Spezialveranstaltung für. 1. März 2005 Universität Potsdam. Wolf-Rainer Hamann: Unser Universum

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1 Spezialveranstaltung für Schülerinnen und Schüler 1. März 2005 Universität Potsdam Wolf-Rainer Hamann: Unser Universum

2 Raumfahrt in der Erdumlaufbahn 02 Nur dicht über der Erdoberfläche z.b. Internationale Raumstation (ISS) in 350 km Höhe vergleiche: Durchmesser der Erde: km Schwerelosigkeit durch Zentrifugalkraft nicht wegen Entfernung! Bahn der ISS

3 Das Hubble Space Telescope (HST) 03 benannt nach Edwin P. Hubble, dem Entdecker der Nebelflucht vielseitiges Großteleskop, Ultraviolett bis Infrarot (1100 A o µm) Start mit dem Space Shuttle am , Umlauf in 600 km Höhe Braucht ca. alle drei Jahre Wartung im Orbit (Abb.: Service Mission 1993) für Reparaturen und Wiederanheben der Umlaufbahn... jetzt gestrichen!! Bahn HST

4 04 Flu ge zum Mond (Apollo 11-17) Astronaut Edwin Aldrin (Apollo 11) Astronaut James Irvin (Apollo 15) Erde Mond Entfernung: km Lichtlaufzeit: 1.3 sek

5 Unser Planetensystem 05 Entfernungen von der Sonne in Astronomischen Einheiten 1 AU = Sonne - Erde = 150 Mio. km Lichtlaufzeit 500 sek Mars 1.5 AU 13 m Jupiter 5.2 AU 43 m Saturn 9.5 AU 80 m Uranus 19 AU 3 h Neptun 30 AU 4 h Pluto 40 AU 5.5 h

6 Vorstoß an die Grenzen des Sonnensystems 06 Interplanetare Sonden Voyager 1 (Start 1977) Voyager 2 (Start 1977) Jupiter Saturn Uranus Neptun ( Abb.) 2003 erreichte Voyager 2 in 90 AU Entfernung möglicherweise den Übergang zum Interstellaren Raum (termination shock )

7 Die bunte Vielfalt der Sterne 07 Unterschiedliche Helligkeit Farbe beruht auf verschiedener Entfernung Größe (Radius) Temperatur Ursache: verschiedene Massen ( M ) Alter (Entwicklungsstand) Foto: Scorpion mit Antares (Axel Mellinger, Uni Potsdam)

8 Hauptreihen-Sterne Beispiel: unsere Sonne Farbe: weiß-gelb Masse Radius Leuchtkraft Oberflächentemperatur ca K Special effects: Äußere Konvektionszone Aktivität, Magnetfelder, Flecken... Sonnenwind ( Kometenschweife) 08 SOHO: Sun in soft X-rays Komet C/2000 WM 1 (Foto: Susanne Hoffmann, Uni Potsdam)

9 Rote Riesen Beispiel: Beteigeuze (α Orionis) Masse = 5 M Radius = 600 R Oberflächentemperatur ~3000 K Leuchtkraft L 09 Besondere Kennzeichen: Riesen-Konvektionszellen (Abb.: Modell-Simulation M. Steffen, B. Freytag)

10 Weiße Zwerge Beispiel: Sirius B (α CMA B) Doppelstern (A und B) Abstand AU Umlaufzeit 50 Jahre Typ Masse Radius Leuchtkraft Sirius A A1 2.1 M 1.7 R K 26 L Sirius B WD 1.0 M 0.01 R K L 10 Abb.: Sirius A ist mal heller als Sirius B Ursache: mal kleinere Oberfläche 100 mal kleinerer Durchmesser: etwa die Größe der Erde! mittlere Dichte der Sonne: ~1 g pro cm 3 mittlere Dichte von Sirius B: ~1 Tonne pro cm 3

11 Die ferne Zukunft unserer Sonne Lebensdauer auf der Hauptreihe: 9 Milliarden Jahre... davon vorbei: 4.6 Milliarden Jahre Wenn die Energievorräte zur Neige gehen Roter Riese Zentralstern eines Planetarischen Nebels Weißer Zwerg

12 Bilder Planetarischer Nebel (HST) 12 Hantel-Nebel Katzenaugen-Nebel NGC 7027 Stundenglass-Nebel

13 Das dramatische Schicksal massereicher (>12 M ) Sterne 13 Hohe Leuchtkraft, kurze Lebensdauer (~ 1 Million Jahre) Sternwinde entfernen Großteil der Masse Ausgeworfenes Material bildet Nebel Homunculus-Nebel um η Carinae (HST) Nebel um Wolf-Rayet-Stern WR 124

14 Supernova 1987A 14 die erste nahe Supernova seit Jahrhunderten explodierte am 25. Februar 1987 in der Großen Magellanschen Wolke ( Lichtjahre) 13 Neutrinos registriert Gravitationskollaps-Modell bestätigt Rechts : zehn Jahre später (HST) Ringe: früherer Sternwind, vom Blitz der Explosion zum Leuchten angeregt

15 Der Krebs-Nebel 15 Überrest der Supernova A.D im Sternbild Stier Entfernung 6000 Lichtjahre Neutronenstern dreht sich 30 Mal pro Sekunde ( Pulsar ) Radius nur ~30 km Dichte ~ 1 Million Tonnen pro cm -3! Energiereiche Teilchenstrahlen regen Nebel zum Leuchten an Im sichtbaren Licht Im Röntgen-Licht

16 Stern-Entstehung aus kalten Wolken von Staub und Gas (Molekülwolken) 16 Adler-Nebel Messier 16 Pillars of Creation (HST) Abb. : M 16 Entfernung: 6000 Lichtjahre

17 Die chemischen Elemente 02 Atomkerne werden gebildet aus: Protonen (positiv elektrisch geladen) N Neutronen (elektrisch neutral) Protonen und Neutronen haben etwa gleiche Masse Starke Wechselwirkung hält die Kerne zusammen Kernladungszahl Z bestimmt das chemische Element - Elektron (negativ elektrisch geladen) Wasserstoff (Z = 1), 1 H - Helium (Z = 2), 4 He N N -

18 03 Kernreaktionen Kernladungszahl Z = Zahl der Protonen bestimmt das chemische Element Verschmelzung (Fusion) von Kernen erfordert hohe Temperaturen und Drucke (Abstoßung gleichnamiger Ladungen!) Anlagerung eines Neutrons ist leicht möglich Freie Neutronen zerfallen (Halbwertszeit 15 min)

19 Chemische Zusammensetzung der Sonne 04 Z Symbol Element Massenanteil H He O C Fe... Au Wasserstoff Helium Sauerstoff Kohlenstoff Eisen... Gold In der Erdkruste: Leichtflüchtige Elemente abreichert Schwere Elemente abgereichert (z.b. Eisen Erdkern)

20 Die Elemententstehung beim Urknall 05 Nach ca. 3 Minuten: Ausfrieren der Protonen und Neutronen (etwa gleiche Anzahl) Innerhalb der ersten Stunde, konkurrierend: Zerfall der freien Neutronen (Halbwertszeit 15min) Einfang der freien Neutronen Entstehung von 2 H, 3 He, 4 He, 7 Li Keine Bildung Schwerer Elemente C, N, O,..., Fe,..., Au...! log (Massenbruchteil) H BEOBACHTETE WERTE 4 He 3 He 7 Li Dichteparameter log (Ω B ) Ausbeute hängt ab von Baryonendichte Ω B Beobachtete Häufigkeit von 2 H, 3 He Ω B 0.1 Gesamtdichte des Kosmos vermutlich Ω = 1 Rest: dunkle Materie (nicht-baryonisch) und dunkle Energie Ω = Ω B + Ω DM + Ω Λ

21 Elemententstehung in Sternen 06 Sterne auf der Hauptreihe Zentrales Wasserstoff-Brennen Kernfusion Wasserstoff Helium (H He) Massendefekt 0.8% Umwandlung in Energie E = mc 2 Lebensdauer der Sonne auf der Hauptreihe: bis Wasserstoff im Zentrum verbraucht ist - ca. 9 Milliarden Jahre Davon bereits vorbei: 4.6 Milliarden Jahre (Alter der Erde) Massereiche Sterne leben kürzer: z.b.: 100 M, aber 10 6 L nur 1 Million Jahre E = m c 2 Keine Produktion schwerer Elemente auf der Hauptreihe!

22 Der kosmische Materiekreislauf 17 Sternwinde, Explosionen Urknall H, He, Li Interstellare Materie Sterne Elemente Schwarze Löcher Neutronensterne Weiße Zwerge DER GRÜNE PUNKT Sternbildung

23 Galaxien 18 Systeme aus bis zu 100 Milliarden Sternen Durchmeser bis Lichtjahre Abb. : Der Andromeda-Nebel (M31) 2 Mill. Lichtjahre entfernt eine Spiralgalaxie ähnlich unserer Michstraße

24 Das Galaktische Zentrum 19 Zentrum unserer Galaxis: Lichtjahre entfernt im sichtbaren Licht durch Staub verdeckt ( Infrarot, Radio) Galaxien haben im Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch in unserer Galaxis: 3 Millionen Sonnenmassen unser SMBH ist zur Zeit dunkel (nicht aktiv ) abgeleitet aus der schnellen Bewegung der Nachbarsterne ( gcmovie)

25 Galaxien-Zusammenstöße 20 Abstand zwischen den Galaxien ist nicht sehr groß Zusammenstöße und nahe Begegnungen sind häufig ( Abb.) dies hat Einfluß auf die Strukturen und Entwicklung Elliptische Galaxien entstanden durch Zusammenstöße Antennen-Galaxien Elliptische Galaxie (300 Mill. Lichtjahre)

26 Galaxien-Haufen (Durchmesser: ~10 Mill. Lichtjahre) 21 Abell 2218 (HST) Das Gravitationsfeld des Galaxienhaufens lenkt Lichtstrahlen ab Ferne Hintergrundobjekte werden dadurch zu Bögen verzerrt

27 Hubble Deep Field 22 Blick in die Tiefe des Alls = Blick in die Vergangenheit mehrere Milliarden (Licht-)Jahre Nebelflucht : das All expandiert Nullpunkt vor etwa 15 Milliarden Jahren

28 Gamma Ray Bursts 23 Sekunden andauernde, sehr harte Strahlung stammen aus fernsten Galaxien kurzzeitig so hell wie das ganze Universum! Zwei Szenarien: - Gravitationskollaps extrem massereicher Sterne - Verschmelzen zweier Neutronensterne Die Positionen von 2704 GRBs sind gleichmäßig über den Himmel verteilt. Das spricht für ihren extragalaktischen Ursprung.

29 24 Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund ( 3K-Strahlung ) erfu llt den ganzen Raum extrem gleichma ssig ( K) entstand Jahre nach Big Bang, als Kosmos durchsichtig wurde war damals K heiß, Abku hlung durch kosmische Expansion

30 Das Drehbuch der Schöpfung Unser heutiges Universum enthält: 3% bekannte Materie 27% unbekannte Dunkle Materie 70% unbekannte Dunkle Energie Supernovae Elemente vor 4.6 Gyr: Sonnensystem 25 Sternentstehung Sterne Elemente Galaxien Dunkles Zeitalter Jahre 3K-Hintergrundstrahlung Urknall 200s Helium, etwas Lithium 2s Protonen, Neutronen 10 -s s Zerstrahlung der Antimaterie s Quarks, Inflation <10-43 s keine Theorie

31 Vincent van Gogh: The Starry Night MoMA 26