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Was ist ein Lichtjahr?

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Team Realfilm
Was ist ein Lichtjahr?
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Beschreibung Was ist ein Lichtjahr?

Das Lichtjahr

Du hast bestimmt schon einmal den Begriff Lichtjahr gehört, zum Beispiel in einem Science-Fiction Film oder einem Buch über den Weltraum. Und vielleicht hat es dich gewundert, dass das Wort Lichtjahr dort wie eine Entfernung verwendet wird, obwohl ein Jahr doch einen Zeitraum darstellt? Genau diesen Zusammenhang wollen wir heute erklären.

Was ist ein Lichtjahr?

Ein Lichtjahr ist tatsächlich eine Entfernung in der Physik, auch wenn der Name dafür etwas verwirrend klingt. Das Wort „Jahr“ in „Lichtjahr“ kommt von der Definition dieser Entfernung. Die lautet nämlich wie folgt:

Ein Lichtjahr ist genau die Strecke, die Licht im Vakuum in einem Jahr zurücklegt.

Diese Strecke ist extrem groß, weil Licht sehr, sehr schnell ist. Im Vakuum breitet es sich mit einer Geschwindigkeit von $c = 299.792.458~\frac{\text{m}}{\text{s}}$ aus. Schneller als mit dieser Geschwindigkeit kann sich nach den Gesetzen der Physik nichts ausbreiten oder bewegen. Bei der Definition des Lichtjahres wurde das julianische Jahr mit genau $365,25$ Tagen betrachtet. Wir können jetzt berechnen, wie lang ein Lichtjahr in Kilometern ist, indem wir Geschwindigkeit und Zeitangabe miteinander multiplizieren. Allerdings müssen wir zunächst das Jahr in Tagen $\text{d}$ in Sekunden $\text{s}$ umrechnen, da wir die Geschwindigkeit ja in Metern pro Sekunde gegeben haben. Wir benutzen außerdem die Zeichen $\text{h}$ für Stunden und $\text{min}$ für Minuten. Also:

$ \underbrace{365,25 \cdot 24~\text{h}}_{1~\text{d}=24~\text{h}} = \underbrace{8766 \cdot 60~\text{min}}_{1~\text{h}=60~\text{min}} = \underbrace{525960 \cdot 60~\text{s}}_{1~\text{min}=60~\text{s}} = 31557600~\text{s} $

Wir müssen dann nur noch die Werte entsprechend der Formel Weg ist gleich Geschwindigkeit mal Zeit, also hier $1~\text{Lichtjahr} = c \cdot 31557600~\text{s}$ miteinander multiplizieren. Das Ergebnis ist eine ziemlich große Zahl:

$1~\text{Lichtjahr} = 1~\text{Lj} = 9,46 \cdot 10^{12}~\text{km}$

Das sieht noch etwas beeindruckender aus, wenn wir die Zahl einfach mal ausschreiben und statt Kilometern die Angabe in Metern betrachten:

$1~\text{Lj} = 9.460.730.472.580.800~\text{m}$

Es gibt, ganz analog zur Zeitrechnung, die vom Lichtjahr abgeleiteten Größen Lichtsekunden Ls, Lichtminuten Lm und Lichtstunden Lh. Die werden aber seltener genutzt, meist nur innerhalb unseres Sonnensystems. Die Sonne ist beispielsweise ungefähr $8,3~\text{Lm}$ von uns entfernt. Das sind $150 \cdot 10^{6}~\text{km}$. Das Licht braucht also von der Sonne bis zu uns $8,3$ Minuten. Wenn die Sonne aus irgendwelchen Gründen plötzlich aufhören würde zu leuchten, würden wir das erst $8,3$ Minuten später sehen. Das wäre natürlich ziemlich schlecht, wird aber glücklicherweise nicht passieren.

Alle Entfernungen außerhalb unseres Sonnensystems sind allerdings so groß, dass nur in Lichtjahren gerechnet wird. Das ist auch der Grund, warum diese Maßeinheit überhaupt eingeführt wurde: Es wäre schlicht und einfach viel zu aufwendig, in Metern oder Kilometern zu rechnen. Der Stern, der unserer Sonne am nächsten liegt, ist zum Beispiel Proxima Centauri. Und der ist schon $4,2~\text{Lj}$ von uns entfernt. Wenn Proxima Centauri aufhören würde zu leuchten, würden wir das also erst 4,2 Jahre später mitbekommen! Und viele Objekte, die wir mit bloßem Auge am Nachthimmel sehen können, sind noch viel weiter entfernt, manche sogar mehrere tausend Lichtjahre. Das Licht, das wir von dort empfangen, war schon mehrere tausend Jahre unterwegs. Und Teleskope wie das Hubble-Weltraumteleskop können sogar noch wesentlich weiter entfernte Objekte beobachten, wie zum Beispiel die Galaxie HUDF.YD3. Diese Galaxie ist etwa $13,2$ Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Blick durch Weltraumteleskope wie Hubble ist also ein Blick weit in die Vergangenheit.

Beispiele

In der folgenden Tabelle findest du Beispiele für die Entfernung einiger Objekte in Lichtjahren zum Vergleich.

System Entfernung in Lj
Erde — Proxima Centauri $\approx 4,2$
Erde — Polarstern $\approx 430$
Erde — Beteigeuze $\approx 550$
Durchmesser der Milchstraße $\approx 200.000$
Erde — Andromedagalaxie $\approx 2.500.000$

Dieses Video

In diesem Video wird dir einfach erklärt, was ein Lichtjahr ist und wozu man es braucht. Außerdem gibt es einige Beispiele für Entfernungen verschiedener Objekte. Neben dem Video findest du wie immer interaktive Übungen. Damit bist du bestens gewappnet, falls du einmal ein Referat über die Lichtgeschwindigkeit halten möchtest.

Transkript Was ist ein Lichtjahr?

Nichts ist schneller als das Licht. Durch den Weltraum bewegt es sich mit einer Geschwindigkeit von 300 Millionen Metern pro Sekunde. Astronomen verwenden die Einheit „Lichtjahre“, um die riesigen Entfernungen im Weltall zu messen. Meter oder auch Kilometer zu verwenden, wäre schlicht zu unpraktisch. Auch wenn sich Licht äußerst schnell bewegt, sind die Entfernungen im Weltall gewaltig. 8,3 Minuten benötigt das Licht, um die Strecke von der Sonne zur Erde zurückzulegen. Das bedeutet, dass wir Veränderungen der Sonne nicht sofort sehen können – würde sich zum Beispiel ihre Helligkeit verändern, wäre das erst 8,3 Minuten später auf der Erde sichtbar. Der unserer Sonne nächstgelegen Stern ist Proxima Centauri. Er liegt 4,2 Lichtjahre entfernt. Wenn wir ihn in des Nachts beobachten, hat das Licht, das wir sehen, den Stern in Wahrheit vor 4,2 Jahren verlassen. Obwohl Licht extrem schnell ist, führt die gigantische Größe unseres Sonnensystems dazu, dass wir, wenn wir in den Weltraum blicken, in Wahrheit einen Blick weit in die Vergangenheit werfen.

Was ist ein Lichtjahr? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Was ist ein Lichtjahr? kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Lichtgeschwindigkeit.

    Tipps

    Ein Jahr hat etwa 31,54 Millionen Sekunden.

    Lösung

    Einer der Grundsätze von Einsteins Relativitätstheorie ist, dass sich nichts, nämlich weder ein Objekt noch eine Information, schneller bewegen kann als das Licht im Vakuum. Diese Grenzgeschwindigkeit beträgt etwa 300 000 $\frac{\text{km}}{\text{s}}$ oder 300 Millionen Meter pro Sekunde. Da die Lichtgeschwindigkeit aber einen festen Wert hat und nicht unendlich groß ist, bedeutet dies, dass das Licht immer eine gewisse Zeit braucht, bevor es von einer Lichtquelle aus unsere Augen erreicht. Wir sehen deshalb alles einen kurzen Augenblick, nachdem es passiert. Aus diesem Grund sehen wir immer nur die Vergangenheit.

    Auf der Erde sind alle möglichen Distanzen recht klein im Vergleich zu der Strecke, die das Licht in einer Sekunde zurücklegen kann. Deshalb fällt es uns hier nicht besonders auf. Anders ist es bei den gewaltigen astronomischen Distanzen. Beispielsweise braucht das Sonnenlicht acht Minuten, bevor es die Erde erreicht und das, obwohl die Sonne im Vergleich zu anderen Objekten im Weltall sehr nah an der Erde liegt. Um diese Entfernungen zu beschreiben, nutzen Physiker die Einheit Lichtjahr, die einer Entfernung von etwa 9,46 Billionen Kilometern entspricht. Das ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr im Vakuum zurücklegen kann.

  • Bestimme die Größe der Milchstraße.

    Tipps

    Ein Lichtjahr entspricht etwa 9,46 Billionen Kilometern.

    Lösung

    Der Durchmesser unserer Milchstraße beträgt etwa 1 900 Billiarden Kilometer=1 900 000 Billionen Kilometer und ein Lichtjahr entspricht einer Entfernung von $1\text{ Lj}=300000\frac{\text{Kilometer}}{\text{Sekunde}}\cdot 1\text{ Jahr}\approx 9,46 \text{ Billionen Kilometer}=9,46\cdot10^{12}\text{ km}$. Daraus ergibt sich der Durchmesser der Milchstraße in Lichtjahren als:

    $D_{\text{Milchstraße}}=\frac{1 900 000\text{ Billionen Kilometer}}{9,46 \text{ Billionen Kilometer}}\text{ Lj}\approx 200 846\ \text{ Lj}\approx 200 000\ \text{ Lj}$

    Um einmal von einem Ende der Galaxie zum anderen zu gelangen, benötigt ein Lichtstrahl also 200 000 Jahre.

  • Bestimme die astronomischen Entfernungen.

    Tipps

    Die bisher fernste Galaxie GN-z11 wurde 2016 entdeckt.

    Die Andromedagalaxie ist die Nachbargalaxie der Milchstraße. Beide ziehen sich durch Ihre Gravitation an.

    Neben dem Lichtjahr (Lj) kann man auch die Einheiten Lichtstunde (Lh), Lichtminute (Lm) oder Lichtsekunde (Ls) verwenden.

    Lösung

    Bis das Licht unserer Sonne die Erde erreicht, dauert es 8 Minuten. Die Entfernung der Erde zur Sonne beträgt demnach 8 Lichtminuten (Lm). Der Durchmesser des ausgedehnten Sonnensystems ist da mit 150 Lichtstunden (Lh) schon deutlich größer.

    Der nächstgelegene Stern zu unserer Sonne ist Proxima Centauri, der etwa 4,24 Lichtjahre (Lj) von uns entfernt liegt. Auch er ist ein Teil unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße. Ihr Durchmesser beträgt etwa 200 000 Lj und sie ist etwa 2,5 Millionen Lj von der nächstgelegenen Andromedagalaxie entfernt.

    Die am weitesten von uns entfernte bekannte Galaxie ist die Galaxie GN-z11, die 2016 mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt wurde. Das von Hubble gemessene Licht war 13,4 Milliarden Jahre unterwegs, bevor es bei uns auf der Erde ankam. Nach der Urknalltheorie hat sich unser Universum in dieser Zeit allerdings stark ausgedehnt, bevor das Licht der Galaxie bei uns eintraf. Demnach müsste GN-z11 inzwischen sogar etwa 32 Milliarden Lj von uns entfernt sein.

  • Erkläre die Einheit Parsec.

    Tipps

    Bestimme zunächst die Entfernung in Lichtjahren.

    6 Monate sind 0,5 Jahre.

    Lösung

    Da Hans und Geeko mit dem Raumschiff etwa 81,5 Lichtjahre brauchen, ist Jaddas Heimatplanet etwa 163 Lichtjahre entfernt, oder laut Geeko 50 Parsec. Demnach entspricht ein Parsec etwa:

    $\begin{array}{llll} 163 \ \text{Lj} &=& 50\ \text{Parsec} & \vert :50 \\ \frac{163}{50}\ \text{ Lj} &=& 1\ \text{Parsec} & \\ 3,26\ \text{ Lj} &=& 1\ \text{Parsec} & \end{array}$

    Ein Parsec ist also 3,26 Lichtjahren oder $30,857\cdot 10^{12}\text{ Kilometern}$ weit. Astronomen verwenden häufig auch Parsec oder Megaparsec, um die großen Entfernungen im Universum zu beschreiben.

    Ein Parsec ist durch die Bewegung der Erde um die Sonne definiert, denn von einem Stern aus gesehen, der genau ein Parsec von der Sonne entfernt ist, schließen die Sonne und die Erde genau einen Winkel von einer Bogensekunde, also $\frac{1}{3600}°$, ein. Andersherum sieht es von der Erde gesehen so aus, als würde sich der Stern am Himmel im Verlauf eines Jahres um zwei Bogensekunden hin- und herbewegen.

  • Finde den Blick des Forschers.

    Tipps

    Ralf hat gerade unsere Erde entdeckt.

    Dinosaurier lebten von 235 Millionen Jahren bis 66 Millionen Jahren vor unserer Zeit.

    Den modernen Menschen (homo erectus) gibt es seit etwa 300 000 Jahren.

    Lösung

    Ralf betrachtet mit seinem Teleskop natürlich die Erde und da das Licht von der Erde aus bis zu seinem Planeten etwa 2,5 Millionen Jahre benötigt, wirft er einen Blick in unsere Vergangenheit. Vermutlich befindet sich Ralf's Planet in der Nachbargalaxie unserer Milchstraße, der Andromedagalaxie, da diese etwa 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt liegt.

    Da die meisten Dinosaurier bereits vor 66 Millionen Jahren ausgestorben sind, kann Ralf sie nicht mehr sehen. Allerdings entstanden vor etwa 2 bis 3 Millionen Jahren die ersten Arten der Gattung homo, von denen wir abstammen. Ralf betrachtet durch sein Teleskop also unsere Vorfahren.

  • Bewerte die Einheit Autominuten.

    Tipps

    Die Erde hat einen Durchmesser von etwa 12700 km.

    Die Flugstrecke von Hamburg nach Sydney ist 16300 km lang.

    Die Entfernung zwischen Erde und Mond beträgt 384400 km.

    Die Entfernung zur Sonne beträgt 149600000 km.

    Die Entfernung zum Mars beträgt 228000000 km.

    Lösung

    In einem Jahr würde Heinz etwa $60\frac{\text{km}}{\text{h}}\cdot(24\cdot 365)h=525600$ Kilometer weit fahren. Dies entspricht in etwa zweimal der Strecke von der Erde zu Mond.

    Mit diesem Beispiel kannst du vielleicht noch ein etwas besseres Gefühl dafür bekommen, mit welchen gigantischen Dimensionen sich Astrophysiker jeden Tag beschäftigen. Denn ein Lichtjahr ist noch einmal 18 Millionen Mal weiter als das Autojahr, das Heinz erfunden hat.

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