gerade einmal ca. 10 Mio. Jahre leben kann. 31 Pulsar B Krebsnebel Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne. Sie strahlen auf Grund verschiedener Rotationsachse und Magnetachse Strahlung, ähnlich wie bei einem Leuchtturm, impulsweise ab. Ein paar Pulsare(5%) haben unglaubliche Rotationsdauern von wenigen Millisekunden, weshalb ihre Lebensdauer sich erhöht. 32 Schwarzes B Übersteigt die Restmasse der Supernova allerdings die Schwarzschild-Grenze von 3,2 MSonne entstehen Loch1 Schwarze Löcher. Sie sind erst seit kurzer Zeit bekannt und noch nicht genug erforscht um sie genau genug beschreiben zu können. Sicher ist jedoch, dass die Naturgesetze, wie wir sie kennen innerhalb des Lochs nicht gelten. 33 Schwarzes B Loch2 Lichtstrahlen, die einmal in ein Loch hineinfallen, werden auf eine ewige Kreisbahn gezwungen und können nicht mehr entweichen, weshalb schwarze Löcher als absolut schwarz erscheinen(eigener Ereignishorizont). Materie, die in das Gravitationsfeld des Lochs eindringt, wird sofort in ihre Atome zerlegt und unwiderruflich eingesaugt. Eine weitere Hypothese besagt, dass Schwarze Löcher als Wurmlöcher genutzt werden können, was in fast jedem Science-Fiction Film aufgegriffen wird. Jedoch ist das Abtauchen in ParallelWelten stark umstritten. Allerdings beginnt hier die spekulative Physik. 34 Sternleben kompakt B Revue: Wir haben nun verstanden, wie ein Stern endet und können nun aus gutem Grund behaupten, die Lebensphasen eines Sternes verstanden zu haben. Das Ende eines alten Sternes (Supernova) bedeutet die Geburt eines Neuen. Somit schließt sich der ewige Kreislauf des Lebens. Das Leben eines Sterns Seite 45 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 35 Astro B Beobachter Dieser Vortrag sollte Ihnen das Leben der Sterne näher bringen und eventuell sogar weitergehendes Interesse an der Astronomie wecken, denn es ist zweifellos eines der spannendsten Hobbys der Welt, das einen auch nach Jahren immer wieder in Erstaunen versetzen kann. 36 CFG Logo B Wir sollten uns immer dessen bewusst sein, dass wir mit den Sternen viel gemeinsam haben: Besser gesagt, wir sind von Ihnen abhängig, denn die Stoffe, die wir zur Energieerzeugung nutzen und aus denen wir bestehen, sind alle durch das Leben eines Sternes entstanden. Oder man könnte auch so sagen: Wir alle bestehen aus Sternenstaub! An dieser Stelle möchte ich mich von Ihnen verabschieden und hoffe es hat Ihnen gefallen. Das Leben eines Sterns Seite 46 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 6 Mein Fazit Im Nachhinein bin ich zufrieden mit meiner Facharbeit. Ich denke, dass ich die wissenschaftliche Arbeit für das richtige Fach verfasst habe, denn dank der Belegung meines Physik-LKs habe ich bereits ein gewisses Grundverständnis für die Astronomie entwickeln können und brachte bereits Vorwissen aus den Unterrichtsinhalten mit. Bei der Themenfindung unterstützte mein Fachlehrer mich mit diversen Themenvorschlägen, aus denen ich mir dann ein didaktisches Thema auswählte. Da mich das geschickte Vermitteln von Wissen sehr interessiert und ich nach dem ersten Besuch des Schülerplanetariums, das ich bis dahin noch nicht kannte, so beeindruckt war, interessierte mich die Themenstellung sehr. Erste praktische Erfahrungen konnte ich bereits nach wenigen Wochen sammeln, indem ich eigene Vorträge für Grundschüler und französische Gastschüler halten durfte, bei denen ich vor allem technische Möglichkeiten unseres Planetariums demonstrieren konnte. Bereits in diesem frühen Stadium erfuhr ich, dass eine gute Vorbereitung von größter Bedeutung ist, außerdem lernte ich den Umgang mit der Steuerung der Projektoren kennen. Da auch ein Teil meiner Arbeit darin bestand, das über Jahre erbaute Planetarium nun in Betrieb zu nehmen und dies zu erweitern, erarbeitete ich ein Konzept mit meinem Vater um die technischen Probleme bei der Installation des neuen Hochkontrast-Videoprojektors zu bewältigen. Auch der Einstieg in die thematische Arbeit wurde mir dank der Bereitstellung von einem neuen Fachbuch und einer DVD enorm erleichtert. Zusätzlich beschaffte ich mir weitere Bücher aus unserer Schulbibliothek und erstellte so die wissenschaftliche Publikation, die Grundlage meines Planetariumsvortrags. Erfreulich ist, dass ich auch bei dieser Teilarbeit auf keine weiteren Probleme stieß. Zum Ende transferierte ich meine theoretische Arbeit in einen praktischen Planetariumsvortrag. Abschließend lässt sich sagen, dass ich mit der Umsetzung der Facharbeit sehr zufrieden bin, denn ich konnte jedes der aufgetretenen Probleme lösen und schlussendlich das Arbeitspensum erfüllen. Da dies aber nur dank der engen Zusammenarbeit mit meinem Fachlehrer möglich war, der mich von Anfang an betreut und unterstütz hat, möchte ich Ihm meinen Dank aussprechen. Ich kann aus gutem Grund jedem raten, die verpflichtende wissenschaftliche Arbeit im Themenbereich der astronomischen Physik zu absolvieren, da sie ein enormes Feld an interessanten Forschungsmöglichkeiten bietet und so die Verpflichtung einer Facharbeit auch sogar zum Hobby werden kann. Das Leben eines Sterns Seite 47 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 7 Quellennachweise 7.1 Literarische Quellen Buch: Autor: Verlag: Astronomie - Die kosmische Perspektive, J. Bennet, M. Donahue, N. Schneider, M. Voit Pearson Studium 2010 Buch: Autor: Verlag: Wissenswertes Sport und Technik - Astronomie G. Ranzini Kaiser Verlag Buch: Autor: Verlag: Sterne – Die physikalische Welt der kosmischen Sonnen J. B. Kaler Spektrum akademischer Verlag Buch: Autor: Verlag: Astronomie – Handbuch für Studenten H. R. Henkel Harri Deutsch Verlag 7.2 Internet-Quellen http://wikepedia.de/ http://nasa.gov/ http://hubblesite.org/ http://www.masteringastronomy.com/ http://www.lehrer-online.de 7.3 Bild-Quellen Alle Quellenverweise der benutzen Bilder und grafische Darstellungen sind an den Darstellungen aufgeführt. Das Leben eines Sterns Seite 48 von 49 Carl-Fuhlrott-Gymnasium Christoph Hastenrath Wuppertal 8 Inhaltsverzeichnis der CD - Planetariumsshow zum Thema Das Leben eines Sterns.pdf - Planetariumsshow zum Thema Das Leben eines Sterns.doc - Fachartikel Das Leben eines Sterns.pdf - Fachartikel Das Leben eines Sterns.doc - Fahrplan für Diashow Das Leben eines Sterns.pdf - Fahrplan für Diashow Das Leben eines Sterns.doc - Bilderverzeichnis mit allen Bildern der Facharbeit - Interaktive Bilder von Pearsons - Installationsverzeichnis für Viewer 9 Abschlusserklärung Hiermit versichere ich, dass ich diese Arbeit selbstständig angefertigt, keine anderen als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und die Stellen der Facharbeit, die im Wortlaut oder dem Inhalt nach aus anderen Werken entnommen wurden, in jedem einzelnen Fall mit genauer Quellenangabe kenntlich gemacht habe. Verwendete Informationen aus dem Internet sind der Arbeit als Ausdruck im Anhang beigefügt. Ich bin damit einverstanden, dass die von mir verfasste Facharbeit der schulinternen Öffentlichkeit in der Bibliothek der Schule zugänglich gemacht wird. Wuppertal, den 04.06.2010 Das Leben eines Sterns _____________________________ Seite 49 von 49
