Themenkreis Thema Universum

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1 Einleitung Ordner 2 Skript aufrufen Datei Skript Vortrag Universum Themenkreis aufrufen Ordner 0 Powerpoint-Vortrag aufrufen Datei Vortrag Universum.pttx aufrufen Funktionen Ansicht/Bildschirmpräsentation wählen Bild 1: Definition von Universum in Wikipedia: Bild 2: Kapitel des Vortrags Themenkreis Thema Universum 1 Dieter Schwabe

2 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 Themenkreis Thema Universum 2 Dieter Schwabe

3 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 Themenkreis Thema Universum 3 Dieter Schwabe

4 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 Themenkreis Thema Universum 4 Dieter Schwabe

5 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 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 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 Milliarden von Sternen umkreist Zentrum in Abstand von Lichtjahren Umlauf benötigt 230 Millionen Jahre Geschwindigkeit etwa 220 km/s = km/h Themenkreis Thema Universum 5 Dieter Schwabe

6 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 Planeten Bild 12: Planeten Themenkreis Thema Universum 6 Dieter Schwabe

7 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 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. Themenkreis Thema Universum 7 Dieter Schwabe

8 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 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) 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. Themenkreis Thema Universum 8 Dieter Schwabe

9 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 Themenkreis Thema Universum 9 Dieter Schwabe

10 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. Themenkreis Thema Universum 10 Dieter Schwabe

11 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 Themenkreis Thema Universum 11 Dieter Schwabe

12 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. Themenkreis Thema Universum 12 Dieter Schwabe

13 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 Themenkreis Thema Universum 13 Dieter Schwabe

14 Bild 24: Andromeda-Nebel 2.3 Sterne Entstehung der Sterne Bild 25: Entstehung der Sterne Themenkreis Thema Universum 14 Dieter Schwabe

15 2.3.2 Entwicklung und Ende von Sternen mit durchschnittlicher Masse Bild 26: Entwicklung von massearmen Sternen Bild 27: Die Sonne Themenkreis Thema Universum 15 Dieter Schwabe

16 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 Entwicklung von massereichen Sternen Bild 29: Entwicklung von massereichen Sternen Themenkreis Thema Universum 16 Dieter Schwabe

17 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 Themenkreis Thema Universum 17 Dieter Schwabe

18 Bild 33: Merkur und Venus Bild 34: Erde und Mars Themenkreis Thema Universum 18 Dieter Schwabe

19 Bild 35: Jupiter und Saturn Bild 36: Uranus und Neptun Themenkreis Thema Universum 19 Dieter Schwabe

20 Bild 37: Weitere Objekte im Sonnensystem Bild 38: Exoplaneten Themenkreis Thema Universum 20 Dieter Schwabe

21 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 Themenkreis Thema Universum 21 Dieter Schwabe

22 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 Themenkreis Thema Universum 22 Dieter Schwabe

23 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: Themenkreis Thema Universum 23 Dieter Schwabe

24 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 Themenkreis Thema Universum 24 Dieter Schwabe