Von Wolken, Riesen und Schwarzen L

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Von Wolken, Riesen undSchwarzen Löchern
Eine Rätselreise durch das Lebender Sterne

• Franz Embacher, Harald HöllerChristian
  Primetshofer, Birgit Schörkhuber

Fakultät für PhysikÖsterreichisches
Kompetenzzentrum für Didaktik der
Physik Universität Wien
Workshop im Rahmen der KinderUni Wien2008, 15.
Juli 2008
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Der Sternenhimmel
Das Band der Milchstrasse - viele, viele
Sterne! In einer klaren Nacht sieht man etwa
3000 Sterne
Quelle
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Mehr Sterne findet man ...
..in anderen Galxien
Eine Galaxie besteht aus ungefähr 100 Milliarden
Sternen!
Quelle
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Auf einem kleinen Fleck am Himmel
... soo viele Galaxien!
Man schätzt, dass es im Universum mehr als 100
Milliarden Galaxien gibt!
Quelle
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Astronomische Zahlen
Anzahl der Sterne im Universum (geschätzt) 100
000 000 000 100 000 000 000
10 000 000 000 000 000 000 000 Eine 1 mit 22
Nullen dran!
Vergleiche Anzahl der Ameisen auf der Erde
(geschätzt)? ca. 1 000 000 000 000 000 Eine 1
mit 15 Nullen dran!
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Gehts auch einfacher?
WissenschafterInnen schreiben 100 1010

• 10² sprich Zehn hoch zwei

1000 101010

• 10³ sprich Zehn hoch drei

10000 Zehn hoch ?
1000010101010 104 sprich Zehn hoch vier
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Astronomische Zahlen - einfacher
Anzahl der Sterne im Universum (geschätzt) 1022
sprich Zehn hoch 22 Eine 1 mit 22 Nullen
dran!
Anzahl der Ameisen auf der Erde
(geschätzt)? 1015 sprich Zehn hoch 15 Eine 1
mit 15 Nullen dran!
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Ein Stern aus der Nähe
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Sterne ...
... bestehen aus sehr, sehr heißem
Gas. Temperatur der Sonne im Inneren über 10
Millionen C an der leuchtenden Oberfläche ca.
6000 C
... im Inneren wird Energie durch Kernfusion
frei, deswegen leuchten Sterne so hell.
... haben keinen festen Rand und verlieren Masse
durch Sternwinde.
Quelle
Die Sonne aus der Nähe
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Wie groß ist die Sonne?
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Die Sonne im Größenvergleich
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... und es geht noch größer!
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Wie unterscheiden sich Sterne?
Im Vergleich mit der Sonne gibt es kleinere und
größere ... schwerere und leichtere ... heißere
und kühlere ... Die Sonne ist ein normaler
Stern.
Quelle
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Die Farben der Sterne
Je nach Temperatur der Oberfläche sendet der
Stern rötliches oder bläuliches Licht aus.
Blaue Sterne sind heißer als rote!
Quelle
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Woraus entstehen Sterne?
In einer Galaxie befinden sich zwischen den
Sterne viele, riesige Gaswolken. Man nennt diese
Wolken auch interstellares Medium. interstella
r ist lateinisch und bedeutet zwischen den
Sternen. Sterne entstehen in den Wolken des
interstellaren Medium.
Quelle
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Sternentstehungsgebiete
von fern ...
Quelle
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Sternentstehungsgebiete
Der Pferdekopfnebel in Sternbild Orion
und nah
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Wolken und junge Sterne
Sternenhaufen NGC 602
Quelle
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Zusammensetzung der Wolken
Bestehen zu 99 aus GAS und zu 1 aus STAUB
GAS Wasserstoff und Helium STAUB kleine
Partikel wie z.B. Graphit-Partikel, Eis-Partikel
Diese Elemente kennt ihr!
Mit Wasserstoff kann man Autos betreiben
Graphit ist in der Bleistiftmine
Riesige Wolken aus Gas und Staub im Weltall
mit Helium kann man Luftballons schweben lassen
Wasserstoff Sauerstoff Wasser
Quelle
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Eigenschaften

• Das interstellare Medium kann sehr
  unterschiedlich dicht und warm sein! Es gibt
• SEHR HEISSES UND SEHR DÜNNES GAS
• SEHR KALTES UND SEHR DICHTES GAS
• (Molekülwolken, Dunkelwolken)?

Stellt euch einen Würfel mit 1 Meter Kantenlänge
vor
T gt 1 000 000 C 106 C Im Würfel wären nur
ca. 100 Teilchen !!
1 Meter
Tlt -250 C (unglaublich kalt!) Im Würfel
wären über 10 000 000 000 1010 Teilchen
1 Meter
1 Meter
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Eigenschaften
Würde man den Würfel mit Luft aus diesem Raum
füllen
Stellt euch einen Würfel mit 1 Meter Kantenlänge
vor

• 1025 Teilchen!!!

Dunkelwolken sind sehr dicht im Vergleich zu
anderen Regionen im Weltall. Verglichen mit
unseren Erfahrungen auf der Erde haben
Dunkelwolken extrem geringe Dichte!
1 Meter
1 Meter
1 Meter
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Dunkelwolken
Sterne entstehen in den sehr kalten und dichten
Dunkelwolken
Quelle
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Wie können aus kalten, dunklen Wolkenheiße,
helle Sterne entstehen ???
Aber
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Die Schwerkraft (Gravitation)?
Quelle
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Massen ziehen einander an!
Quelle
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Der Beginn eines Sternenlebens
Wie entsteht ein Stern?
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(No Transcript)
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Eine interstellare Wolke...
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Eine interstellare Wolke...
...zieht sich unter dem Einfluss ihrer
Schwerkraft zusammen...
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Eine interstellare Wolke...
Kollaps
...wird kleiner...
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Eine interstellare Wolke...
...und kleiner...
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Eine interstellare Wolke...
...und kleiner...
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Eine interstellare Wolke...
...und kleiner ... und dichter und heißer...
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Eine interstellare Wolke...
...und beginnt schließlich zu leuchten!
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Eine interstellare Wolke...
Ein Protostern!
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Eine interstellare Wolke...

• Schließlich ist die Materie so dicht, dass sie
  den Kollaps aufhält!
• ? Stern!

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Movie Protostern
Flash Movie Protostern
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Sternentstehungsgebiete
Sterne entstehenin Gruppen
NGC604
Quelle
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Sternentstehungsgebiete
Adlernebel
Quelle
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Wissenswertes über Sternentstehung

• Wie dicht sind die Wolken, aus denen Sterne
  entstehen?
• Nimm einen Luftballon!
• Stell dir vor, er dehnt sich aus, bis er 100
  Kilometer groß ist, ohne, dass neue Luft
  hineinkommt!
• So dünn ist eine Wolke, aus der ein Stern
  entsteht!
• Sie ist aber in der Regel so groß, dass man
  nicht durch sie durchschauen kann! Daher kann
  man Protosterne nur schwer beobachten.

• Wie lange dauert die Entstehung eines Sterns?
• 10 Millionen Jahre!
• (Vor wieviel Jahren haben die Dinosaurier
  gelebt?)?

• Wo kommen die Planeten her?
• Sie entstehen aus den Teilen der Wolke, die
  aufgrund ihrer Rotation nicht bis ins Zentrum
  fallen.

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(No Transcript)
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Warum leuchten die Sterne?
Die Sonne ist hell, man spürt ihre Wärme ...
... verbrennt da etwas?
Quelle
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Idee die Sonne als riesiger Feuerball
Quelle
... bei der Verbrennung von Holz, Benzin, Erdgas
usw. werden Kohlenstoff C und Sauerstoff O in
Kohlen-dioxid CO2 umgewandelt und Energie wird
frei!
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Idee die Sonne als riesiger Feuerball
Bestünde die Sonne aus brennbaren Materialien,
so könnte sie nur 30000 (105) Jahre lang
leuchten!
Quelle
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Wie ist eigentlich die Materie aufgebaut?
Alle Stoffe sind aus Atomen aufgebaut.
Ein Atom besteht aus Protonen und Neutronen (im
Kern) und Elektronen (in der Hülle).
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Idee die Sonne als riesige Atombombe
Gewinnt die Sonne ihre Energie vielleicht aus
Kernspaltung?
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Idee die Sonne als riesige Atombombe
Energieerzeugung durch Kernspaltung funktioniert
nur mit speziellen Materialien, mit sogenannten
radioaktiven Elementen!
Quelle
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Lösung Kernfusion
Im Inneren von Sternen werden Atomkerne
nicht gespalten, sondern miteinander
verschmolzen!
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Extreme Zustände im Sterninneren
Im Inneren eines Sterns herrschen Temperaturen
von mehreren Millionen (106)C und die Teilchen
sind extrem dicht gepackt, 109 mal so dicht wie
Luft!
Quelle
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Sterne als Elementschmieden
In Sternen werden leichte Elemente (Wasserstoff,
Helium) zu schweren Elementen (Kohlenstoff,
Stickstoff, Sauerstoff) verschmolzen.
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Die Elemente auf der Erde
Interstellare Wolke
Elemente auf der Erde
Kernfusion in Sternen
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Wir sind alle Sternenstaub!
Die Erde, unser Körper, die Luft usw. ist aus
Elementen aufgebaut, die durch Fusion in
Sternen enstanden sind!
Quelle
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Kernfusion in der Sternentwicklung
Interstellare Wolke
Sonne 4 ½ Milliarden Jahre alt
Kollaps, Heizung einige Millionen Jahre
Kernfusion noch 6 Milliarden Jahre
Beruhigung einige 10 Millionen Jahre
Protostern
Roter Riesenstern
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Kernfusion in der Sternentwicklung
Die Lebensphase eines Sterns, in der er durch
Kernfusion Energie gewinnt, ist die längste!
Was passiert aber, wenn der Stern seinen
Treibstoff aufgebraucht hat?
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Am Ende eines Sternenlebens
Wenn der Treibstoff eines Sterns zu Ende geht...
...tritt wieder die Schwerkraft auf den
Plan.Der Stern kann der Schwerkraft nichts
mehr entgegensetzen und beginnt wieder zu
kollabieren!
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Am Ende eines Sternenlebens
... Sonne
Kollaps Explosion
Kollaps
Ausdehnung
weißer Zwerg
roter Riese
Supernova
Kollaps
Kollaps
Neutronenstern oder schwarzes Loch
weißer Zwerg
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Wissenswertes über weiße Zwerge

• Bei weißen Zwergen findet keine Kernfusion mehr
  statt.

• Sie sind einige tausend Kilometer groß, also
  viel kleiner als die Sonne!

• Sie sind hunderttausend mal so dicht wie die
  Sonne.

• Zu Beginn sind sie sehr heiß. Da keine
  Kernfusion mehr stattfindet, können sie keine
  Wärme mehr produzieren und kühlen langsam
  aus. Man kann sie dann immer schlechter sehen.

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Wissenswertes über Supernovae

• Eine Supernova ist eine Explosion eines Stern.
• Sie kann einige Tage lang heller strahlen als
  eine ganze Galaxie! So wurde beispielsweise
  in China im Jahr 1054 eine Supernova
  beobachtet. Heute sehen ihre Überreste so aus

Krebsnebel
Quelle
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Wissenswertes über Supernovae

• In einer Supernova werden schwere Elemente
  gebraut. Alle schweren Elemente, die es heute
  im Universum gibt (wie Eisen und Gold) sind
  auf diese Weise entstanden!

SN 1987Anach 20 Jahren
Quelle
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Wissenswertes über Neutronensterne

• Neutronensterne sind nur etwa 20 Kilometer groß,
  also viel kleiner als weiße Zwerge
• Sie sind zehntausend mal dichter als weiße
  Zwerge.
• Manche Neutronen- sterne senden Signale aus,
  ähnlich wie ein Leuchtturm. An den
  Blitzen, die wir dann sehen, erkennen wir
  sie. Diese Objekte heißen Pulsare.

Quelle
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Wissenswertes über schwarze Löcher

• Wenn keine Kraft den Kollaps eines Sterns
  aufhalten kann, entsteht ein schwarzes Loch.
• Aus einem schwarzen Loch kann nichts mehr
  entweichen, nicht einmal das Licht! Daher hat
  es auch seinen Namen.

• Manche schwarze Löcher haben einen
  Begleiter und saugen ihm Materie weg! Daran
  können wir sie erkennen.

Quelle
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Und nun...

• Jetzt wisst ihr,
• was Sterne sind,
• wie sie entstehen,
• warum sie leuchten und
• wie sie sich entwickeln.
• ? ... auf zur Rätsel-Rallye!

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Danke...
... für Eure Aufmerksamkeit! http//homepage.u
nivie.ac.at/franz.embacher/KinderUni2008/ http//
aeccp.univie.ac.at/ http//homepage.univie.ac.at/
harald.hoeller/