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Themenkreis Thema Universum
Einleitung
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Bild 1: Definition von Universum in Wikipedia:
Bild 2: Kapitel des Vortrags
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Dieter Schwabe
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1 Was wir mit bloßem Auge vom Universum sehen können
Voraussetzung: Keine oder nur teilweise Bewölkung
Bild3: Objekte, die mit bloßem Auge zu sehen sind
1.1
Sonne
Bild 4: Sonnenuntergang und Größenvergleich Sonne - Erde
Linkes Bild: Sonne ist unser Zentralgestirn, scheinbar kleiner Feuerball
Rechtes Bild: In Wirklichkeit Durchmesser 109-mal größer als der der Erde
sogar Sonnenflecken sind größer als die Erde
Durch thermonukleare Vorgänge im Inneren sendet Sonne Strahlung aus: Licht, Wärmestrahlung, Strom geladener Teilchen = Sonnenwind,
Licht wird an Luftmolekülen gestreut – deshalb ist es hell, undurchsichtig
Streulicht ist kurzwellig = deshalb ist der Himmel blau
Einziger tagsüber zu sehende Himmelskörper ist der Mond
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1.2
Mond
Bild 5: Mond tagsüber und nachts
Linkes Bild: Mond tagsüber als blasses Schemen zu sehen
Rechts Bild: Vollmond nachts klar zu sehen
Mond ist einziger natürlicher Satellit der Erde, genauer Erdmond
Umkreist die Erde mit Umlaufzeit von 29,53 Tagen
einziger bisher von Menschen betretener, fremder Himmelskörper
Mond entstand vermutlich durch Kollision Erde mit marsgroßem Körper
keine Atmosphäre, nur Gestein und Staub, viele Krater
Durchmesser ca. ¼ des Erddurchmessers Gebundene Rotation – immer gleiche Seite der Erde
zugewandt
Mond strahlt kein Licht aus, sondern reflektiert Sonnenlicht
Deshalb sehen wir von der Erde aus die Mondphasen:
Bild 6: Mondphasen
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Sonnenlicht kommt von links
Mond nicht zu sehen, wenn er zwischen Sonne und Erde steht = Neumond
Bei der Weiterbewegung Mondsichel zu sehen, bei 90 Grad Halbmond,
Dreiviertelmond, wenn Mond von Sonne aus hinter der Erde steht = reflektiertes Licht voll zu
sehen = Vollmond
Animation Mondphasen
Bild 7: Videoclip Mondphasen Zeitraffer
Bild 8: Film Mond- und Sonnenfinsternis
Mond verantwortlich für Mond- und Sonnenfinsternis
1.3
Sternenhimmel
Bild 9: Sternenhimmel mit Sirius
Die von der Sonne abgewandte Seite der Erde liegt im Erdschatten und wird vom Sonnenlicht
nicht erreicht, d.h. es gibt keine Streustrahlung
auf dieser Erdseite ist es Nacht, man kann weit ins Universum sehen
Bei klarem Himmel abseits von künstlichem Licht bis 6000 Sterne zu sehen
Bild = Ausschnitt des Sternenhimmels mit dem Stern Sirius
Sterne sind strahlende Himmelskörper ähnlich der Sonne
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Wegen großer Entfernung nur als punktförmige Lichtquellen zu sehen
Sternenhimmel dreht sich in 24 h einmal um die Erde
Trugschluss: Erddrehung, Sterne bleiben an gleicher Stelle = Fixsterne
1.3.1 Fixsterne
Sirius = Doppelsternsystem im Sternbild „Großer Hund“.
Sirius A = hellster Stern am Nachthimmel, aber nur scheinbare Helligkeit
Viele Sterne sind größer und heller, aber weiter entfernt
Deshalb ist ihre scheinbare Helligkeit geringer
1.3.2 Milchstraße
Bild 10: Milchstraße
Milchig aussehende Band quer über den Sternenhimmel = Milchstraße =
unsere Galaxis, in der wir leben, Name aus altgriechisch von gala (Milch)
Galaxien sind Inseln größerer Dichte im umgebenden, leeren Universum
Die meisten Galaxien sind scheibenförmig angeordnet
Sonnensystem liegt nördlich der Mittelebene der galaktischen Scheibe
besteht aus 100-300 Milliarden von Sternen
umkreist Zentrum in Abstand von 25.000 Lichtjahren
Umlauf benötigt 230 Millionen Jahre
Geschwindigkeit etwa 220 km/s = 792.000 km/h
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1.3.3 Andere Galaxien
Bild 11: Andromedanebel
Andere Galaxien sind sehr weit entfernt, mit bloßem Auge nur wenige zu sehen, Beispiel:
Andromeda-Nebel im Sternbild Andromeda
Galaxien bilden etwas verschwommene Lichtquellen, deshalb nannte man sie früher Nebel. Der
Name hat sich bei der Andromeda Galaxie erhalten
1.3.4 Planeten
Bild 12: Planeten
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Es gibt Himmelskörper am Sternenhimmel, die sich anders bewegen wie der Fixsternhimmel, sie
heißen Wandelsterne oder Planeten (von altgr. Umherirren). Es sind die Planeten des Sonnensystems, die die
Sonne auf fast kreisförmigen Bahnen umlaufen. Auch die Erde gehört dazu.
Planeten strahlen nicht selbst, sondern reflektieren Sonnenlicht
Sie sind deshalb keine Sterne
Sonne hat 8 Planeten: 4 Gesteinsplaneten Merkur, Venus, Erde, Mars
4 Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun
Bild 13: Venus und Jupiter im Juni 2015
Vor Sonnenaufgang Morgenstern, nach Sonnenuntergang Abendstern, beides = der Planet Venus
= kein Stern
1.3.5 Kometen
Bild 14: Halleyscher Komet
Es gibt kleine Himmelskörper aus Gestein, Eis und Staub, die die Sonne auf stark elliptischen
Bahnen umkreisen. Wenn sie der Sonne nahe kommen, schmilzt Eis. Beim Ausgasen bilden sich
Koma und Schweif aus Eis- und Staubteilchen. Deshalb werden die Schweifsterne oder Kometen
(von altgr Haupthaar, Mähne = Haarstern) genannt.
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Von der Erde zu sehen, wenn sie die Erdbahn nahe der Erde kreuzen. Am bekanntesten ist der
Halleyscher Komet, der alle 76 Jahre der Sonne nahe kommt.
1.3.6 Meteoren, Meteoriden, Meteoriten
Bild 15: Meteor, Meteoriden und Meteoriten
Meteoriden = in Erdatmosphäre eindringende, kleine, feste Körper
Meteore = Meteoriden, die als Sternschnuppen in Atmosphäre verglühen
Meteoriten = Meteoriden, die auf der Erde einschlagen (Tunguska, Yukatan, Arizona).
1.3.7 Sternbilder
Menschen suchen nach Mustern, um sich zu orientieren und mitzuteilen.
Gruppen von Sternen werden als visuelle Einheit gesehen. Man sieht in den Sternkonstellationen
mythologische Figuren, Tiere oder Gegenstände.
Das bekannteste Sternbild ist der Große Wagen, der ganzjährig am nördlichen Himmel zu sehen
ist. Verlängert man die gedachte Verbindungslinie zwischen den beiden hinteren Sternen des
Großen Wagens um etwa das Fünffache, gelangt man fast direkt zum Polarstern.
Er ist der äußerste Deichselstern des Kleinen Wagen.
Verlängert man die Krümmung der Deichsel des Großen Wagens, kommt man zu einem anderen
hellen Stern, den Arkturus (Bärenhüter).
Gut sichtbar ist auch das Sternbild Cassiopeia, das wie ein großes W schräg am Himmel steht.
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Bild 16: Großer Wagen und Cassiopeia
Der Polarstern (Polaris) steht nahe dem Nordpol des nördlichen Sternenhimmels. Der nördliche
Teil der Erdachse weist auf ihn.
Der Polarstern heißt auch Nordstern. Da seine scheinbare Helligkeit relativ hoch ist und er nahe
dem Nordpol des Himmels steht, ist er ein wichtiges Mittel zur Feststellung der geografischen
Nordrichtung
Polaris ist ein Dreifachsternsystem. Der Hauptstern ist ein Überriese und strahlt 2000-mal so
hell wie die Sonne.
Bild 17: Zirkumpolarsterne
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Sterne und Sternbilder nahe dem Polarstern werden zirkumpolar genannt, da sie sich im Kreise
um den Polarstern bewegen.
Bei Blickrichtung nach Norden dreht sich scheinbar der Sternhimmel im Gegenuhrzeiger, siehe
Animation
Bild 18: Zirkumpolarsterne Drehung im Zeitraffer
Bild 19: Sternbilder Sommerdreieck und Orion im Winter
Sternbilder ändern ihre Lage scheinbar beim Umlauf der Erde um die Sonne und verschwinden
zu bestimmtem Jahreszeiten ganz oder teilweise unter dem Horizont
So liegt das Sommerdreieck im Sommer zentral über uns, während der Orion im Winter gut zu
sehen ist.
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2 Ergebnisse der astronomischen und kosmologischen Forschung
Bild 20: Wissenschaften vom Universum und seinen Objekten
Astronomie
untersucht Himmelskörper, Strahlung und interstellare Materie
mit naturwissenschaftlichen Mitteln
Kosmologie
untersucht Ursprung, Entwicklung und Struktur des Universums als Ganzes, Basis ist die Relativitätstheorie von Einstein.
Astrophysik
untersucht physikalische Grundlagen des Universums und der Himmelserscheinungen in der
Astronomie und der Kosmologie
Basis sind die Relativitätstheorie und die Kernphysik
Astrologie
behauptet astronomischen Ereignissen und Gestirns-Konstellationen haben Einfluss auf irdische
Verhältnisse, Vorgänge und Menschen, wissenschaftlich nicht bewiesen
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2.1 Geschichte des Universums
Bild 21: Geschichte des Universums
Das Universum als Ganzes ist Forschungsgebiet der Kosmologie. Über die Entwicklung und Entstehung des Universums gab es einige Theorien.
Nachdem der Astronom Hubble bewiesen hat, dass sich das Universum ausdehnt, ist man durch
Rückrechnung auf einen zeitlichen Anfang gekommen, in dem das Universum minimal klein war.
Davor, so nimmt man an, gab es eine Singularität, einem dimensionslosen Punkt unendlicher
Energiedichte, der sich mit der heutigen Physik und auch der Relativitätstheorie nicht beschreiben lässt.
Danach sind Materie, Raum und Zeit explosionsartig entstanden. Diesen Vorgang nennt man
Urknall und die Theorie dazu die Urknalltheorie.
Kurz nach dem Urknall gab es nur das Urplasma, das homogen und isotrop sein sollte, d.h. in
allen Richtungen gleichgroße Energiedichte. Damit lassen sich die großen Dichteunterschiede
zwischen Galaxien und leeren Raum im heutigen Universum nicht verstehen.
Die Theorie zur Lösung ist die Annahme, dass es schon im Urplasma minimale Dichteunterschiede gab und einen Sekundenbruchteil nach dem Urknall eine schlagartige, sehr kurzzeitige
Ausbreitung des Universums mit Überlichtgeschwindigkeit, die sogenannte kosmische Inflation.
Weitere Schritte der Geschichte des Universums siehe Folie.
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2.2 Galaxien
Bild 22: Entstehung von Galaxien
Anwachsen der Dichtefluktuation durch Gravitationskollaps. Unter dem Einfluss Dunkler Materie wachsen die Dichtefluktuationen, bis sie zu dunklen Halos kollabieren. Das Gas folgt der Verteilung der dunklen Materie, fällt in diese Halos, verdichtet sich und es kommt zur Bildung der
Sterne. Durch Rotation und Fliehkraft wird das Halo zur Scheibe.
Bild 23: Milchstraße – unsere Galaxis
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Bild 24: Andromeda-Nebel
2.3 Sterne
2.3.1 Entstehung der Sterne
Bild 25: Entstehung der Sterne
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2.3.2 Entwicklung und Ende von Sternen mit durchschnittlicher Masse
Bild 26: Entwicklung von massearmen Sternen
Bild 27: Die Sonne
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Ist der Weiße Zwerg Teil eines Doppelsternsystems, so entreißt er dem Begleiter Materie. Temperatur und Druck steigen, bis der Weiße Zwerg explodiert und seine Hülle abstößt. Dieser Vorgang heißt Supernova Typ Ia .
Bild 28: Supernova Typ Ia Vorlauf
2.3.3 Entwicklung von massereichen Sternen
Bild 29: Entwicklung von massereichen Sternen
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Bild 30: Film Supernova
Bild 31: Supernovarest Krebsnebel
2.4 Planeten
Bild 32: Die Planeten des Sonnensystems
Im Sonnensystem gibt es 8 Planeten
4 Gesteinsplaneten: Merkur, Venus, Erde, Mars
4 Gasplaneten: Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun
Pluto wurde zum Zwergplanet degradiert
Zwischen Mars und Jupiter liegt der Asteroidengürtel
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Bild 33: Merkur und Venus
Bild 34: Erde und Mars
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Bild 35: Jupiter und Saturn
Bild 36: Uranus und Neptun
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Bild 37: Weitere Objekte im Sonnensystem
Bild 38: Exoplaneten
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Bild 39: Film Transitmethode
Bild 40: Film Geschichte des Universums
3. Entfernungen im Universum und ihre Messung
3.1 Astronomische Einheit (AE)
Bild 41: Astronomische Einheit
Erklärung trigonometrische Parallaxe siehe Sternparallaxe
Ein Venustransit, auch Venusdurchgang oder Venuspassage, ist ein Vorbeiziehen des Planeten
Venus vor der Sonne.
Damit konnte die Entfernung Erde – Venus bestimmt werden.
Nach dem 3. Keplerischen Gesetz verhalten sich die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten
wie die Kuben ihrer Bahnhalbachsen.
Daraus konnte die Entfernung Erde – Sonne bestimmt werden.
Sie ist knapp 150 Millionen km = 1 AE
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3.2 Parsec (pc)
Bild 42: Parsec
Linkes Bild:
Position des Sterns von einem Punkt auf der Erde messen.
Ein halbes Jahr später ist der Messpunkt 1 Erdbahndurchmesser entfernt
Position des Sterns nochmals messen.
Scheinbare Änderung durch Parallaxe als Winkel in Bogensek feststellen
Der halbe Winkel ist der Parallaxenwinkel
Im rechtwinkligen Dreieck, gebildet durch einen Messpunkt auf der Erde, der Sonne und dem
Stern, ist die Länge der Grundlinie bekannt = 1 AE, der Parallaxenwinkel ist bekannt. Daraus
lässt sich die Höhe im rechtwinkligen Dreieck berechnen = Abstand Sonne - Stern
Rechtes Bild:
Statt ist ersetzt durch gedachter naher Stern.
Der Parallaxenwinkel ist 1 arcsec (Bogensekunde)
Der Abstand Sonne – gedachter Stern ist 1 Parsec
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3.3 Lichtjahr (Lj)
Bild 43: Lichtjahr
3.4 Kosmische Rotverschiebung
Für weit entfernte Objekte im Universum wie Galaxien sind die parsec-Methode und andere hier
nicht beschriebene Methoden nicht anwendbar.
Hier hilft nur die Messung der kosmischen Rotverschiebung.
Als Rotverschiebung elektromagnetischer Wellen wird die Verlängerung der gemessenen Wellenlänge gegenüber der ursprünglich emittierten Strahlung bezeichnet. Sie tritt auf,
wenn sich die Quelle vom Beobachter entfernt. Dies gilt auch für Licht.
Hubble hat nachgewiesen, dass sich das Universum ausdehnt. Wenn ein weit entferntes Objekt
im Universum wie eine Galaxie sich von uns entfernt, ist ihr Spektrum in den roten Bereich verschoben. Daraus kann man das Alter in Lichtjahren berechnen, das der Entfernung entspricht,
z.B. Alter des Universums.
Messung der Rotverschiebung anhand der Spektrallinien:
Beim Durchgang des Lichts durch Gaswolken werden bestimmte Frequenzen absorbiert und es
entstehen Lücken im Spektrum, die als schwarze Striche zu sehen sind und Spektrallinien heißen, z.B. vom Wasserstoff
In Universum existiert kein eindeutiges Entfernungsmaß mehr
Lichtausbreitung ist beeinflusst durch raumzeitliche Geometrie und Dynamik. Verschiedene
Definitionen für Entfernung:
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Laufzeitentfernung = Lichtlaufzeit zwischen zwei Ereignissen mit verschiedenen Rotverschiebungen. Distanz zum Objekt, wie Beobachter es sieht im
Zustand der Vergangenheit.
Mitbewegte Entfernung = Distanz, die Beobachter und Objekt zum gleichen Zeitpunkt haben. In
diesem Zustand kann der Beobachter das Objekt allerdings nicht sehen, da das Licht gerade erst
vom Objekt zu ihm ausgesandt wurde. Entfernungsskala, die sich mit dem Universum ausdehnt.
4 Unverstandenes im Universum
Bild 44: Unverstandenes im Universum
Bild 45: Paralleluniversen
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