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Forschungsmethoden der Astrophysik 07:33 min

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Transkript Forschungsmethoden der Astrophysik

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir wollen uns heute aus dem Bereich Astrophysik mit den Forschungsmethoden der Astrophysik beschäftigen. Für dieses Video solltet ihr euch bereits ein wenig mit dem elektromagnetischen Spektrum auskennen. Und los geht's. Wir lernen heute wie man in der Astrophysik eigentlich das Universum erforscht, warum man unbedingt ein Teleskop im Weltall braucht und welche Rolle Spektralanalysen in der Astrophysik spielen. Dann wollen wir mal als erstes die Frage beantworten, womit erforscht man überhaupt das Universum. Hier seht ihr ein Bild des Nachthimmels über den Alpen. Dies ist ein Foto mit langer Belichtungsdauer und dadurch verschwimmen die punktförmigen Sterne zu Strichen. Die Erde dreht sich ja während der Belichtungsdauer des Fotos, in diesem Fall ganze 15 Minuten, und dadurch scheint der Himmel sich zu drehen. Wenn ihr nun genauer hinschaut, dann stellt er fest, dass alle Sterne sich um einen anderen Stern zu drehen scheinen, der helle Stern in der Mitte oben. Das ist der Polarstern. Dieser dreht sich nicht, weil er fast genau in der Richtung des Nordpols liegt. Das heißt, er liegt fast genau auf der Drehachse der Erde. Und daher ist seine Position von der Drehbewegung der Erde nicht beeinflusst. Ihr seht also, durch eine einfache Beobachtung haben wir schon einiges an Wissen über diesen Stern gewonnen. Genauer gesagt, ist das fast der einzige Weg. Wissen über Himmelskörper, also Planeten, Sterne oder Galaxien, erhalten wir nämlich eigentlich nur durch das Licht, das von ihnen zu uns gelangt. Im Weltall herrscht ja Vakuum. Eine elektromagnetische Welle, und das ist das Licht, ist das Einzige, was sich im Vakuum ausbreiten kann. Schall braucht dazu ein Ausbreitungsmedium. Das heißt, das bei uns ankommende Licht weit entfernter Sterne ist wirklich der einzige Weg, wie wir etwas über diesen Stern herausfinden können, jedenfalls dann, wenn man die Methode vorbei zu fliegen und Gesteinsproben mitzunehmen nicht in Betracht zieht. Und damit können wir schon ganz einfach sagen, was die wichtigsten Forschungsgeräte der Astrophysik sind. Da wäre zuerst einmal das Auge, das dem Menschen viele Jahrhunderte gute Dienste geleistet hat und seit seiner Entwicklung das Teleskop, das es in vielen verschiedensten Ausführungen gibt, die teilweise deutlich größer als Häuser sind. Eines dieser Teleskope ist das so genannte Hubble Teleskop, das sich im Weltall befindet. Und warum man das nun gebaut hat, das wollen wir uns im nächsten Kapitel ansehen. Hier seht ihr ein Bild des Hubble Teleskops. Es wurde von den Amerikanern 1990 ca. 600 km über der Erde ausgesetzt und fotografiert von dort aus das Universum. Was aber ist nun der Vorteil eines Teleskops im Weltall? Diese Frage lässt sich leicht beantworten. Es ist außerhalb der Atmosphäre, denn unsere Atmosphäre ist wie eine Art riesiger Filter über der Erde. Aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum werden nämlich nur Radiowellen und sichtbares Licht kaum von der Atmosphäre herausgefiltert. Viele Bereiche des Spektrums kommen also bei einem Teleskop auf der Erdoberfläche gar nicht erst an. Nur ein Teleskop im All kann das gesamte elektromagnetische Spektrum unverfälscht aufnehmen. Ein weiterer Vorteil zum Beispiel ist, dass das durch die Bewegung von Luftmassen entstehende Flimmern so ebenfalls verhindert wird. In der Atmosphäre bewegen sich nämlich ständig warme und kalte Luftmassen gegeneinander und dadurch entsteht ein Flimmern. Sterne, die eigentlich punktförmig sind, scheinen dadurch leicht zu wackeln. Besonders schön sieht man das Ganze, wenn man mit einem Teleskop den Mond beobachtet. Die Mondoberfläche sieht dann so aus, als würde man sie durch welliges Wasser beobachten. Auch dieser störende Einfluss der Atmosphäre wird also durch ein Teleskop im Weltall umgangen. Es gibt allerdings inzwischen auch Methoden für Teleskope auf der Erde dieses Flimmern herauszurechnen. Wir sehen also, mit Teleskopen im Weltraum, wie dem Hubble Teleskop, sind also schärfere Aufnahmen möglich und außerdem kann man das gesamte elektromagnetische Spektrum sehen. Hier seht ihr ein paar Aufnahmen des Hubble Teleskops. Hier seht ihr eine Aufnahme des Infrarotspektrums des so genannten Andromeda Nebels, eine uns relativ nahe Galaxie. Diese Strahlung würde normalerweise von der Atmosphäre komplett geschluckt werden. Auf diesen drei Fotos seht ihr, wie sich das Aussehen des Zentrums der Milchstraße ändert, wenn man von rotem Licht über nahezu infrarotes zu ganz infrarotem übergeht. Und zum Schluss eine so genannte deep field Aufnahme. Dabei wird das Teleskop auf einen sehr, sehr kleinen Bereich des Himmels fokusziert, weniger als 1/20° groß. Für das normale Auge ist in einem so kleinen Bereich natürlich nichts mehr erkennbar, aber das hier ist, was das Hubble Teleskop sieht. Forscher haben ermittelt, dass weit über 1000 verschiedene Galaxien auf diesem kleinen Ausschnitt zu sehen sind. Mithilfe solcher Aufnahmen hat man also ein völlig neues Verständnis dafür gefunden, wie groß unser Universum wirklich ist. So nun wissen wir also, wie man am besten Bilder von weit entfernten Sternen macht. Aber welches Wissen kann man aus diesen Bildern nun eigentlich gewinnen? Das wollen wir uns nun ansehen. Hier kommt nun die Spektralanalyse ins Spiel. Durch die genaue Untersuchung von Spektren kann man nämlich die Zusammensetzung von Sternen ermitteln. Ihr kennt das Ganze von den Emissions- und Absorptionsspektren. Finde ich im Licht eines Sternes zum Beispiel relativ hell die vier Spektrallinien des Wasserstoffes, dann kann ich mir relativ sicher sein, dass in diesem Stern große Mengen von Wasserstoff zu finden sind. Eine weitere interessante Eigenschaft des Lichtes hatten wir bereits im Video über den optischen Doppeleffekt besprochen, nämlich die Rotverschiebung. Das Universum dehnt sich ja aus. Und je weiter ein Stern von uns entfernt ist desto schneller bewegt er sich von uns weg. Nun verändert sich aber die Wellenlänge des Lichtes, die dieser Stern aussendet umso stärker, je schneller er sich von uns wegbewegt. Diesen Effekt nennt man die Rotverschiebung. Und je weiter der Stern von uns entfernt ist, desto größer ist sie. Ich kann also über die Rotverschiebung aussagen, wie weit das Licht eines Sternes zu mir gereist ist. Wir wollen nochmal wiederholen, was wir heute gelernt haben: Das Universum wurde früher fast nur mit dem Auge, heute vor allem mit modernen Teleskopen erforscht. Mit Teleskopen im All lassen sich dabei deutlich bessere Aufnahmen machen, da die störende Atmosphäre umgangen wird. Außerdem haben wir gehört, Spektralanalysen des Lichtes ferner Sterne helfen dabei, mehr über die Zusammensetzung und die Entfernung dieser Sterne zu erfahren. 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.

Forschungsmethoden der Astrophysik Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Forschungsmethoden der Astrophysik kannst du es wiederholen und üben.

  • Vergleiche die Vor- und Nachteile eines Teleskopes im Weltraum mit einem erdgebundenen Teleskop.

    Tipps

    Überlege dir, was der Aufstellungsort für Vor- und Nachteile hat.

    Mache dir um die Folgen des Ortes Gedanken.

    Lösung

    Eine Aufstellung eines Teleskopes auf der Erde ist relativ kostengünstig und es ist einfach, etwas zu reparieren. Jedoch wirkt die Atmosphäre wie ein Filter, der sehr viel Licht absorbiert. Zudem bewegen die Luftmassen sich stetig, sodass die Bilder immer leicht flimmern.

    Eine Aufstellung eines Teleskopes im Weltraum beseitigt aus dem Bild die störende Atmosphäre, sorgt aber auch dafür, dass Reparaturen nur mit Astronauten gemacht werden können. Die Kosten für den Bau und den Unterhalt des Teleskopes waren und sind sehr groß.

  • Gib an, warum sich der Polarstern nicht bewegt.

    Tipps

    Bei der Beurteilung, ob sich etwas bewegt, kommt es auf die Position und Bewegung des Beobachters an.

    Lösung

    Der Polarstern galt schon den frühesten Seefahrern als Orientierungspunkt in tiefster Nacht noch lange bevor es den Kompass oder auch Leuchttürme gab. Die Wikinger erreichten mit seiner Hilfe weit entfernte Orte.

    Es ist aber immer relevant, von wo aus ich den Nachthimmel betrachte. Schauen wir von der Erde aus, bewegt sich der Polarstern nicht, da er in der Verlängerung der Drehachse der Erde liegt.

    Würden wir von einem Planeten im Riegel-System im Sternbild Orion schauen, würden sich wieder andere Sterne nicht bewegen, obwohl der Polarstern auch sichtbar wäre. Dann hätten wir ihn aber sicherlich anders benannt. Die Sonne wäre für uns dann auch nur ein Stern unter vielen anderen.

  • Erkläre dir den Artikel zu erdähnlichen Planeten im Universum.

    Tipps

    Beginne mit den Begriffen, die für dich am einfachsten sind.

    Lösung

    Neben der Frage nach dem Anfang und dem Ende des Universums ist es vor allem wichtig für die Menschheit, erdähnliche Planeten oder auch Monde zu finden. Ob sich ein solches Objekt in einem entfernten Sternsystem befindet, können wir über das Licht des Sternes herausfinden. Wenn ein erdähnliches Objekt in den Lichtstrahl zwischen Stern und Erde läuft, fehlen dem Licht vom Stern charakteristische Wellenlängen. Man sollte aber beachten, dass wir in die Vergangenheit schauen, wenn wir in den Himmel blicken, da die Sterne, deren Licht wir immer noch sehen, teilweise schon erloschen sind. Ihr Licht braucht aufgrund ihrer großen Entfernung sehr lange, bis es uns erreicht.

    Die bisher gefundenen erdähnlichen Planeten kreisen zumeist um rote Zwerge. Deren Leuchtkraft ist schwächer als die der Sonne. Daher befinden sich diese Planeten viel näher am Stern.

    Würde sich der Planet auf der Bahn um einen roten Riesen befinden, müsste sich der Planet wegen der größeren Wärmestrahlung viel weiter entfernt von dem Stern befinden, um Leben zu beherbergen.

    Doch damit nicht genug, es gibt sogar Doppelsternsysteme. Hier kreisen zwei unterschiedlich großer Sterne um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Auch hier könnte sich ein solcher Planet befinden. Der Nachweis wäre nur wesentlich schwerer.

  • Erkläre die Deep-Field-Aufnahme.

    Tipps

    Warum ist es in der Stadt nachts so schwer, den Nachthimmel zu sehen?

    Lösung

    Deep-Field-Aufnahme in Zahlen

    Größe des Ausschnittes: 1mm² bei einer Entfernung von 1 m von der Linse des Hubbleteleskops.

    Aufnahmezeit für diesen Bildausschnitt: 03.09.2003 - 16.01.2004, da jeweils mehrere noch kleinere Ausschnitte gemacht und diese dann zu dem Bild zusammengesetzt wurden.

    Belichtungszeit je Aufnahme: 11,3 Tage

    Ein großer Aufwand, jedoch ein noch größerer Nutzen. Es wird dadurch möglich, die Größe des Universums wie auch die Position und Zeitdifferenz des vermutlichen Urknalls zu bestimmen.

    Es war bis zum September 2012 die genaueste Aufnahme des Tiefenraums. Dann betrachtete man im Extreme Deep Field wiederum nur einen kleinen Ausschnitt aus dem Ultra-Deep-Field-Bild.

  • Gib an, wie wir an Informationen zu weit entfernten Sternen kommen.

    Tipps

    Gibt es unterschiedliche Spektren?

    Was beschreiben die Worte Emission und Absorption?

    Lösung

    Das Einzige, was wir von den Sternen als Informationsquelle nutzen können, ist das, was sie zu uns gelangen lassen. Da es leider derzeit für uns unmöglich ist, diese Sterne selbst zu besuchen. Daher versuchen wir, alle Informationen, die sie uns geben, ihrer elektromagnetischen Strahlung zu entnehmen.

    Wir untersuchen vor allem, welche Wellenlängen sie emittieren. Zudem überprüfen wir, welche Wellenlängen fehlen. Daher ist sowohl das Emissionsspektrum der Sterne als auch das Absorptionsspektrum wichtig. Damit können wir Informationen über die Objekte erlangen, die den Stern umkreisen. Zudem nutzen wir auch den optischen Dopplereffekt, auch Rot- und Blauverschiebung genannt.

  • Erkläre, warum das Zentrum der Milchstraße absolut dunkel ist, während der Bereich darum am hellsten scheint.

    Tipps

    Warum dreht sich die gesamte Galaxie um das Zentrum, so wie sich die Erde auch um die Sonne dreht?

    Nach dem Gravitationsgesetz drehen sich Systeme um ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Wie schwer müsste das Zentrum sein, damit sich die komplette Galaxie um dieses dreht?

    Lösung

    Das Zentrum der Galaxie hat die größte Dichte von Sternen innerhalb der Galaxie. Die Dichte ist hier so groß, das hier auch stetig neue Sterne entstehen, welche aber durch die Gravitation des Zentrums schnell wieder ausgelöscht werden. So liegen hier gleißende Helligkeit und absolute Finsternis dicht nebeneinander.