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Das Milchstraßensystem 10:27 min

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Transkript Das Milchstraßensystem

Hallo und ganz herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das Milchstraßensystem. Du kennst bereits die Grundlagen Mechanik und Optik. Nachher kannst du das Milchstraßensystem erläutern. Du bist vertraut mit den Begriffen „Parsec“, „Scheibe“, „Zentralregion“, „differenzielle Rotation“, „Halo“ und „Korona“. Und schon geht es los. Mit Parsec. „Parsec“ bedeutet „Parallaxensekunde“ oder auch „parallaktische Sekunde“. Was ist darunter zu verstehen? Hier ist die Sonne. Und dort die Erde. Der Abstand bildet die Seite eines rechtwinkligen Dreiecks. Die rote Seite und die Hypotenuse schließen einen Winkel von einer Sekunde ein. Denk dran, die Zeichnung ist nicht maßstabsgerecht. Eine Sekunde ist fast nichts. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, ist die Länge der roten Seite ein Parsec. Ein Parsec sind 3,26 Lichtjahre. Das heißt, die Strecke, die das Licht in 3,26 Jahren zurücklegt. Das sind gigantische 3,091016 Meter. Ein Parsec ist somit definiert als eine astronomische Einheit geteilt durch den Tangens von einer Sekunde. Eine Sekunde ist die Wenigkeit von 1°/3600. Und eine astronomische Einheit ist gerade der Abstand zwischen Sonne und Erde, also etwa 150 Millionen Kilometer. Und nun zum eigentlichen Thema: die Milchstraße. Seit dem Altertum kennt man ihn: den typischen Lichtstreifen am Nachthimmel. Aber erst 1609 erkannte Galilei: Es handelt sich um viele leuchtende Himmelsobjekte. Der Name „Milchstraße“ entstammt der griechischen Mythologie. Zeus wollte den mit einer Sterblichen gezeugten Knaben Herakl seiner Gemahlin während des Schlafs zur Brust geben. Herakl saugte an Heras Brust so heftig, dass diese erwachte und ihn von sich stieß. Ein Strom von Milch ergoss sich über das Universum. So entstand die Galaxis vom griechischen Wort für „Milch“. Die Milchstraße. Die Milchstraße ist eine kosmische Großstruktur. Sie wird durch gravitative Kräfte zusammengehalten. In der Milchstraße gibt es etwa 100 bis 300 Milliarden Sterne. Einfachsterne, Doppelsterne, Mehrfachsterne und Sternenhaufen. Außerdem findet man riesige Mengen interstellarer Materie. Hier habt ihr noch einmal das Titelbild mit einer realistischen Darstellung der Milchstraße. In einem vereinfachten Modell möchte ich euch die Abmessungen der Milchstraße in Kiloparsec zeigen. Das ist die Milchstraße von oben. Sie ist, stark vereinfacht, etwa kreisförmig. Der Durchmesser beträgt ungefähr 30. In der Vorderansicht hat die Milchstraße so ein Aussehen. In der Mitte beträgt der Durchmesser etwa 5 und an den Rändern jeweils 1. Der Abstand vom Anfang bis zum Ende ist natürlich wieder 30. Die Milchstraße hat die Form einer Schreibe. Sie sieht aus wie ein Diskus beim Sport. Kommen wir nun zu Scheibe und Zentralregion. Das ist das Zentrum der Milchstraße. Es befindet sich im Sternbild Schütze. Das Zentrum ist visuell nicht sichtbar. Gase und Nebel trüben die Sicht. Für die Beobachtung des Zentrums kann man Radiowellen untersuchen. Außerdem kann man es mit Infrarot- und Röntgenstrahlen erforschen. Man hat dabei im Zentrum ein supermassereiches schwarzes Loch gefunden. Die Masse dieses Gebildes ist etwa zwei bis vier Millionen Sonnenmassen. Man nennt das schwarze Loch auch „Sagittarius A“. „Sagittarius“ ist der lateinische Name für „Schütze“. Kurz schreibt man dafür „SgrA*“. Wo das blaue Kreuz ist, befindet sich das Sonnensystem der Erde. Interessant ist natürlich der Abstand vom Milchstraßenzentrum in Kiloparsec. Er beträgt etwa 8,5. Und den Radius können wir vom Durchmesser ableiten. Etwa 15. Natürlich habt ihr schon lange gesehen, dass die Milchstraße von oben nicht ein einfacher Kreis ist. An dem Kreis sitzen Spiralarme. Die Vorstellung über die Zahl der Spiralarme war so: Früher glaubte man, die Galaxis besäße fünf Spiralarme. Heute spricht man nur von zwei Spiralarmen. Von besonderer Bedeutung für die Spiralarme ist die sogenannte differenzielle Rotation. Nimmt man zwei Punkte, die unterschiedlichen Abstand vom Zentrum aufweisen, so kann man Folgendes feststellen: Sie zeigen verschiedene Winkelgeschwindigkeiten. Das führt dazu, dass die Spiralarme relativ labil sind. Wir haben es hier mit einem ständigen Werden und Vergehen von Spiralarmen zu tun. Kommen wir jetzt zur Zentralregion. Man kann sie sich als abgeflachte Kugel vorstellen. Die Zentralregion reicht nicht in die Spiralstruktur hinein. In der Zentralregion findet man eine hohe Sternendichte und außerdem eine hohe Dichte an interstellarer Materie. Wenn ich nach einer bestimmten Quelle vorgehe, muss ich die Zentralregion maßstabsgerecht etwa so einzeichnen. Ihr Radius beträgt acht Kiloparsec. So habe ich es in einem Lehrbuch gefunden. Uns fehlen noch zwei Bestandteile des Milchstraßensystems: Halo und Korona. Dieses Stückchen kennt ihr: Das ist die Scheibe, der Diskus. Die Milchstraße im engeren Sinne. Der Diskus wird vom sogenannten Halo eingeschlossen. Der Halo besteht zum großen Teil aus Kugelsternhaufen. Einen beachtlichen Anteil bilden auch alte Sterne. An der Rotation des gesamten Systems ist der Halo praktisch nicht beteiligt. Der Halo ist kugelförmig. Sein Durchmesser beträgt etwa 40 Kiloparsec. Und nun der letzte Bestandteil: die sogenannte Korona. Man nennt sie auch „dunkle Korona der Galaxis“. Die Korona stellt eine unsichtbare Hülle dar. Ihr Durchmesser liegt zwischen 60 und 100 Kiloparsec. Ihre gigantische Masse beträgt 1012 Sonnenmassen. Das ist die zehnfache Masse des sichtbaren Bereichs des Systems. Wie ist man darauf gekommen, dass die Korona existiert? Man hat Teile des sichtbaren Bereichs untersucht und Folgendes festgestellt: Die Keplerschen Gesetze gelten nicht. Die Rotationskurve der Galaxis deutet auf eine sehr große äußere Masse hin. Das ist die Korona. Fassen wir noch einmal die Bestandteile zusammen: Im Zentrum die abgeplattete Kugel, die Zentralregion. Sie ist Bestandteil der Scheibe, die die Milchstraße bildet. Eingeschlossen wird diese vom kugelförmigen Halo, was fast nicht rotiert. Der äußere Bestandteil ist die riesige Korona mit einer riesigen Masse. Und das, meine lieben Zuhörerinnen und Zuhörer, ist das Milchstraßensystem. Zum Schluss noch ein hübsches Bild zum Genießen. Das war es auch schon wieder. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!

Das Milchstraßensystem Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Das Milchstraßensystem kannst du es wiederholen und üben.

  • Verbildliche eine Parallaxensekunde.

    Tipps

    Eine astronomische Einheit entspricht dem senkrechten Abstand zwischen Sonne und Erde.

    Die Ankathete und die Hypotenuse sollen einen Winkel von einer Sekunde einschließen.

    Dann entspricht die Ankathete einer Parallaxensekunde.

    Lösung

    Parsec bedeutet Parallaxensekunde.

    Mithilfe der Sonne und der Erde kann ein rechtwinkliges Dreieck gebildet werden.
    Hierbei bildet der Abstand zwischen Sonne und Erde die Seite. Dieser entspricht einer astronomischen Einheit.
    Der rechte Winkel findet sich bei der Sonne.

    Wenn die Hypotenuse mit der Ankathete (welche von der Sonne aus geht) einen Winkel von einer Sekunde einschließt, dann entspricht die Ankathete genau einem Parsec.

    Wie lang ein Parsec ist kann dann mit dem tangens berechnet werden:
    $1 ~ Pc= \dfrac{1 ~AE}{\tan{(1'')}}$ .

  • Nenne Aussagen über die Milchstraße.

    Tipps

    Um das Zentrum der Milchstraße finden sich viele Gase und Nebel. Kann das Zentrum dann sichtbar sein?

    Es findet sich auch interstellare Materie in der Milchstraße. Kann diese dann nur aus Sternen bestehen?

    Die Milchstraße entspricht unserer Galaxie. Kann es sich dabei größentechnisch um eine interstellare Kleinstruktur handeln?

    Lösung

    Um das Zentrum der Milchstraße finden sich viele Gase und Nebel.
    Das Zentrum selbst ist deswegen nicht sichtbar. Es kann jedoch mit Radiowellen oder Röntgenstrahlen erforscht werden.
    Forscher haben dort ein schwarzes Loch gefunden.

    Ansonsten finden sich sehr viele Sterne in der Milchstraße. Hierbei findet man unter anderem Einfachsterne, Mehrfachsterne, Doppelsterne und Sternenhaufen.
    Zudem findet sich jedoch auch sehr viel interstellare Materie.

    Durch Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Komponenten, also Gravitationskräfte, wird die Milchstraße zusammengehalten. Sie entspricht unserer gesamten Galaxie und ist damit eine interstellare Großstruktur.
    Die Erde und ihr gesamtes Sonnensystem befinden sich innerhalb der Milchstraße.

  • Berechne, wie viele Jahre Licht braucht, um die Scheibe der Milchstraße zu durchqueren.

    Tipps

    Die Scheibe hat einen Durchmesser von 30 kPc.

    Ein Parsec entspricht 3,26 Lichtjahren. Wie lange braucht das Licht dann, um die Strecke von einem Parsec zu überwinden?

    Beachte die Größendimensionen.

    Lösung

    Ein Parsec(Parallaxensekunde) entspricht 3,26 Lichtjahren.

    Somit braucht Licht 3,26 Jahre, um die Strecke von einem Parsec zu überwinden.

    Da die Scheibe einen Durchmesser von $30 ~kPc=30 000 ~ Pc$ hat, ergibt sich für die Anzahl der Lichtjahre:
    $30000 ~Pc \cdot 3,26 ~\frac{Lj}{Pc}=97800~ Lj$.

    Somit braucht das Licht 97800 Jahre, um die Scheibe der Milchstraße einmal zu durchqueren.

    Ganz schön lange, findest du nicht?

  • Beschreibe den Aufbau der Milchstraße.

    Tipps

    Nutze die Fachbegriffe.

    Die Zentralregion findet sich im Zentrum der Milchstraße.

    Die Scheibe wird vom Halo eingeschlossen. Dieser ist kugelförmig.

    Die Korona stellt eine unsichtbare Hülle der restlichen Strukturen dar.

    Lösung

    Im Zentrum der Milchstraße findet sich die Zentralregion.
    Diese hat in der Realität die Form einer abgeflachten Kugel. Es findet sich dort eine hohe Sternendichte und eine hohe Dichte interstellarer Materie.

    Die Zentralregion wird von der Scheibe eingeschlossen. Die erinnert von der Form an einen Diskus. Das Schema zeigt die Scheibe von der Seitenansicht.

    Diese wird vom Halo eingeschlossen. Dieser besteht zum großen Teil aus Kugelsternhaufen und alten Sternen. Der Halo ist in echt kugelförmig.

    Die Korona wird teils auch dunkle Korona der Galaxis genannt und bildet eine sehr große unsichtbare und sehr massereiche Hülle.

  • Erkläre die Entdeckung der Korona.

    Tipps

    Wie sich die Planeten in unserem Sonnensystem bewegen, wurde von Johannes Kepler entdeckt und auch nach ihm benannt. Dieser Ergebnisse werden auf größere Strukturen übertragen.

    In der Korona finden sich keine Sterne oder sichtbaren Materialien. Kann sie dann selber sichtbar sein?

    Lösung

    Die Korona gehört zu den unsichtbaren Bereichen der Milchstraße. Sie konnte deswegen erst durch physikalische Schlussfolgerungen entdeckt werden.

    Die Untersuchung von sichtbaren Bereichen brachte hervor, dass die Gesetze zu Planetenbewegung von Johannes Kepler nicht gelten.
    Diese heißen keplersche Gesetze.

    Es wurde die Rotationskurve beobachtet. Durch diese wurde dann angenommen, das sich weit mehr Masse in der Milchstraße befindet.

    Damit wurde die massereiche, aber nicht sichtbare Korona begründet.

  • Erkläre den Begriff Spiralarm.

    Tipps

    Die Winkelgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich der Drehwinkel verändert. Bei gleicher Winkelgeschwindigkeit bewegt sich ein Teilchen, was sich außen auf einem Kreis dreht, von der Bahngeschwindigkeit schneller als eines, welches nah am Zentrum ist.

    Wenn auf einer Linie von Zentrum eines Kreises nicht überall dieselbe Winkelgeschwindigkeit besteht, zerfällt diese Linie nach kurzer Zeit.

    Wenn unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten vorhanden sind, wird das auch differentielle Rotation genannt.

    Lösung

    Spiralarme sind zeitlich nicht konstant, was mit der differentiellen Rotation zusammenhängt.

    Diese bedeutet, dass auf einer Linie vom Zentrum unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten vorliegen.

    Betrachtet man zum Beispiel eine große, sich drehende Scheibe, dann hat jeder Punkt auf der Scheibe die gleiche Winkelgeschwindigkeit. Gegenüber einem festen Bezugssystem sind die Punkte, die sich außen auf der Scheibe befinden, dann schneller als die, die sich innen befinden.
    Sie müssen nämlich einen weiteren Weg zurücklegen.

    Ist die Winkelgeschwindigkeit nicht gleich, dann zerfällt eine Linie schnell. Sie bildet sich jedoch auch wieder neu.

    Du kannst dies selber ausprobieren. Du brauchst dazu nur ein paar Freunde. Ihr stellt euch alle nebeneinander und lauft dann in einem Kreis.
    Wenn ihr euch an den Händen haltet und auf einer Linie bleiben wollt, dann müssen die, die weiter vom Zentrum weg sind, schneller laufen. Ihr habt dann alle die gleiche Winkelgeschwindigkeit.
    Lasst ihr euch los und jeder geht sein Tempo, so ist eure Linie schnell keine mehr. Sie zerfällt immer mehr.
    Es wird jedoch, wenn ihr alle eine konstante Geschwindigkeit habt, ein Zeitpunkt eintreten, zu dem ihr wieder auf einer Linie seid.