Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie Kapitelübersicht I. Geozentrisches Weltbild II. Kopernikus: Heliozentrisches Weltbild III. Brahe: Mauerquadranten und Kompromiss im Weltbild IV. Kepler: Seine Gesetze und die Himmelsphysik V. Galilei: Das Wunderrohr ( Fernrohr ) VI. Galilei: Entdeckung der Jupitermonde und der Mondlandschaft VII. Galilei: Wieso wird Galilei der Ketzerei beschuldigt? VIII. Wie geht es nach Galilei weiter? I. Geozentrisches Weltbild: Autor: Florian Schantz, MSS 12, Leistungskurs Physik 2 Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie Dieses Weltbild, dass bereits von den alten Griechen ( Aristoteles[erkannte, dass die Erde eine Kugel ist], ca.350 vor Christus ) und später von den Ägyptern ( Ptolemäus, ca. 150 nach Christus ) entwickelt wurde, stützte sich auf die reinen Beobachtungen der damaligen Wissenschaftler. Somit ist zu erklären, wieso das geozentrische / ptolemäische Weltbild nur acht, der eigentlich elf Planeten ( mit Sonne und Mond ) enthält. Durch ihre Beobachtungen der Planeten und durch die Deutung der Schwerkraft ( alles Natürliche wird vom Mittelpunkt des Universums angezogen ) waren sich die Forscher sicher, dass die Erde im Mittelpunkt der Welt steht. Alle weiteren Planeten, Sonne und Mond umkreisen die Erde in ihren konzentrisch angeordneten Sphären in folgender Reihenfolge: Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter, Saturn. Die äußerste Sphäre bilden die Fixsterne. Dieses durch Beobachtung erhaltene Weltbild wurde von der Kirche weitgehend verteidigt: Nach Interpretationen der Bibel und der Vorstellung von der Einzigartigkeit der Erde und ihrer Sonderstellung gegenüber den anderen Planeten, wäre gar keine andere Möglichkeit denkbar gewesen, als dass die Erde im Mittelpunkt des Universums stehe. Dieses Weltbild wird mit Ausnahme einiger Wenigen über 1500 Jahre hinweg akzeptiert, doch dann beginnt die Zeit der ``Astro-Revoluzzer`` II.Nikolaus Kopernikus: Heliozentrisches Weltbild Das heliozentrische Weltbild wurde erfunden, da man mit dem Geozentrischen nicht alle Phänomene erklären konnte: Beispielsweise: wieso laufen die Planeten manchmal rückwärts? oder wieso erkennt man Merkur und Venus bei Nacht nicht? Um diese Fragen klären zu können, muss man vom geozentrischen Weltbild abweichen und sich einen neueren Weltbild zuwenden. Dieses entwickelt Nikolaus Kopernikus ab 1509, der sich bei seinen rein mathematischen Erklärungsversuchen auf die Überlegungen des Aristarchos von Samos ( 265 v. Chr. ) bezog. Bei diesem heliozentrischen / kopernischen Weltbild steht die Sonne im Mittelpunkt des Systems und die Erde kreist, wie die anderen Planeten um diesen Mittelpunkt. Mit dieser Theorie konnte Kopernikus die Schleifen der Planeten und das Rückwärtslaufen einiger Planeten ( Erde „läuft“ vorbei ) von einem bewegten System ( der Erde ) erklären. Dabei geht Kopernikus jedoch auch von konzentrisch angeordneten Sphären aus, wobei der Mond nur um die Erde kreist. Die Sonne tauscht im Vergleich zum geozentrischen Weltbild den Platz mit der Erde, aber sonst ( mit Ausnahme des Mondes ) bleibt das System gleich. III. Tycho Brahe: Mauerquadranten und Kompromiss im Weltbild Da sich das heliozentrische Weltbild anfangs nicht durchsetzen konnte, musste man genauere Messungen über die Konstellation der Planten machen. Dazu diente dieses 1567 von ihm erbaute Gerät, mit dem er die Position der Planeten und Sterne mit Hilfe einer Winkelskala beobachten und verfolgen konnte. So entdeckte er nach rund 20 Jahren Beobachtung und genaustem Studieren einen neuen Stern ( Dieser „tychonische“ Stern was eine Supernova in der Milchstraße ). Gleichzeitig war Brahe aber auch nicht mit dem heliozentrischen Weltbild einverstanden und entwickelte auf Grund seiner Beobachtungen sein eigenes Weltbild, welches einen Kompromiss zwischen dem heliozentrischen und dem geozentrischen darstellte: Die Erde war seiner Vorstellung nach nicht mehr das Zentrum der Welt, sondern nur die Sonne und der Mond kreisten um die Erde. Die anderen Planeten kreisen wie im heliozentrischen Weltbild um die Sonne. Autor: Florian Schantz, MSS 12, Leistungskurs Physik 3 Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie IV. Kepler: Seine Gesetze und die Himmelsphysik Doch dieses von Brahe entwickelte Weltbild wurde schon bald von dem begnadeten Theoretiker Johannes Kepler weiterentwickelt. Dieser Johannes Kepler, der bis zu Tod Brahes mit ihm zusammenforschte, machte sich die genauen Beobachtungen seines Meisters zu nutze und erforschte die nun drei bekannten Weltansichten auf ihre Richtigkeit. Dabei ist aber auch zu erwähnen, dass nicht nur Kepler auf die Beobachtungen Brahes angewiesen ist, sondern dass auch Brahe einen „klugen Denker“ benötigte, um seine Beobachtungen erklären zu können. Kepler erkannte, dass das Kraftzentrum Sonne für den Planetenumlauf verantwortlich sei; somit ist auch zu erklären, wieso sich Planeten die weiter von der Sonne entfernt sind langsamer bewegen als jene die nahe bei der Sonne liegen. Grund dafür ist, wie der englische Physiker Isaac Newton 1666 erkannte, die Gravitationskraft, die die Planeten in ihrer Bahn hält. Um die Planetenbahnen genauer charakterisieren zu können, betrachtete Kepler die Erdbahn. Dazu setzte er zunächst wieder eine Kreisbahn fest, verschob die Sonne aber ein Stück auf die Seite des Mittelpunktes. Er maß für die anfangs jeweils ein grad breiten Abschnitte, später für unendlich viele den Abstand von Sonne zur Erde. Die Summe der Abstände ersetzte er durch die Fläche innerhalb des Halbkreises, welche dann gleichzeitig ein Maß für die Zeit war, die die erde zum Durchlaufen des halben Kreises braucht. Diese gilt aber auch gleichzeitig für jeden beliebigen Abschnitt des Kreises. Somit folgerte Kepler das die Flächen zwischen zwei Verbindungslinien Erde-Sonne in gleichen Zeiten gleiche Flächen überziehen. Dieses Gesetz nennt man heute das zweite Keplersche Gesetz, welches 1602 entdeckt wurde. Nun hatte Kepler ein Mittel, um auch die genaue Erdbahn herauszufinden. Dabei ging er nach dem Ausschlussverfahren vor; d.h. er verglich verschiedene Planetenbahnen, z.B. Eiform, seitliche Einbuchtungen, mit den Beobachtungen von Tycho Brahe! Die Form auf die die Beobachtungen Brahes passten war die Ellipse; d.h. die Erdbahn ist eine Ellipse. Diese Ellipsenbahn verglich Kepler dann mit der Marsbahn und kam zu dem Ergebnis, dass auch die Marsbahn ellipsenförmig ist. Mit der Bestimmung der Marsbahn hatte Kepler den Auftrag seines Meisters Brahe erfüllt. Die Ellipsenbahn geht nun 1605 als erstes Keplersches Gesetz in die Geschichte ein. Seine beiden ersten Gesetze veröffentlichte Kepler in einem Buch „Astronomia Nova“ im Jahre 1609, somit war bewiesen, dass die Planeten himmlischen Gesetzen unterworfen waren und man diese Gesetze auch bestimmen konnte. Die Physik des Himmels war geschaffen. V. Glilei: Das Wunderrohr ( Fernrohr ) Im Jahr 1808 wurde auf der Herbstmesse in Frakfurt ein Rohr vorgestellt, mit dem man Dinge die weiter entfernt waren betrachten konnte als ob man davor stände. Der Holländer Hans Lipperhey war der Schöpfer dieses Wunderinstruments. Als Galilei von diesem Wunderrohr hörte machte er sich gleich daran ein Exemplar nachzubauen. Mit seinen handwerklichen Fähigkeiten konstruierten Galilei in seiner Werkstatt ein solches Rohr mit anfangs dreifacher, dann achtfacher und schließlich 1609 dreißigfacher Vergrößerung. Sein Rohr bestand aus einer Zerstreuungslinse direkt vor dem Auge und einer Sammellinse auf der anderen Seite des Rohres. Autor: Florian Schantz, MSS 12, Leistungskurs Physik 4 Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie Somit war es ihm möglich die Bilder wahrheitsgetreu, d.h. seitengleich und nicht auf dem Kopf stehend darzustellen. Mit diesem neuen Messinstrument war alles vorher Erfundene in den Schatten gestellt. Man hatte nun ein genaueres Messinstrument und konnte die vorher aufgestellten Theorien durch eine genauere Beobachtung entweder bestätigen oder widerlegen. VI. Galilei: Entdeckung der Jupitermonde und der Mondlandschaft Ende November 1609 in der späten Abenddämmerung betrachtete Galilei den Mond durch sein neues Wunderrohr und was er dort sah hatte sogleich eine ungeheure Bedeutung. Wie durch sein Rohr zu sehen war gab es auf dem Mond Helligkeitsunterschiede. Diese waren unter anderem damit zu erklären; dass der Mond wie die Erde auch über Berge und Täler verfügt. Dies aber bedeutete gleichzeitig, dass die Erde kein einzigartiger Planet ist, sondern dass es noch andere ähnliche Planeten wie die Erde gibt. Nachdem Galilei mit deinen Mondbeobachtungen fertig war widmete er sich den Fixsternen. Er erkannte das die schimmernden Flecken, von denen man dachte, dass es sich um Fixsterne handelt, eine Ansammlung von Sternen ähnlich unserer Milchstraße sind. Damit war bewiesen, dass die Milchstraße, also auch unser Sonnensystem nicht einzigartig ist. Am 7ten Januar 1610 erlebte Galilei einen weiteren Höhepunkt seiner Forschungen. Er entdeckte vier unbekannte Lichtquellen rund um den Jupiter. Doch wobei handelte es sich bei diesen Lichtquellen. Um diesem Phänomen auf den Grund zu gehen beobachtete Galilei diese vier Lichtquellen ganz genau. Waren es Monde oder doch eigenständige Planeten? Feststellen konnte er lediglich, dass diese Lichtquellen sich um den Jupiter bewegen. Also konnte die Erde nicht das Zentrum des Universums sein, denn wie der Jupiter zeigt drehen sich die Monde eindeutig um ihn als um die Erde. Galilei entdeckte praktisch das Weltsystem in Miniatur, denn wenn man anstatt des Jupiters die Sonne in die Mitte dieser Sterne oder Planten setzt, so erhält man das Weltsystem wie es heute gültig ist, jedoch mit weniger Planeten. Mit anderen Worten war damit bewiesen, dass das seit 2000 Jahren bestehende Weltbild von Ptolemäus falsch war. Als Galilei die Phasen der Venus beobachtete stellte er fest, dass die Venus ähnlich wie der Mond Phasen zeigt. Nach dem System von Kopernikus schwankt der Abstand zwischen Erde und Venus sehr stark, d.h. die sichtbare Größe verändert sich sehr stark. Da man die Venus aber nur als leuchtenden Punkt sieht muss ihre Helligkeit variieren. Dies tut sie auch, aber nicht sehr stark. Das hängt Autor: Florian Schantz, MSS 12, Leistungskurs Physik 5 Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie damit zusammen, dass die Helligkeit der Venus gerade dann am größten ist wenn sie als Sichel zu sehen ist. Mit diesem Beweis untermauerte Galilei das heliozentrische Weltbild von Kopernikus. Seine Erkenntnisse veröffentlichte Galilei im April 1610 in seinem berühmten Werk „Sidereus Nuncius“, „Sternenbotschaft“ Wie man sieht ist das Jahr 1609 nicht um sonst als das Jahr der „Astro-Revoluzzer“ bekannt. Durch Kopernikus, Brahe, Kepler und Galilei veränderte sich das seit 2000 Jahren bestehende Weltbild entscheidend. Und das nicht nur wegen einigen Vermutungen, sondern durch genauste Berechnungen und Beobachtungen, z.B. der Mauerquadranten oder das Fernrohr. Gleichzeitig wurde auch die Himmelsphysik entwickelt und das heliozentrische Weltbild bis fast aufs kleinste Detail bewiesen. VII. Wieso wird Galilei der Ketzerei beschuldigt? Galilei versucht nun seit 1610 die kirchliche Oberbehörde von seinen Beobachtungen und Beweisen zu überzeugen. Die Kirche hält aber an ihrer Einschätzung über das ptolemäische Weltbild fest, denn anders sei die göttliche Stellung der Erde im Universum nicht zu erklären. Gott hat in sieben Tagen die Welt erschaffen, man hat nur zwei Augen, zwei Nasenlöcher, zwei Ohren und einen Mund. Nicht um sonst hat man sieben Planeten ( Sonne, Mond, Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn ). Alles ist eine göttliche Bestimmung und bestätigt so die Ausnahmestellung der Erde im Vergleich zu den anderen Planeten. Die Erde ist das Kraftzentrum, um das sich das ganze Geschehen des Universums dreht. Galilei versucht daraufhin durch neue Experimente und durch Veröffentlichung seiner Gedanken unter anderem in seinem Buch „Il Saggiatore“ Annerkennung für seine Forschung zu finden. Da sein Buch jedoch bei der Kirche keine Beachtung findet veröffentlicht der fast 70jährige Galilei 1632 sein Buch „Dialogo di Galileo Galilei sopra i due Massimi Sistemi del Mondo Tolemaico e Copernicano“ (Dialog über die zwei wichtigsten Weltsysteme, das Ptolemäische und das Kopernikanische). In diesem Buch lässt Galilei einen Vertreter des ptolemäischen Weltbilds und einen Vertreter des heliozentrischen Weltbilds miteinander diskutiere, wobei der Vertreter des heliozentrischen Weltbilds letztendlich die besseren Argumente findet. Dieses Werk ist schließlich das Verhängnis Galileis! Den nach genauer Prüfung durch die Offiziellen des Vatikans konnte die Diskussion nicht mehr als rein hypothetisch gelten und wurde daraufhin verboten. Im April 1633 wird Galilei der Inquisition und dem seit 1618 im Amt sitzenden Papst Urban dem 8ten übergeben. Am 22 Juni wird Galilei unter Androhung der Folter zum Widerruf seiner Theorie gezwungen und verlässt nachdem er sich der Inquisition unterstellt hatte den Gerichtssaal mit den Worten „Eppur si muove“ („Und sie [die Erde] bewegt sich doch"). Galilei wird zu lebenslangem Hausarrest verurteilt mit lebenslangem Lehrverbot. Autor: Florian Schantz, MSS 12, Leistungskurs Physik 6 Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie VIII. Wie geht es nach Galilei weiter? Mit dem Verbot seiner Lehren und seiner Forschungen war das neue heliozentrische Weltbild jedoch nicht aus der Welt geschafft. Immer mehr Wissenschaftler und Forscher erfanden neue und bessere Teleskope, um das neue Weltbild zu erklären. Dabei machten sie zum Teil auch neue Entdeckungen, wie z.B. durch Christian Wiggins 1655, der den größten der Saturnmonde ( Titan ) entdeckte. Nach weitern Jahren der Beobachtung entdeckte er das Ringsystem des Saturns, welches Galilei nie verstanden hatte und dunkle Polkappen des Mars. Diese neuen Teleskope waren auch anders aufgebaut. Anstatt eines Linsenteleskops verwendete man nun Spiegelteleskope, das 1668 von Isaac Newton verbessert wurde. Im späten 18ten Jahrhundert wurde die größten Teleskope von William Herschel einem Musiker und Astronomen erbaut, der mit seiner Schwester gemeinsam Teleskope goss. In seinem Leben baute Herschel über 400 Teleskope zum Teil über 20 Meter groß. Herschel katalogisierte seine Beobachtungen und ließ dabei fast keinen Stern aus. Er erkannte, dass unsere Milchstraße ein abgeflachtes System ist und entdeckte am 13ten März 1781 einen neuen Planeten Uranus. In Irland wurde das größte Teleskop des 19ten Jahrhunderts erbaut, es ging mit dem Namen „Leviatan von Parsenstown“ in die Geschichte ein. Mit einem Metallspiegel von 180cm Durchmesser hatte sein Erfinder William Parsens ein wahres Meisterwerk geschaffen. Mit ihm konnte man unter anderem den Orionnebel betrachten, der als Geburtsstätte der Sterne bekannt wurde. Das Größte Linsenteleskop ist der Yerkes Refraktor mit 1 Meter Linsendurchmesser und ungefähr 20 Metern Länge Um auch schwächere Sterne sehnen zu können braucht man immer größere Spiegel oder Linsen, da man aber linsen nicht unendlich groß machen kann sind die meisten neuzeitlichen Teleskope mit einem Spiegel versehen, da man diesen großen Spiegel auch durch viel kleinen nebeneinander angebrachte Spiegel darstellen kann. Das anfangs beste Teleskop des 19ten Jahrhunderts ( Hooker Teleskop ) sollte über 30 Jahre lang erstaunliche Entdeckungen bereitstellen. Z.B. wurde nicht mehr nur beobachtet, sondern auf Photopapier aufgenommen. Außerdem stellte man fest, dass sich das Universum ständig ausdehnt, wobei nahe Galaxien sich langsamer fortbewegen als jene welche weiter entfernt sind. Mit Hilfe dieser Teleskope war zum Beispiel die Entdeckung der Orion-Nebels möglich. Man konnte die Planetenrotation genauer beschreiben und entdeckte sogar schwarze Linien in der Sonne. Durch einige Messtechniken konnte man letztendlich die genauen Bestandteile der Sonne bestimmen ( Wasser; Helium; Sauerstoff; Kohlenstoff; Stickstoff; Neon; Eisen; Silizium; Magnesium; Schwefel und andere ). Um 1800 entdeckte Wilhelm Herschel die Infrarotstrahlung. Joseph von Fraunhofer erkannte 1813 die fraunhoferschen Linien im Spektrum der Sonne. Durch Forschungen von Kirchhoff und Bunsen war es 1859 möglich, die Absorptionslinien der Sonne zu erklären. Die Astrophysik entstand! Orion-Nebel Anfangs des 20ten Jahrhunderts legte Edwin Hubble, der in dem Observatorium auf dem Mount Wilson in Südkalifornien arbeitete, in Folge revolutionärer Veränderungen in der Physik und nach der Relativitätstheorie Einsteins, den Grundstein für ein neues Verständnis des Universums. Autor: Florian Schantz, MSS 12, Leistungskurs Physik 7 Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie Hubble erkannte, dass das Universum aus mehreren tausend Galaxien besteht ( und nicht wie bisher vermutet nur aus der Milchstraße ) und es sich immer weiter ausbreitet. Einstein war mit der Meinung Hubbles anfangs nicht einverstanden, erklärte jedoch nach einem Besuch bei Hubble seine Zweifel und Behauptungen; das Universum sei statisch; für den größten Fehler seines Lebens. Heute verfügt man über Teleskope die noch größer und noch genauer sind wie die damals, z.B. das 5 Meter Hale Teleskop auf dem Panema Mountain das 1948 fertig gestellt wurde. Mit ihm konnte man unübertroffene Bilder des Himmels aufnehmen. Zum Beispiel die alle Jupitermonde oder der Flammennebel, Sterne die 40millionen mal schwächer sind als das sie mit dem bloßen Agen gesehen werden konnte. Doch geht es noch besser? Ja, denn man hat sich weiterentwickelt. Man verwendet jetzt Computertechnik und dünnere Spiegel wie bei den Keck Zwillingsteleskopen auf Hawaii. Man setzt auf Kolben, die den Spiegel vor dem Bruch schützen. Die Spiegel sind jeweils 10 Meter im Durchmesser, bestehen jedoch aus 36 sechseckigen Einzelstücken. In Chile entsteht das „Very Large Telescop“. Es besteht aus vier kombinierten Teleskopen die jeweils 820cm Durchmesser haben. Das am 24.April 1990 in den Weltraum geschickte „Hubble Space Telescop ( HST )“ kann nicht nur sichtbares Licht einfangen sondern auch Ultraviolettes oder auch Infrarotstrahlung. Das Teleskop wurde von der NASA und der ESA zusammen entwickelt und kreist in 590 Kilometern Entfernung um die Erde. Das Teleskop dient dazu, die Entfernung einiger Galaxien zu bestimmen und durch längere Beobachtung die Konstante errechnen zu könne mit der sich die Galaxie ausdehnt. Dadurch das im Weltraum die Störwirkung der Atmosphäre fehlt, können schärfere Bilder gemacht werden und man kann dazu noch beeindruckende Phänomene beobachten! Zum Beispiel die Kollision zweier Galaxien oder neue Galaxien. Autor: Florian Schantz, MSS 12, Leistungskurs Physik 8 Facharbeit Physik: 400 Jahre Astronomie Am 14.Mai 2009 wurden zwei europäische Teleskope in den Weltraum geschickt. Herschel und Planck ( Name der Teleskope ) sollen neue Erkenntnisse liefern und die ungewöhnlichsten Ereignisse genauer unter die Lupe nehmen, mit 3,50 Metern ist der Hauptspiegel der Herschel der größte Spiegel der je in den Weltraum geschossen wurde. Das Planckteleskop ist noch nicht so lange in der Entwicklung und hat deswegen einen kleineren Spiegel als das Herschel Teleskop. Es soll die Stringtheorie überprüfen, eine Sammlung hypothetischer physikalischer Modelle, welche die Fundamentalkräfte der Physik einheitlich erklären. Man erkannte außerdem, das das Universum nicht nur aus hellen Sternen besteht sondern auch aus dunkler Energie und dunkler Materie! „Rund 95 % des Weltraums sieht man überhaupt nicht.“ (Schönherr / * ) Das mit dem Auge sichtbare Licht liefert nur einen kleinen Teil des Universums. Astronomen untersuchen mittlerweile das Universum nach allen möglich Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums! Mit Radioteleskopen lauschen sie dem Echo des Urknalls und beobachten im Licht kosmischer Röntgen- und Gammastrahlung explodierende Sterne und Schwarze Löscher. Besonders zu Betonen ist, dass die ganze Geschichte letztendlich mit Galilei und Kepler ihren Ursprung nahm. Ohne ihre genialen Einfälle wären für uns normale Sachen wie das heliozentrische Weltbild nicht vorstellbar und auch nicht verständlich. Man muss gleichzeitig aber auch sagen, dass es in den 400 Jahren, seitdem Galilei das Denken revolutioniert hat, einen enormen Fortschritt an Entwicklung und vor allem an Technik gegeben hat. Folglich sind Kepler und Galilei die „Astro-Revoluzzer“ und gehen auch als solche in die Geschichte ein. 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