Von Wolken, Riesen und Schwarzen Löchern Franz Embacher, Harald Höller Christian Primetshofer,...

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Von Wolken, Riesen undSchwarzen Löchern

Franz Embacher, Harald HöllerChristian Primetshofer, Birgit Schörkhuber

Workshop im Rahmen der KinderUni Wien2008, 15. Juli 2008

Eine Rätselreise durch das Lebender Sterne

Fakultät für PhysikÖsterreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik

Universität Wien

Der Sternenhimmel

Das Band derMilchstrasse -viele, viele Sterne!

In einer klaren Nacht sieht man etwa 3000 Sterne

Quelle

Mehr Sterne findet man ...

..in anderen Galxien

Eine Galaxie besteht aus ungefähr 100 Milliarden Sternen!

Quelle

Auf einem kleinen Fleck am Himmel

... soo viele Galaxien!

Man schätzt, dass es im Universum mehr als 100 Milliarden Galaxien gibt!

Quelle

„Astronomische“ Zahlen

Anzahl der Sterne im Universum (geschätzt):

100 000 000 000 * 100 000 000 000 =

Vergleiche: Anzahl der Ameisen auf der Erde (geschätzt)

ca. 1 000 000 000 000 000

Eine 1 mit 15 Nullen dran!

10 000 000 000 000 000 000 000

Eine 1 mit 22 Nullen dran!

Geht’s auch einfacher?

WissenschafterInnen schreiben:

100 = 10*10

1000= 10*10*10

10000= „Zehn hoch ?“

10000=10*10*10*10= 104 sprich: „Zehn hoch vier“

= 10² sprich: „Zehn hoch zwei“

= 10³ sprich: „Zehn hoch drei“

„Astronomische“ Zahlen - einfacher:

Anzahl der Sterne im Universum (geschätzt):

1022

sprich „Zehn hoch 22“Eine 1 mit 22 Nullen dran!

Anzahl der Ameisen auf der Erde (geschätzt)

1015

sprich „Zehn hoch 15“Eine 1 mit 15 Nullen dran!

Ein Stern aus der Nähe

Sterne ...

... bestehen aus sehr, sehr heißem Gas.

Temperatur der Sonne

im Inneren: über 10 Millionen °Can der leuchtenden Oberfläche: ca. 6000 °C

Die Sonne aus der Nähe

... im Inneren wird Energie durch Kernfusion frei, deswegen leuchten Sterne so hell.

... haben keinen festen Rand und verlieren Masse durch „Sternwinde“.

Quelle

Wie groß ist die Sonne?

Die Sonne im Größenvergleich

... und es geht noch größer!

Wie unterscheiden sich Sterne?

Im Vergleich mit der Sonne gibt es

kleinere und größere ...

schwerere und leichtere ...

heißere und kühlere ...

Die Sonne ist ein “normaler” Stern.

Quelle

Die Farben der Sterne

Je nach Temperatur der Oberfläche sendet der Stern rötliches oder bläuliches Licht aus.

Blaue Sterne sind heißer als rote!

Quelle

Woraus entstehen Sterne?

In einer Galaxie befinden sich zwischen den Sterne viele, riesige Gaswolken.

Man nennt diese Wolken auch„interstellares Medium“.

„interstellar“ ist lateinisch und bedeutet „zwischen den Sternen“.

Sterne entstehen in den Wolken des „interstellaren Medium“.

Quelle

Sternentstehungsgebiete

von fern ...

Quelle

Sternentstehungsgebiete

… und nah

Der Pferdekopfnebel in Sternbild Orion

Wolken und junge Sterne

Sternenhaufen NGC 602

Quelle

Zusammensetzung der Wolken

Bestehen zu 99% aus GAS und zu 1% aus STAUB

GAS: Wasserstoff und HeliumSTAUB: kleine Partikel wie z.B. Graphit-Partikel, Eis-Partikel

mit Helium kann man Luftballons schweben lassen Wasserstoff + Sauerstoff =Wasser

Mit Wasserstoff kann man Autos betreiben

Riesige Wolken aus Gas und Staub im Weltall

Diese Elemente kennt ihr!

Graphit ist in der Bleistiftmine

Quelle

Eigenschaften

Stellt euch einen Würfel mit 1 Meter Kantenlänge vor

1 Meter

1 M

eter

1 Mete

r

Das interstellare Medium kann sehr unterschiedlich dicht und warm sein! Es gibt:

SEHR HEISSES UND SEHR DÜNNES GAS

SEHR KALTES UND SEHR DICHTES GAS(„Molekülwolken“, “Dunkelwolken”)

T > 1 000 000 °C = 106 °C Im Würfel wären nur ca. 100 Teilchen !!

T< -250 °C (unglaublich kalt!) Im Würfel wärenüber 10 000 000 000 = 1010 Teilchen

Eigenschaften

Stellt euch einen Würfel mit 1 Meter Kantenlänge vor

1 Meter

1 M

eter

1 Mete

r

Würde man den Würfel mit Luftaus diesem Raum füllen:

Dunkelwolken sind sehr dicht imVergleich zu anderen Regionenim Weltall.

Verglichen mit unseren Erfahrungen auf der Erde haben Dunkelwolken extrem geringe Dichte!

~ 1025 Teilchen!!!

Dunkelwolken

Sterne entstehen in den sehr kalten unddichten Dunkelwolken

Quelle

Wie können aus kalten, dunklen Wolkenheiße, helle Sterne entstehen ???

Aber:

Die Schwerkraft (Gravitation)

Quelle

Massen ziehen einander an!

Quelle

Der Beginn eines Sternenlebens

Wie entsteht ein Stern?

Eine interstellare Wolke ...

ist an manchen Stellendichter als an anderen.

Eine interstellare Wolke...

Eine interstellare Wolke...

...zieht sich unter dem Einfluss ihrer Schwerkraft zusammen...

Eine interstellare Wolke...

...wird kleiner...

„Kollaps“

Eine interstellare Wolke...

...und kleiner...

Eine interstellare Wolke...

...und kleiner...

Eine interstellare Wolke...

...und kleiner ... und dichter und heißer...

Eine interstellare Wolke...

...und beginnt schließlich zu leuchten!

Eine interstellare Wolke...

Ein Protostern!

Eine interstellare Wolke...

Schließlich ist die Materie so dicht, dass sie den Kollaps aufhält!

Stern!

Movie Protostern

Flash Movie Protostern

Sternentstehungsgebiete

NGC604 Quelle

Sterne entstehenin Gruppen

Sternentstehungsgebiete

Adlernebel

Quelle

Wissenswertes über Sternentstehung

Wie dicht sind die Wolken, aus denen Sterne entstehen?• Nimm einen Luftballon!• Stell dir vor, er dehnt sich aus, bis er 100 Kilometer groß ist, ohne, dass neue Luft hineinkommt!• So dünn ist eine Wolke, aus der ein Stern entsteht!• Sie ist aber in der Regel so groß, dass man nicht durch sie durchschauen kann! Daher kann man Protosterne nur schwer beobachten.

Wie lange dauert die Entstehung eines Sterns?• 10 Millionen Jahre!• (Vor wieviel Jahren haben die Dinosaurier gelebt?)

Wo kommen die Planeten her?• Sie entstehen aus den Teilen der Wolke, die aufgrund ihrer Rotation nicht bis ins Zentrum fallen.

Warum leuchten die Sterne?

Habt Ihr Ideen, warum die Sonne so hell leuchtet?

Woher hat sie die Energie, die sie zum Leuchten braucht?

Wisst Ihr, wie lange die Sonne schon leuchtet?

4½ Milliarden Jahre!

Warum leuchten die Sterne?

Die Sonne ist hell,

man spürt ihre Wärme ...

... verbrennt da etwas?

Quelle

Idee: die Sonne als riesiger Feuerball

... bei der Verbrennung von Holz, Benzin, Erdgas usw.

werden Kohlenstoff C und Sauerstoff O in Kohlen-

dioxid CO2 umgewandelt und Energie wird frei!

Quelle

Bestünde die Sonne aus brennbaren Materialien, so

könnte sie nur 30000 (~105) Jahre lang leuchten!

Idee: die Sonne als riesiger Feuerball

Quelle

Wie ist eigentlich die Materie aufgebaut?

Alle Stoffe sind aus Atomen aufgebaut.

Ein Atom besteht aus

Protonen und Neutronen

(im Kern) und

Elektronen (in der Hülle).

Idee: die Sonne als riesige „Atombombe“

Gewinnt die Sonne ihre Energie vielleicht

aus Kernspaltung?

Idee: die Sonne als riesige „Atombombe“

Energieerzeugung durch Kernspaltung funktioniert

nur mit speziellen Materialien, mit sogenannten

radioaktiven Elementen!

Quelle

Lösung: Kernfusion

Im Inneren von Sternen

werden Atomkerne nicht

gespalten, sondern

miteinander verschmolzen!

Extreme Zustände im Sterninneren

Im Inneren eines Sterns herrschen Temperaturen von

mehreren Millionen

(106)°C und die Teilchen

sind extrem dicht gepackt,

109 mal so dicht wie Luft!

Quelle

Sterne als „Elementschmieden“

In Sternen werden leichte Elemente (Wasserstoff, Helium)

zu schweren Elementen (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff)

verschmolzen.

Die Elemente auf der Erde

Interstellare Wolke

Kernfusion in Sternen

Elemente auf der Erde

Wir sind alle Sternenstaub!

Die Erde, unser Körper, die

Luft usw. ist aus Elementen

aufgebaut, die durch Fusion

in Sternen enstanden sind!

Quelle

Kernfusion in der Sternentwicklung

Protostern

Interstellare Wolke

Kollaps, Heizung ~ einige Millionen Jahre

Sonne ~ 4 ½ Milliarden Jahre alt

Roter Riesenstern

Kernfusion noch ~ 6 Milliarden Jahre

„Beruhigung“ ~ einige 10 Millionen Jahre

Kernfusion in der Sternentwicklung

Die „Lebensphase“ eines Sterns,

in der er durch Kernfusion

Energie gewinnt, ist

die längste!

Was passiert aber, wenn der Stern seinen

„Treibstoff“ aufgebraucht hat?

Am Ende eines Sternenlebens

Wenn der „Treibstoff“ eines Sterns zu Ende geht...

...tritt wieder die Schwerkraft auf den Plan.

Der Stern kann der Schwerkraft nichts mehrentgegensetzen und beginnt wieder zu kollabieren!

Am Ende eines Sternenlebens

weißer Zwerg

... Sonne

roter Riese Supernova

weißer Zwerg Neutronensternoder

schwarzes Loch

Kollaps Ausdehnung Kollaps +Explosion

Kollaps Kollaps

Wissenswertes über weiße Zwerge

• Bei weißen Zwergen findet keine Kernfusion mehr statt.• Sie sind einige tausend Kilometer groß, also viel kleiner als die Sonne!• Sie sind hunderttausend mal so dicht wie die Sonne.• Zu Beginn sind sie sehr heiß. Da keine Kernfusion mehr stattfindet, können sie keine Wärme mehr produzieren und kühlen langsam aus. Man kann sie dann immer schlechter sehen.

Wissenswertes über Supernovae

• Eine Supernova ist eine Explosion eines Stern.

• Sie kann einige Tage lang heller strahlen als eine ganze Galaxie! So wurde beispielsweise in China im Jahr 1054 eine Supernova beobachtet. Heute sehen ihre Überreste so aus:

QuelleKrebsnebel

Wissenswertes über Supernovae

• In einer Supernova werden schwere Elemente „gebraut“. Alle schweren Elemente, die es heute im Universum gibt (wie Eisen und Gold) sind auf diese Weise entstanden!

Quelle

SN 1987Anach 20 Jahren

Wissenswertes über Neutronensterne

• Neutronensterne sind nur etwa 20 Kilometer groß, also viel kleiner als weiße Zwerge• Sie sind zehntausend mal dichter als weiße Zwerge.• Manche Neutronen- sterne senden Signale aus, ähnlich wie ein Leuchtturm. An den „Blitzen“, die wir dann sehen, erkennen wir sie. Diese Objekte heißen Pulsare.

Quelle

Wissenswertes über schwarze Löcher

• Wenn keine Kraft den Kollaps eines Sterns aufhalten kann, entsteht ein schwarzes Loch.• Aus einem schwarzen Loch kann nichts mehr entweichen, nicht einmal das Licht! Daher hat es auch seinen Namen.

Quelle

• Manche schwarze Löcher haben einen Begleiter und saugen ihm Materie weg! Daran können wir sie erkennen.

Und nun...

Jetzt wisst ihr,

• was Sterne sind,• wie sie entstehen,• warum sie leuchten und• wie sie sich entwickeln.

... auf zur Rätsel-Rallye!

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