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Astrophysik – Was ist was? 10:15 min

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Transkript Astrophysik – Was ist was?

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Unser Thema heute, aus der Astrophysik ist: Was ist was? - Begriffe der Astrophysik. Wir lernen heute, anhand welcher Eigenschaften ich Himmelskörper unterscheiden kann, welche nicht leuchtenden Himmelskörper man kennen sollte, und zum Schluß kommt ein kurzer Überlick über die wichtigsten selbstleuchtenden Himmelskörper. Es gibt mehrere Eigenschaften, nach denen wir Himmelskörper in verschiedene Gruppen einordnen. Wie ihr, falls ihr es gesehen habt, im Video über die Forschungsmethoden der Astrophysik gehört habt, kann man ja Himmelskörper eigentlich nur mit Auge, beziehungsweise Teleskop, erforschen. Daher ist die wichtigste Eigenschaft die Art des Leuchtens oder genauer gesagt: Leuchtet der Himmelskörper von selbst und wenn ja, in welchem Bereich des Spektrums? Wie hell und warum? Die anderen Eigenschaften, nach denen man Himmelskörper einteilt, sind Größe und Masse. Natürlich gibt es auch noch andere Besonderheiten. Ihr werdet gleich ein paar Beispiele sehen. Aber, um das noch mal kurz festzuhalten, unsere Hauptunterscheidung treffen wir erstmal in der Art des Leuchtens, nämlich die selbst leuchtenden und die nicht selbst leuchtenden, die man also nur sieht, weil sie von einem anderen Objekt angestrahlt werden oder das Licht eines anderen Objektes absorbieren. Und letztere wollen wir uns nun im nächsten Kapitel genauer ansehen. Man kann zuerst einmal ganz generell sagen, dass die nicht selbst leuchtenden Himmelskörper deutlich kleiner und leichter als die selbst leuchtenden sind. Fangen wir mal mit den kleinsten an, den sogenannten Meteoroiden. So bezeichnet man sehr, sehr winzige Himmelskörper, teilweise kleiner als 1 Millimeter bis zu wenigen Metern, die um die Sonne kreisen. Ihr habt wahrscheinlich selbst schon einmal einen gesehen. Meteoroiden können in die Erdatmosphäre eintreten und dort verglühen. Man nennt sie dann Meteor oder Sternschnuppe. Sie können allerdings auch so groß sein oder unter einem so ungünstigen Winkel auftreffen, dass sie nicht komplett verglühen. Dann nennt man sie Meteorite. Kommen wir zu den nächstgrößeren, den sogenannten Asteroiden. Sie sind meistens einige Meter groß, können aber einen Durchmesser bis zu vielen Hundert Kilometern erreichen. Sie kreisen ebenfalls um die Sonne. Die meisten davon übrigens im sogenannten Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter. Größer als die meisten Asteroiden, aber kleiner als ein paar besonders große Modelle, ist der typische Komet. Komet nennt man einen Ball aus Gas und Staub, der meistens einen Durchmesser von nur wenigen Kilometern hat. Er läuft auf einer sehr großen ellipsenförmigen Bahn um die Sonne und wenn er in die Nähe der Sonne gerät, beginnt er zu schmelzen. Dieser Schweif des Kometen, den er dann hinter sich herzieht, reflektiert das Sonnenlicht und daher ist er für uns sichtbar. Diese 3 Gruppen, Meteoroiden, Asteroiden und Kometen, fasst man auch unter dem Begriff "Kleinkörper" zusammen. Dann mal weiter. Der nächstgrößere, nicht von selbst leuchtende Himmelskörper, ist der sogenannte Satellit, man sagt auch Trabant oder Mond. Mit diesen Begriffen bezeichnet man Himmelskörper, die so schwer sind, dass sie schon unter dem Einfluss der Schwerkraft eine runde Form angenommen haben, die allerdings nicht direkt um die Sonne sondern um eine andere große Masse, nämlich einen Planeten, kreisen. Eigentlich kämen nun, an dieser Stelle, die Zwergplaneten. Da man sich aber über diesen Begriff immer noch ein wenig streitet, möchte ich ihn gerne überspringen und gleich zum nächstgrößeren, nämlich den Planeten weiter gehen. Planeten nennt man Himmelskörper, die um einen Stern kreisen und so schwer sind, dass sie nicht nur rund sind, sondern sogar ihre gesamte Umlaufbahn freigeräumt haben. Das ist auch der Unterschied zu den Zwergplaneten. Da dies aber zum Beispiel auch für die Erde nicht komplett gilt, ist man da bei der Definition immer noch ein wenig am Grübeln. Bevor wir weitermachen, wollen wir uns kurz noch in diesem Bild einen Größenvergleich der Planeten unseres Sonnensystems ansehen. Wie ihr seht, schwanken die Größen beträchtlich und der Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems, ist verglichen mit der Sonne immer noch ein kleines Kügelchen. Größe, beziehungsweise Masse, hat also wohl etwas mit Leuchten zu tun. Und wie das genau funktioniert, das sehen wir uns nun im letzten Kapitel an. So, dann machen wir uns nun mal an die Liste der selbst leuchtenden Himmelskörper, denn alles, was wir bis jetzt gesehen haben, können wir - und meistens auch nur in unserem Sonnensystem - beobachten, weil die Sonne es anstrahlt und das Objekt das Licht zu uns zurückwirft. Wir starten unsere Liste mit dem Stern. Zum Beispiel unsere Sonne ist ein Stern. Sterne nennt man Gaskugeln, deren Masse so hoch ist, dass wegen des entstehenden Drucks in ihrem Inneren Kernfusion stattfindet. Sie verbrennen also zum Beispiel Wasserstoff zu Helium und dabei entsteht Licht. Wenn ihr genauer wissen wollt, wie das funktioniert, seht euch doch das Video über die Kernfusion an. Es gibt unendlich viele Sterne mit verschiedenen Helligkeiten, Größen und Massen. Es gibt zum Beispiel auch oft 2 Sterne, die umeinander kreisen und das nennt man einen Doppelstern. Meistens ist einer deutlich schwerer als der andere. In diesem Bild zum Beispiel sind es 2 weiße Zwerge. Und das bringt uns auch gleich schon zum nächsten Punkt, denn abhängig davon, wie groß die Masse an Brennstoff war, die einem Stern zur Verfügung stand, passieren mit ihm unterschiedliche Dinge. Ist die Masse, die am Ende übrig bleibt, kleiner als 1,44 Sonnenmassen, so wird er zu einem sogenannten weißen Zwerg. Ein weißer Zwerg ist ein Stern, der zwar eine sehr hohe Oberflächentemperatur, aber nur eine geringe Leuchtkraft hat. Beträgt die Restmasse des Sterns zwischen 1,44 und 3 Sonnenmassen, so entsteht ein sogenannter Neutronenstern. Hier wird es für uns Physiker so richtig interessant, denn ein Neutronenstern entsteht dann, wenn die Restmasse so groß ist, dass aufgrund der Gravitation die Atome sozusagen kollabieren, das heißt, wenn Protonen und Elektronen ineinander fallen. Deshalb ist ein Neutronenstern auch unglaublich schwer. Wie gerade schon gesagt, ist seine Masse ungefähr das Doppelte der Sonnenmasse, aber sein Durchmesser ist nur der einer großen Stadt. Neutronensterne drehen sich sehr schnell, oft viele Male in der Sekunde, und senden ein starkes Magnetfeld aus. Wenn dieses Magnetfeld, ihr könnt es euch so ähnlich vorstellen wie einen Taschenlampenstrahl, von der Erde aus beobachtbar ist, dann nennt man den Neutronenstern einen Pulsar. Der Stern scheint dann sehr schnell zu blinken und am Anfang dachte man, das sei ein sicherer Hinweis auf außerirdisches Leben. Bleiben von einem Stern 3 oder mehr Sonnenmassen übrig, so entsteht ein schwarzes Loch, also ein Objekt, das alles, sogar Licht, zu sich hinsaugt und dadurch sehr schwer, beziehungsweise nur indirekt, zu beobachten ist. So, nun aber erst mal genug von Sternen. Wenn euch interessiert, wie man Sterne in Klassen einteilt, empfehle ich euch das Video zum Hertzsprung-Russel-Diagramm. Wir machen weiter mit den nächstgrößeren Himmelskörpern, die meiner Meinung nach die spektakulärsten sind, und zwar die Nebel. Nebel ist ein Sammelbegriff für große Wolken aus Gas und Staub, die auf einer gewaltigen Fläche leuchten. Das kann verschiedene Gründe haben: Nebel können sichtbar sein, weil sie Licht einer anderen Quelle reflektieren oder absorbieren. Sie können aber auch selbst leuchten, zum Beispiel, wenn sie von dem heißen Licht eines Sternes dazu angeregt werden. Manche Nebel sind so groß, dass sie schon in die nächste Kategorie fallen, dass man sie also auch Galaxie nennen kann. Galaxie nennt man eine riesige Ansammlung von Materie, die durch die Schwerkraft aneinander gebunden ist. Sie kann Nebel und Sternenhaufen enthalten und ist - so wie eine Sonne, mit allen Planeten, die darum kreisen, als Sonnensystem bezeichnet wird - also eine Art riesengroßes Sternensystem. Viele Objekte, die man am Himmel sehen kann, sind Galaxien. Aufgrund ihrer riesengroßen Entfernung kann man sie mit dem Auge aber bloß als Punkt wahrnehmen. Als letztes wollen wir uns noch einen Spezialfall der Galaxie ansehen, nämlich den sogenannten Quasar. Quasare sind unglaublich weit entfernte Galaxien, die man im sichtbaren Bereich einfach als punktförmige Lichtquellen wahrnehmen kann. In anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums stoßen Quasare allerdings immense Energiemengen ab. Sie sind die leuchtkräftigsten Objekte am Himmel. Der Grund dafür ist: Quasare sind aktive Galaxien mit einem großen schwarzen Loch im Zentrum. Das heißt, dieses schwarze Loch nimmt ständig weiter an Masse zu. Es nimmt also laufend Materie aus seiner Umgebung auf. Diesen Vorgang nennt man übrigens Akkretion und dabei wird Energie frei. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Man unterscheidet Himmelskörper daran, ob sie selbst leuchten und wenn ja, auf welche Art, sowie an ihrer Größe und Masse. Nicht selbst leuchtende Himmelskörper, der Größe nach geordnet, waren: Meteoroide, Asteroide, Kometen, Satelliten, Zwergplaneten und Planeten. An selbst leuchtenden hatten wir kennengelernt: den Stern, der je nach Restmasse zu weißem Zwerg, Neutronenstern oder schwarzem Loch werden kann, und dann Doppelsterne, Galaxien und Quasare. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.  

1 Kommentar
  1. Super!!!

    Von Zarif, vor fast 8 Jahren

Astrophysik – Was ist was? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Astrophysik – Was ist was? kannst du es wiederholen und üben.

  • Analysiere die Massenverhältnisse.

    Tipps

    Galaxien drehen sich meist um schwarze Löcher.

    Die Milchstraße ist eine Galaxie.

    Lösung

    Eine Möglichkeit, die Himmelskörper zu sortieren, ist deren Masse. Dabei sind die selbstleuchtenden generell größer als die nicht selbstleuchtenden.

    Ordnen wir nach der Masse:

    Am schwersten ist die Galaxie, welche ein Zusammenschluss von vielen Sonnensystemen ist. Ein Beispiel ist unsere Milchstraße.

    Innerhalb der Galaxie sind etwa schwarze Löcher (meist als Mittelpunkt) zu finden. Das sind sehr massereiche, zerfallene Sterne. Ebenfalls aus einem Stern entstanden sind die weißen Zwerge. Diese haben noch eine hohe Oberflächentemperatur, jedoch findet hier keine Kernfusion mehr statt und sie sind viel leichter als ein schwarzes Loch.

    Ebenfalls in einer Galaxie enthalten sind Planeten wie die Erde. Das sind Himmelskörper, die um einen Stern laufen und dabei auf einer geräumten Bahn kreisen. Sehr viel leichter noch als Planeten sind die Asteroiden, welche einige $m$ bis $km$ groß sind. Die meisten Asteroiden in unserem Sonnensystem finden sich im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.

  • Gib die Eigenschaften an, nach denen Himmelskörper unterschieden werden.

    Tipps

    Wir beobachten die meisten Himmelskörper aus großer Entfernung.

    Der Schall ist sehr viel langsamer als das Licht.

    Lösung

    Die wesentlichen Eigenschaften, anhand derer man Himmelskörper unterscheidet, sind:

    • Art des Leuchtens
    • Größe
    • Masse
    Das ist damit zu erklären, dass wir die meisten Himmelskörper aus sehr großer Entfernung beobachten und nur das auf der Erde ankommende Licht eine Auskunft über den beobachteten Planeten geben kann. (Die Masse errechnet man auf Basis der Größe des Planeten und seiner wahrscheinlichen Zusammensetzung).

    Diese Aufteilung der Himmelskörper ist zudem sehr aufschlussreich, so lässt jene nach 1 eine weitere zu: Stellen wir fest, dass der Himmelskörper selbst leuchtet, so wissen wir, dass es ein Stern, eine Galaxie oder ein Quasar sein muss. Leuchtet dieser nur indirekt aufgrund der Reflexion des Lichtes eines anderen Sterns, so kann man schließen, dass es je nach Größe ein Asteroid, Komet, Mond oder Planet sein muss.

    Es sind noch weitere Merkmale zur Einteilung denkbar, jedoch haben diese in der Praxis weniger Bedeutung.

    Definitiv nicht geeignet wäre etwa der Schall als Messinstrument, da sich dieser mit einer sehr viel geringeren Geschwindigkeit als das Licht bewegt. Würde also ein sehr lauter Ton von einem weit entfernten Himmelskörper ausgesandt, käme dieser erst viele Jahrhunderte oder Jahrtausende später auf der Erde an.

  • Zeige, welche Körper selbstleuchtend sind und welche nicht.

    Tipps

    Am Sternenhimmel sind die selbstleuchtenden Körper als helle Punkte zu erkennen.

    Von der Erde aus gesehen scheint die Sonne heller als der Mond.

    Lösung

    Die wichtigste Unterscheidung der Himmelskörper ist die nach ihrer Leuchteigenschaft. Dabei differenziert man zwischen selbstleuchtenden und nicht selbstleuchtenden Körpern. So, wie du selbst auch unterscheiden kannst zwischen einer Taschenlampe, welche selbst leuchtet und einem angeleuchteten Objekt, welches nur solange leuchtet, wie es im Schein der Lampe ist (= Reflexion).

    Am Sternenhimmel sind die selbstleuchtenden Körper, etwa Galaxien, Quasare, oder (Doppel-)Sterne, als helle Punkte zu erkennen.

    Die nicht selbstleuchtenden Himmelskörper kann man mit dem bloßen Auge nur erkennen, wenn diese nahe an der Erde gelegen sind. Zu diesen zählen zum Beispiel Monde, Planeten wie die Erde und Kometen.

  • Erläutere den Nebel.

    Tipps

    Kernfusion ist der Grund für Leuchten.

    Die Kernfusion findet nur an Stellen hohen Druckes (Temperatur) statt.

    Lösung

    Nebel sind gewaltige Ansammlungen von Gas und Staub. Diese bedecken riesige Flächen und können aus selbstleuchtenden und nicht selbstleuchtenden Komponenten bestehen

    Deshalb finden sich in jedem Nebel hellere und dunklere Stellen. Das liegt daran, dass der Nebel an einigen Stellen bereits stark verdichtet und es dort zur Kernfusion kommt, die auch Licht hervorbringt.

    Aufgrund der Anziehung der Massen verdichten sich Nebel mit der Zeit immer stärker und formen ganze Galaxien oder einzelne Sterne.

    So ist auch unsere Galaxie aus einer gewaltigen Wolke aus Gas und Staub entstanden, die sich stellenweise stark verdichtet hat. (Die Milchstraße sieht auch heute noch etwas nebelig aus.) Deshalb kann man nicht genau definieren, wo die Grenze zwischen Nebel und Galaxie liegt.

  • Analysiere, was mit dem „sterbenden“ Stern geschieht.

    Tipps

    Ein schwarzes Loch ist sehr schwer.

    Unsere Sonne ist der Maßstab für eine „Sonnenmasse“.

    Lösung

    Ein Stern erlischt, sobald sein Brennstoff verbraucht ist und als Folge dessen im Inneren keine Kernfusion mehr stattfinden kann. Man sagt dann: Der Stern „stirbt".

    Abhängig von der Masse des Sternes kann dieser in drei verschiedene Stadien übergehen:

    1.) Hat der Stern eine Masse von weniger als 1,44 Sonnenmassen, wird er zum weißen Zwerg.

    2.) Hat der Stern zwischen 1,44 und 3 Sonnenmassen, wird dieser zu einem Neutronenstern.

    3.) Sterne, die mehr als 3 Sonnenmassen wiegen, werden zu schwarzen Löchern.

    Unsere Sonne ist dabei der Maßstab für die Sonnenmasse, das heißt:

    $m_{Sonne} = 1 Sonnenmasse $.

    Unsere Sonne wird, wenn sie erlischt, zu einem weißen Zwerg.

  • Erkläre den Grund des Leuchtens.

    Tipps

    Im Kern der Sonne gilt : $ H + H -> He + E_{mdefekt} $.

    Die frei werdende Energie wird in Form von Strahlung (Licht) abgegeben.

    Hoher Druck erzeugt hohe Temperatur.

    Lösung

    Das Leuchten der Himmelskörper ist mit der Kernfusion im Inneren zu erklären. Verdichtet sich eine ausreichend große Wolke kosmischen Staubes, so entsteht in deren Innerem ein sehr hoher Druck und es kommt dort zur Kernfusion.

    Dabei werden leichte Elemente wie etwa Wasserstoff mit gleichnamigen Atomen verschmolzen. Als Ergebnis erhält man Helium und Energie aus dem Massendefekt:

    $ H + H -> He + E_{mdefekt} $ .

    Die frei werdende Energie $ E_{mdefekt} $ wird in Form von Strahlung (Licht) abgegeben.

    Die Strahlung liegt je nach Fusionsprozess in unterschiedlichen Wellenlängen vor. So kann man von der Erde aus Rückschlüsse über die Kernfusion leuchtender Körper ziehen.