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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:
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
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!
Danke...
... für Eure Aufmerksamkeit!
http://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/KinderUni2008/
http://aeccp.univie.ac.at/
http://homepage.univie.ac.at/harald.hoeller/
