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Themenkreis Thema Universum

Themenkreis Thema Universum 1 Dieter Schwabe

Einleitung

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Bild 1: Definition von Universum in Wikipedia:

Bild 2: Kapitel des Vortrags



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, Wärmestrah-lung, 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



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



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



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

1.3.1 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

1.3.2 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 100-300 Milliarden von Sternen umkreist Zentrum in Abstand von 25.000 Lichtjahren Umlauf benötigt 230 Millionen Jahre Geschwindigkeit etwa 220 km/s = 792.000 km/h



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

1.3.4 Planeten

Bild 12: Planeten



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 Sonnen-systems, 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

1.3.5 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.



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.

1.3.6 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).

1.3.7 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.

http://de.wikipedia.org/wiki/Mythologie

http://de.wikipedia.org/wiki/Gro%C3%9Fer_Wagen



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



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.



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 Relati-vitätstheorie 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

http://de.wikipedia.org/wiki/Astronomisches_Ereignis

http://de.wikipedia.org/wiki/Gestirn



2.1 Geschichte des Universums

Bild 21: Geschichte des Universums

Das Universum als Ganzes ist Forschungsgebiet der Kosmologie. Über die Entwicklung und Ent-stehung 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 beschrei-ben 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 Dichteunter-schiede 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.



2.2 Galaxien

Bild 22: Entstehung von Galaxien

Anwachsen der Dichtefluktuation durch Gravitationskollaps. Unter dem Einfluss Dunkler Mate-rie wachsen die Dichtefluktuationen, bis sie zu dunklen Halos kollabieren. Das Gas folgt der Ver-teilung 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

https://de.wikipedia.org/wiki/Gravitationskollaps

https://de.wikipedia.org/wiki/Halo_(Astronomie)



Bild 24: Andromeda-Nebel

2.3 Sterne

2.3.1 Entstehung der Sterne

Bild 25: Entstehung der Sterne



2.3.2 Entwicklung und Ende von Sternen mit durchschnittlicher Masse

Bild 26: Entwicklung von massearmen Sternen

Bild 27: Die Sonne



Ist der Weiße Zwerg Teil eines Doppelsternsystems, so entreißt er dem Begleiter Materie. Tem-peratur und Druck steigen, bis der Weiße Zwerg explodiert und seine Hülle abstößt. Dieser Vor-gang heißt Supernova Typ Ia .

Bild 28: Supernova Typ Ia Vorlauf

2.3.3 Entwicklung von massereichen Sternen

Bild 29: Entwicklung von massereichen Sternen



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



Bild 33: Merkur und Venus

Bild 34: Erde und Mars



Bild 35: Jupiter und Saturn

Bild 36: Uranus und Neptun



Bild 37: Weitere Objekte im Sonnensystem

Bild 38: Exoplaneten



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

https://de.wikipedia.org/wiki/Durchgang

https://de.wikipedia.org/wiki/Planet

https://de.wikipedia.org/wiki/Venus_(Planet)

https://de.wikipedia.org/wiki/Sonne

https://de.wikipedia.org/wiki/Halbachsen_der_Ellipse



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



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 gemesse-nen 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 ver-schoben. 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 hei-ßen, z.B. vom Wasserstoff In Universum existiert kein eindeutiges Entfernungsmaß mehr Lichtausbreitung ist beeinflusst durch raumzeitliche Geometrie und Dynamik. Verschiedene Definitionen für Entfernung:

https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle

https://de.wikipedia.org/wiki/Wellenl%C3%A4nge

https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlung



Laufzeitentfernung = Lichtlaufzeit zwischen zwei Ereignissen mit verschiedenen Rotverschie-bungen. 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

https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtlaufzeit

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