Was ist ein Lichtjahr?

Was ist ein Lichtjahr? Übung

• 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.