Wir sollen erarbeiten, wie man die Entfernung zu einer Galaxie bestimmen kann.

Transkript

1 Expertengruppenarbeit Helligkeit Das ist unsere Aufgabe: Wir sollen erarbeiten, wie man die Entfernung zu einer Galaxie bestimmen kann. Konkret ist Folgendes zu tun: Lesen Sie die Informationstexte und bearbeiten gemeinsam die Aufgaben. Diskutieren Sie (leise) in der Expertengruppe, wenn Sie etwas nicht verstanden haben. Zu jeder Aufgabe gibt es in dem Umschlag auf dem Lehrertisch eine Lösung. Sie können die Lösung benutzen, wenn Sie nicht weiter wissen oder prüfen wollen, ob Ihre Lösung richtig ist. Wenn Sie alle Aufgaben bearbeitet haben, sollen Sie gemeinsam in der Expertengruppe planen, wie Sie das Thema nachher Ihrer Unterrichtsgruppe erklären. Dazu gibt es weiter hinten noch Hilfen. Planen Sie etwa folgende Zeit ein: 30 Minuten Erarbeitung des Themas 15 Minuten Vorbereitung der Erklärung Anmerkung: Es ist aufgrund der besseren Lesbarkeit der Texte auf die weibliche Form (z.b. die Expertin) verzichtet worden. Die Schülerinnen sollen sich daher auch bei der männlichen Form angesprochen fühlen.

2 Entfernungsbestimmung anhand der Helligkeit eines Sterns Falls Sie bei einer Aufgabe nicht weiter wissen, finden in den gelben Umschlägen Hilfen Wenn man nachts an den Himmel blickt, stellt man fest, dass nicht alle Sterne gleich hell leuchten. Kann man von der Helligkeit auf die Entfernung schließen? Dieser Zusammenhang soll nun genauer untersucht werden. Betrachten Sie hierfür zunächst den Versuchsaufbau. In den Kanälen der Holzkiste sind Lämpchen angebracht, die unsere Modellsterne darstellen. Damit man auf den Abstand der Lämpchen nur auf Grundlage ihrer empfundenen Helligkeit schließt, sind am Ende der Kanäle Transparentschirme angebracht. Der Blick auf die runden Transparentschirme soll dem Blick in den Sternenhimmel entsprechen. 1. Betrachten Sie die Transparentschirme im Versuchsaufbau und malen Sie die runden Flächen in der unteren Zeichnung entsprechend der empfundenen Helligkeit aus. Die Sterne wurden schon vor langer Zeit ihrer Helligkeit entsprechend in die sogenannte Größenklasse eingeteilt. Zu Beginn der Sternbeobachtungen in der Antike gab es 6 Größenklassen. Die Sterne, die am hellsten erschienen, wurden in die 1. Größenklasse und die Sterne, die man gerade noch so erkennen konnte, in die 6. Größenklasse eingeteilt. Damals diente als Beobachtungsinstrument lediglich das menschliche Auge. Auf Grund der fortschreitenden Entwicklung der Technik ist es heutzutage möglich, Sterne zu beobachten, die man mit dem menschlichen Auge nicht erkennen kann. Außerdem können die Helligkeiten viel genauer ermittelt werden, sodass eine genauere Einteilung erfolgen kann. Die Skala der Größenklasse ist daher erweitert und in feinere Abstufungen eingeteilt worden. Die Einheit Größenklasse ist bis heute erhalten geblieben. Man hat eine Möglichkeit gefunden, die heute gemessenen Intensitäten der Helligkeiten in die antike Einheit Größenklasse umzurechnen. Die Helligkeit, mit der man als Beobachter auf der Erde die Sterne sieht, wird scheinbare Helligkeit genannt. Ihre Formelbezeichnung ist ein m. Sie ist ein Maß dafür, wie viel Lichtenergie von einem betrachteten Objekt am Messgerät ankommt. 2. Geben Sie an, welcher der Sterne im Versuchsaufbau die kleinste scheinbare Helligkeit hat.

3 Kommen wir nach diesem Exkurs nun auf die Anfangsfrage zurück. Wie kann nun anhand der Helligkeit eines Sterns auf dessen Entfernung geschlossen werden? Betrachten Sie hierzu erneut den Versuchsaufbau. 3. Ist es möglich, die Entfernung zu den jeweiligen Lampen anhand der Helligkeit anzugeben? Wenn ja, so tragen Sie die geschätzte Entfernung der Lämpchen in die untere Zeichnung ein und begründen Ihre Einteilung. Wenn nein, geben Sie an, weshalb Ihnen dies nicht möglich erscheint. 4. Öffnen Sie nun die Holzkiste und überzeugen Sie sich so vom tatsächlichen Abstand der Lämpchen. Tragen sie die tatsächlichen Entfernung der Lämpchen in die untere Zeichnung ein. Vergleichen Sie ggf. die Einträge in den beiden Zeichnungen. Genauso wie bei den Lämpchen reicht auch bei Sternen die empfundene Helligkeit (scheinbare Helligkeit) allein noch nicht aus, um die Entfernung bestimmen zu können. Auch bei den Sternen muss man ebenfalls noch wissen, wie groß die tatsächliche Leuchtkraft des Sterns ist. Die absolute Helligkeit eines Sterns ist ein Maß für die tatsächliche Leuchtkraft eines Sternes. Ihre Formelbezeichnung ist ein M.

4 5. Formulieren Sie anhand Ihrer Erkenntnisse aus dem Versuch drei Merksätze: (1) Wenn zwei Sterne die gleiche Entfernung zur Erde haben, dann hat derjenige Stern die größere scheinbare Helligkeit, der (2) Wenn zwei Sterne die gleiche Entfernung zur Erde haben, dann hat derjenige Stern die kleinere absolute Helligkeit, der (3) Wenn zwei Sterne die gleiche absolute Helligkeit besitzen, dann hat derjenige Stern die kleinere scheinbare Helligkeit, der entfernt ist. Anhand dieser Merksätze wird plausibel, dass immer zwei Größen bekannt sein müssen, damit man die dritte bestimmen kann. Sind also beispielsweise die scheinbare und die absolute Helligkeit eines Sterns bekannt, so kann man die Entfernung zum Stern berechnen. Wie kann man diese Informationen nutzen um damit Entfernungen zu bestimmen? Der Schlüssel liegt in der gleichen absoluten Helligkeit zweier Sterne 1. Wie die Entfernungsbestimmung mittels der Helligkeit möglich ist, wird im Folgenden am Beispiel der Entfernungsbestimmung zur Galaxie Kleine Magellansche Wolke erarbeitet. Ein Stern der Galaxie Kleine Magellansche Wolke ist der Stern HV 214. Wie kann man nun mit Hilfe des Sterns HV 214, die Entfernung zur Galaxie Kleine Magellansche Wolke bestimmen? (Hinweis: Wenn man sowohl die scheinbare als auch die absolute Helligkeit eines Sterns kennt, so kann man mit Hilfe der Formel d = 3,09 10 (m M + 5) / 5 die Entfernung d zum Stern berechnen.) 1 Das Verfahren, mit dem bestimmt werden kann, ob zwei Sterne dieselbe absolute Helligkeit haben, ist sehr kompliziert und umfangreich und würde daher den Rahmen dieser Station übersteigen. Kurz sei dazu nur so viel gesagt: Es gibt Sterne, die ihre Helligkeit verändern. Diese Sterne werden also heller und dunkler, sie scheinen bei genauer Betrachtung zu blinken. Man weiß nun, dass Sterne, die mit derselben Periode ihre Helligkeit verändern auch dieselbe absolute Helligkeit haben.

5 6. Lernen Sie das Vorgehen zur Entfernungsbestimmung kennen, indem Sie die Textteile den Zeichnungen passend zuordnen. (Hinweis: In den Zeichnungen ist die gesuchte Entfernung d HV zum Stern HV 214 markiert. Das Ziel ist es, diese Entfernung zu ermitteln. In den Zeichnungen sind in den Kästchen neben den Größen, Zahlen eingetragen. Diese geben die Reihenfolge an, in der die jeweiligen Größen ermittelt werden.) Für die erste Zeichnung hat eine solche Zuordnung bereits stattgefunden. Zunächst ist lediglich bekannt ist, dass der Polarstern und der Stern HV 214 dieselbe absolute Helligkeit haben, daher ist in dem entsprechenden Kästchen eine 1 eingetragen. Man braucht zunächst noch einen anderen Stern, der dieselbe absolute Helligkeit wie der Stern HV 214 der Galaxie Kleine Magellansche Wolke hat. Ein solcher Stern ist der Polarstern. Beide Sterne haben die gleiche absolute Helligkeit, allerdings ist diese noch nicht bekannt.

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7 Wenn noch Zeit ist: 7.Berechnen Sie mit dem erarbeiteten Verfahren die Entfernung der Galaxie Kleine Magellansche Wolke. Verwenden Sie die Gleichung d = 3, (m M + 5) / 5. Die Einheit für d ist Lichtjahre (LJ).Die absolute Helligkeit des Polarsterns beträgt M Polar = -3,75.

8 Von der Erde aus kann man mit physikalischen Apparaten die scheinbaren Helligkeiten aller Himmelskörper ermitteln. Die scheinbare Helligkeit von HV 214 beträgt m HV = 15,775 und die des Polarsterns Polar = 1,97. Aus der bekannten Entfernung und der bekannten scheinbaren Helligkeit des Polarsterns lässt sich dann auch die absolute Helligkeit M Polar ermitteln. Die Entfernung zum Polarstern ist bereits auf eine andere Weise ermittelt worden und kann als bekannt vorausgesetzt werden. Die Entfernung zum Polarstern beträgt d Polar = 431LJ (Lichtjahre). Da die absolute Helligkeit M Polar des Polarsterns nun bekannt ist, hat man gleichzeitig auch die absolute Helligkeit M HV des Sterns HV 214 der Galaxie Kleine Magellansche Wolke gefunden. Man kennt nun sowohl die scheinbare als auch die absolute Helligkeit des Sterns HV 214 und kann damit die Entfernung zum Stern HV 214 berechnen. Mit der Entfernung zum Stern HV 214 hat man auch die Entfernung zur Galaxie Kleine Magellansche Wolke bestimmt, denn der Stern befindet ich ja in dieser Galaxie.

9 Entfernungsbestimmung anhand der Helligkeit eines Sterns Aufgaben für die Stammgruppe Die Mitglieder der Stammgruppe haben das folgende Arbeitsblatt. Die Aufgaben sollen gemeinsam in der Stammgruppe bearbeitet werden. Bereiten Sie in Ihrer Expertengruppe die Aufgaben vor. In den Sprechblasen finden Sie Anregungen und Hilfestellungen wie Sie die Aufgaben bearbeiten können. Gehen Sie darauf ein, dass Sie die Entfernung zu einer Galaxie bestimmen. 1. Der Experte gibt zunächst einen Überblick über das Lernziel, d.h. welche Entfernung bei dieser Station ermittelt wird. 2. Arbeiten Sie mit dem Versuchsaufbau. Der Experte erklärt den Aufbau des Modellversuchs. Nennen Sie hier noch nicht die tatsächlichen Entfernungen der Lämpchen. Diskutieren Sie darüber, ob es möglich ist, die Entfernung der Lampen anzugeben. Fragen Sie zunächst Ihre Stammgruppe. Vielleicht hat jemand eine Idee. Der Experte erklärt die Begriffe scheinbare Helligkeit und absolute Helligkeit. Lassen Sie die Stammgruppenmitglieder Vorschläge machen. Sie könnten die Begriffe am Versuchsaufbau verdeutlichen. Vervollständigen Sie die drei folgenden Merksätze. (1) Wenn zwei Sterne die gleiche Entfernung zur Erde haben, dann hat derjenige Stern die größere scheinbare Helligkeit, der (2) Wenn zwei Sterne die gleiche Entfernung zur Erde haben, dann hat derjenige Stern die kleinere absolute Helligkeit, der (3) Wenn zwei Sterne die gleiche absolute Helligkeit besitzen, dann hat derjenige Stern die kleinere scheinbare Helligkeit, der entfernt ist.

10 3. Der Experte erläutert anhand der großen Zeichnung die einzelnen Schritte zur Entfernungsbestimmung der Galaxie Kleine Magellansche Wolke. Dokumentieren Sie die Reihenfolge der Schritte in der untere Zeichnung. Erläutern Sie die einzelnen Schritte zur Entfernungsbestimmung. Tragen Sie die Reihenfolge der Schritte für alle sichtbar in die Kästchen der großen Zeichnung ein. Hier ist absichtlich so viel Platz, damit sich die Stammgruppenmitglieder Notizen zu den einzelnen Schritten aufschreiben können. Vergewissern Sie sich, ob Ihre Stammgruppenmitglieder die zuvor besprochenen Inhalte verstanden haben. 4. Klären Sie noch vorhandene Fragen in Ihrer Stammgruppe.