Astronomie-AG Gymnasium Himmelsthür


Diese Internet-Seiten sollen einen Einblick in die Arbeit unserer Astronomie-AG (gegr. August 2002) am Gymnasium Himmelsthür (Niedersachsen - Breite: 52,1° - Länge: 9,92°- Höhe: 81m über NN) geben.

Beschreibung der Astronomie-AG Teilnehmer der Arbeitsgemeinschaft Projekte und Kursprotokoll Links Leiter der AG: Dr. Carsten Obach

Zwei Dinge erfüllen das Gemüth mit immer neuer und zunehmender Bewunderung und Ehrfurcht, je öfter und anhaltender sich das Nachdenken damit beschäftigt: der bestirnte Himmel über mir und das moralische Gesetz in mir. Immanuel Kant (Kritik der praktischen Vernunft, 1788)

Beschreibung der Astronomie-AG Die Astronomie ist eine der ältesten und zugleich aktuellsten wissenschaftlichen Disziplinen. So erfährt sie gerade in den letzten Jahrzehnten eine stürmische Entwicklung und gibt uns neue Denkanstösse über unseren Platz im Universum. In der Astro AG soll die Faszination am Blick über den Horizont, den verschiedenartigsten Objekten im Universum und an der Frage nach dem Woher und Wohin aufgegriffen werden. Welche Themen in der Astro AG behandelt werden, soll gemeinsam mit den Akteuren, den Teilnehmerinnen und Teilnehmern, festgelegt werden. Die Angaben in diesem Abstract sind daher als Angebote zu verstehen. Mögliche Themengebiete könnten sein: Entstehung von Planeten- und Sonnensystemen, Suche nach extrasolaren Planeten gibt es Leben auf anderen Objekten in unserem Sonnensystem (Mars, Europa)? ‚Sind wir allein im Universum?’ Entstehung des Kosmos und sein Schicksal Weltmodelle (Urknalltheorie, expandierendes Universum, parallele Universen) Geburt, Leben und Tod der Sterne Kannibalismus im Universum Nachweis und Eigenschaften Schwarzer Löcher Galaxien und Quasare Astronomie mit dem Computer Berufsbild und Qualifikationen der Astronomin oder des Astronomen Groß- und Weltraumteleskope philosophische Konsequenzen Gefahr aus dem All Praktikumsversuche zur Astronomie weitere Vorschläge der Teilnehmerinnen und Teilnehmer Da die Möglichkeit besteht, die Teleskope unserer Schule zu benutzen und Hildesheim durch die Restaurierung des Gelben Turms über eine neue Volksternwarte verfügt, sollten wir davon auch Gebrauch machen. Wir können einerseits bei Tage die Sonne beobachten oder uns an Abenden treffen, um den Nachthimmel zu durchstöbern. So ist es natürlich – falls gewünscht - auch möglich, den Schwerpunkt unserer AG auf die Beobachtung zu legen und die Themen beobachtungsnah zu wählen. In den letzten Jahren sind mehrere internationale Astronomie-Schulprojekte aufgebaut worden. So kann man z.B. über das Internet Roboter-Teleskope auf entfernten Kontinenten steuern und dabei viel über internationale Kommunikation, Internettechnologien und Astronomie lernen. Der Einstieg in ein solches Projekt wäre deswegen zu überlegen. Exkursionen zu Sternwarten oder Planetarien können selbstverständlich auch Teil der AG sein. So kann ich beispielsweise den Besuch der Universitäts-Sternwarte Göttingen mit dem Hainberg-Observatorium anbieten. Leiter: Dr. Obach Zielgruppe: Schülerinnen und Schüler der Jahrgangsstufen 11 bis 13

"In der Astronomie blickt die Seele aufwärts und reist von dieser Welt zu einer anderen" Plato (428 - 348 v. Chr.)

Teilnehmer der Arbeitsgemeinschaft Die Astronomie-AG Himmelsthür wurde im August 2002 neu gegründet. Die Teilnehmer sind: Alexander Möller André Hartmann Arvi Hölscher Karen Kruska Marc Baxmann Marc Hauptmann Michael Schridde Robin Gawenda Stephan Kemnah

Als Albert Einstein vor einem ausgewählten Kreis über seine Relativitätstheorie sprach, stand ein zweifelnder Zuhörer auf und rief spöttisch: „Mein gesunder Menschenverstand lehnt alle Dinge ab, die man nicht sehen kann!“ Gelassen entgegnete Einstein: „Dann kommen Sie bitte nach vorn und legen Sie Ihren gesunden Menschenverstand hier auf den Tisch.“
Projekte und AG-Protokoll Die mittlere Dichte der Sonne Sonnenflecken Winkeldurchmesser der Sonne Die Astronomische Einheit und der Durchmesser der Sonne Die Astro-AG bei der Sonnenbeobachtung Die mittlere Dichte der Erde und Struktur des Erdinneren Die Masse unserer Erde Umlaufzeit eines Satelliten auf der Sonnenoberfläche Zerreißgeschwindigkeit für die Sonnenrotation Pulsare Pulsare als präziseste Uhren Die mittlere Dichte eines Neutronensterns Schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraße Sicherung der Erde in ihrer Umlaufbahn durch eine Stahlseil Bahngeschwindigkeit der Erde Eigenschaften eines Schwarzen Lochs Ereignishorizont und Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs Schwarzschild-Radius der Sonne und der Erde Einweihung der Volkssternwarte Gelber Turm in Hildesheim Die mittlere Dichte eines Schwarzen Lochs Leben im Kosmos Exoplaneten Entfernungsangaben im Universum SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) Suche nach Leben auf dem Jupitermond Europa Entfernungsbestimmung mit pulsierenden Sternen (Cepheiden) Schwingungsperiode des Cepheiden Entfernung des Cepheiden Sonnenbeobachtung im April Merkur-Transit Supernovae Vorbereitung der Aktivitäten der Astro-AG für das Schulfest Projekttage und Schulfest Montag 26.08.2002: 1. Treffen zur Terminabsprache Als Termin der AG haben wir donnerstags die 7.Stunde vereinbart. Wir treffen uns im Physik-Übungsraum. Donnerstag 29.08.2002 und Donnerstag 05.09.2002: Da ein Teilnehmer die aktuelle Frage mit in die AG brachte, ob "der Planet Saturn im Wasser schwimmen könne?" (Antwort: Da seine mittlere Dichte = 0,69 g/cm³beträgt, müsste er in einem geeignet-dimensionierten Wasserbecken schwimmen) haben wir uns als Einstiegsthema der mittleren Dichte unseres Zentralgestirns - der Sonne - zugewandt: Die mittlere Dichte der Sonne Die mittlere Dichte eines Körpers ist für den Astronomen eine wichtige Größe, da sie ihm gewissermaßen einen Blick ins Innere des Objekts ermöglicht. Die mittlere Dichte eines Körpers erhält man als Quotienten aus Masse und Volumen. Wenn wir uns nicht auf Literaturangaben verlassen wollen, kennen wir aber weder die Masse der Sonne noch ihr Volumen. Da der Gasball Sonne näherungsweise kugelförmig ist, können wir das Volumen durch den Sonnenradius ausdrücken: Volumen\|_Sonne = 4 pi /3 Radius\|_Sonne³Um den Radius der Sonne zu bestimmen, könnte man theoretisch hinfliegen und ihn messen. Die Masse wäre aber nicht auf diese Weise messbar. Den Zugang zum Wert der Sonnenmasse erhalten wir über die Gravitationswirkung der Masse: Die Erde umrundet die Sonne in einem Jahr einmal. Sie fliegt dabei auf einem nahezu kreisförmigen Orbit. Damit sie nicht aus ihrer Umlaufbahn fliegt, müssen die an ihr angreifende Zentrifugalkraft und die Anziehungskraft der Sonne im Gleichgewicht sein. Beim Gleichsetzen der Betrags der Anziehungskraft und der Fliehkraft haben wir festgestellt, dass sich die Masse der Erde herauskürzt. Interessanterweise folgt aus der Gleichung - wenn wir die Masse der Sonne als Volumen x Dichte schreiben - direkt eine Beziehung zwischen der mittleren Dichte der Sonne, der Umlaufzeit der Erde um die Sonne (= 1Jahr) und dem Verhältnis aus Sonnenradius und Abstand Erde-Sonne. Das Verhältnis von Sonnenradius zum Abstand Erde-Sonne lässt sich aber aus dem scheinbaren Winkeldurchmesser der Sonne direkt am Himmel bestimmen.
Mit dieser Erkenntnis, dass sich die mittlere Dichte der Sonne - ohne weitere Größen kennen zu müssen - direkt aus dem Winkeldurchmesser der Sonne am Himmel bestimmen lässt, haben wir uns dem praktischen Teil dieses Projekts zugewandt. Wir haben zur Mittagszeit unser Teleskop (Vixen-Refraktor) auf dem Schulhof des Gymnasiums aufgestellt und die Sonne im Projektionsverfahren betrachtet (Niemals durch ein Teleskop direkt in die Sonne schauen!!!). Vor unserer Messung haben wir die Sonnenflecken beobachtet. Sonnenflecken - in ihnen ist das Magnetfeld der Sonne besonders stark - sind im Vergleich zur sonstigen Sonnenoberfläche (5780 Kelvin) mit einer Temperatur von "nur" 3700 Kelvin kälter. Sie erscheinen wegen des Kontrasts schwarz. Schaut man sich die Flecken genauer an, so erkennt man, dass sie nicht gleichmäßig schwarz sind, sondern einen dunklen Kern (Umbra) und einen etwas helleren Randbereich (Penumbra) zeigen.
Das Bild oben rechts zeigt Sonnenflecken aus diesem Monat. Die Flecken erscheinen zwar klein gegenüber der ganzen Sonnenscheibe, man beachte aber, dass die Erde mehrfach in diese Flecken passen würde! Die Anzahl der Flecken auf der Sonne und damit die Sonnenaktivität ändert sich permanent. Sie folgt aber dem sogenannten 11jährigen Sonnenfleckenzyklus. Auf der Erde wird dadurch das Klima, der Funkverkehr und vieles andere beeinflusst. Statistiker wollen sogar herausgefunden haben, dass sich die Heiratshäufigkeit in Österreich nach dem 11jährigen Sonnenfleckenzyklus richtet..... Nun wieder zurück zu unserem Messvorhaben. Nach der Beobachtung der Sonnenflecken, haben wir den Winkeldurchmesser der Sonne bestimmt. Dazu haben wir die Zeit gestoppt, die die Sonne für den Durchlauf ihres Durchmessers benötigt. Ausgenutzt wird dabei der Effekt der täglichen Erddrehung. Die von uns gemessene Durchlaufzeit der Sonne betrug im Mittel: 131 Sekunden
Der von uns gefundene Wert für den Winkeldurchmesser der Sonne ist somit: alpha = 131 Sekunden / 24 Stunden x 360º = 0,546 º. Der zugehörige Wert für das Verhältnis aus Abstand Erde-Sonne und Sonnendurchmesser beträgt: 105,0. 105 x Sonnendurchmesser Ein Ergebnis unserer Messung ist also, dass die Sonne ungefähr 105 mal zwischen die Erde und Sonne passen würde. Hätte die Sonne also die Größe einer Pampelmuse, so würden wir uns auf der Erde, die dann von Stecknadelkopfgröße wäre, in einem Abstand von 10 Metern befinden. Mit obigem Ergebnis finden wir für die mittlere Dichte der Sonne = 1,310 g/cm³ = 1310 kg/m³. (Dabei haben wir die oben beschriebene Formel mittlere Dichte\|_Sonne=3 x pi/Gravitationskonstante x 1/(Umlaufzeit der Erde)² x (Abstand Erde-Sonne / Sonnenradius)³verwendet). Wichtig ist noch mal zu betonen, dass wir den Wert für die mittlere Dichte der Sonne direkt gemessen bzw. berechnet haben, ohne irgendwelche Größen in unserem Sonnensystem voraussetzen zu müssen! Ist schon ein wenig unheimlich, dass man die Dichte dieses unvorstellbar heißen Gasballs, Sonne, einfach so auf dem Schulhof messen kann ... . Im Anschluss an diese etwas anstrengende Rechnung haben wir einen Film (mit Beamer) über Entfernungen im Kosmos - von unserem Sonnensystem, über unsere Nachbarsterne zu den entferntesten Galaxien, den Quasaren - gesehen. Neben den unvorstellbaren Entfernungen wurde in dem Film darauf eingegangen, wie Astronomen - ohne Maßband - die Entfernungen bestimmen und welche vielfältigen Phänomene (Pulsierende Sterne, Super-Nova-Explosionen, Expansion des Kosmos, ...) aus unserem Kosmos dazu herangezogen werden. Die Reise hat also begonnen .... .
Donnerstag 12.09.2002: Wegen des schönen Spätsommertags haben wir das Wetter zur Sonnenbeobachtung ausgenutzt. Wieder haben wir - wie am 29. August - die Projektionsmethode verwendet. Wir konnten feststellen wie sich die Sonnenoberfläche in den zwei Wochen verändert hat: Es sind andere Sonnenfleckengruppen und ein besonders großer Fleck zu sehen. Das veränderte Bild der Sonne ist durch die Rotation der Sonne zu erklären. Die Sonne rotiert in ungefähr 27 Tagen einmal um ihre Achse. D.h. wir haben heute - relativ zu der Sonnenseite vor zwei Wochen - die Rückseite der Sonne gesehen. Neben dem Vixen-Teleskop hatten wir auch das Celestron-8-Teleskop mit auf der Terrasse. Das Vixen-Teleskop ist ein Linsenteleskop, auch Refraktor genannt. Das Celestron hingegen ist ein Spiegelteleskop (Reflektor) vom Typ Cassegrain mit einem 8-Zoll-Spiegel. Das Foto zeigt die Astronomie-AG mit dem Vixen-Teleskop auf der Westterrasse des Gymnasiums Himmelsthür. Um weitere Bilder zu sehen, klicke auf das Bild oder hier.

Donnerstag 19.09.2002: Die mittlere Dichte der Erde Um den Wert der mittleren Sonnendichte besser interpretieren zu können, ist es sinnvoll ihn mit den mittleren Dichten anderer Himmelskörper zu vergleichen. Deswegen haben wir uns überlegt, wie wir die mittlere Dichte unserer Erde - als ein Referenzobjekt für Himmelskörper mit fester Kruste (Lithosphäre) - bestimmen können. Da Dichte als Quotient aus Masse und Volumen definiert ist, ist die mittlere Dichte der Erde gleich der Erdmasse M_E geteilt durch das Erdvolumen V_E. Das Volumen lässt sich durch den Erdradius R_Eausdrücken: V_E = 4 pi /3 R_E³. Den Erdradius kann man nach der Methode von Eratosthenes (ca. 280-200 v.Chr.) aus dem Sonnenstand an zwei verschiedenen Orten auf der Erde bestimmen. Erathostehens führte seine Messungen in Alexandria und Syene in Ägypten durch und fand mit 6300 Kilometern einen erstaunlich guten Wert für den tatsächlichen Erdradius (R_E= 6370 km) (Man bedenke, dass man in unserer Kultur bis zum Mittelalter die Erde als Scheibe ansah.). Bestimmung der Masse der Erde M_E: Um die Masse der Erde zu bestimmen, greifen wir wieder auf die Anziehungskraft zwischen zwei Massen zurück: Die Gewichtskraft eines Körpers mit der Masse m auf der Erdoberfläche ist: F_G=m g. g ist dabei die Erdbeschleunigung. Andererseits wissen wir mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz, dass diese Gewichtskraft gleich der Anziehungskraft der Erdmasse auf die Masse m ist: Die Masse m entfällt also und wir erhalten somit für die Masse der Erde: Unbekannt sind jetzt noch die Gravitationskonstante G und die Erdbeschleunigung g. Die Gravitationskonstante lässt sich durch Messung der Anziehungskraft zwischen zwei schweren Kugeln messen. Henry Cavendish (1731-1810) maß als erster die Kraft zwischen zwei Bleikugeln mit der sogenannten Gravitationsdrehwaage. Die Messung wurde durch Eötvös noch weiter verfeinert. Er erhielt für die Gravitationskonstante den Wert: G = 6,67·10^-11Nm²/kg². Das Bild rechts oben zeigt die Gravitationsdrehwaage unserer Schule. Die Messung selbst wurde im Leistungskurs Physik durchgeführt, weswegen wir uns auf die Besprechung der Funktionsweise der Drehwaage beschränkten (siehe Bild rechts - zum Vergrößern einfach auf das Bild klicken). Jetzt fehlte uns zur Bestimmung der Erdmasse nur noch die Erdbeschleunigung g. Dazu verwendeten wir den Zusammenhang zwischen der Schwingungsperiode eines Pendels, der Pendellänge und der Erdbeschleunigung. Mit Stoppuhr und Pendel ausgerüstet haben wir die Messung durchgeführt und für g den Wert 9,94 m/s² gefunden (Literaturwert 9,81 m/s²). Mit den angegebenen Werten haben wir für die Masse der Erde den folgenden Wert gefunden: M_E= 6,0·10²⁴kg. Die mittlere Dichte der Erde beträgt somit nach unserer Rechnung: 5,54 g/cm³ = 5540 kg/m³. Abschließend konnten wir sogar feststellen, dass der Erdkern dichter sein muss als die Lithosphäre (Erdkruste). Warum? Normales Gestein, wie wir es auf der Erdoberfläche finden, hat eine Dichte von typischerweise 2,7 g/cm³. D.h. aber, dass im Erdinneren die Dichte höher sein muss, damit der mittlere Wert von 5,54 g/cm³ erreicht wird. Zusammenfassend können wir also feststellen, dass wir heute die Masse der Erde und den Wert ihrer mittleren Dichte bestimmt haben und nebenher auch sogar etwas über die innere Struktur der Erde gelernt haben.
Donnerstag 26.09.2002: Umlaufzeit eines Satelliten auf der Sonnenoberfläche und Zerreißgeschwindigkeit für die Sonnenrotation Wie groß wäre die Umlaufzeit eines Satelliten, der auf der Sonnenoberfläche um die Sonne kreisen würde? Zur Bestimmung der Umlaufzeit haben wir wieder die Bedingung des Gleichgewichts zwischen Fliehkraft und Gravitationskraft (siehe oben) verwendet und dabei den folgenden Zusammenhang gefunden: Die Umlaufzeit T_Satellitist also nur von der mittleren Dichte der Sonne abhängig! Mit dem von uns gemessenen Wert für die mittlere Dichte der Sonne, 1,310 g/cm³ = 1310 kg/m³, folgt für die Umlaufzeit T_Satellit= 173 min. Würde also ein Satellit direkt auf der Sonnenoberfläche um die Sonne kreisen, so würde er für einen Umlauf 173 Minuten benötigen. Welche weiteren Schlüsse können wir aus diesem Ergebnis ziehen? Wenn anstatt eines Satelliten sich die Sonnenoberfläche selbst mit einer Umlaufzeit von 173 min bewegen würde, so würde für die Materie der Sonnenoberfläche die Anziehungskraft gerade durch die Fliehkraft ausgeglichen werden. Würde die Sonne sich noch schneller drehen, so würde sie durch die Fliehkräfte zerrissen werden. Wir haben somit die Zerreißgeschwindigkeit für die Rotation der Sonne gefunden: Wäre die Rotationszeit der Sonne kürzer als 173 min, so würde die Sonne durch die Fliehkräfte zerrissen werden. Diese (Zerreiß-)Rotationszeit hilft uns das von uns beobachtete Bild der Sonne zu interpretieren. Das Bild der Sonne entspricht annähernd der Kreisform, d.h., dass die Sonne eine sehr geringe Abplattung aufweist. Wie wir nun aus der Überlegung zur Zerreißgeschwindigkeit wissen, liegt das an der im Vergleich zur Zerreißrotationsperiode von 173 min langen wahren siderischen Rotationsperiode von 25 Tagen. Die Berechnung der Fliehkraftbeschleunigung auf der Basis dieser Werte zeigt, dass die Fliehkraftbeschleunigung am Sonnenäquator nur 1/50000 der Gravitationsbeschleunigung beträgt, was die geringe Abplattung der Sonne quantitativ belegt. Können wir anhand unserer Messungen und Überlegungen sogar etwas über die mittlere Dichte eines Neutronensterns oder Pulsars aussagen? Mittlere Dichte eines Neutronensterns Nachdem wir die Zerreißrotationsperiode für die Sonne ausgerechnet haben, haben wir uns gefragt, ob wir diese Erkenntnisse nicht auch auf Pulsare anwenden können. Pulsare sind Neutronensterne mit sehr starken Magnetfeldern, die ein periodisches Lichtsignal - Lichtpulse - aussenden. Die Periode der Lichtpulse ist direkt mit der Rotationsperiode dieser Neutronensterne verknüpft. Pulsare sind so etwas wie die Leuchttürme des Universums. In der Abbildung unten ist das Lichtsignal des Pulsars im Krebsnebel (engl. Crab Pulsar bzw. Crab Nebula, M 1 oder NGC 1952) dargestellt. Dieser Pulsar entstand bei einer Supernova-Explosion, die von chinesischen Astronomen 1054 n. Chr. beobachtet wurde. Die Daten stammen vom European Southern Observatory (ESO) und wurden mit dem VLT (Very Large Telescope) aufgenommen (An dieser Stelle bedanken wir uns bei der ESO für die Daten). Auf der Ordinate ist die Intensität des Lichtsignals, auf der Abszisse die Zeit in Millisekunden aufgetragen. Die Auswertung der Daten liefert für die Rotationszeit des Pulsars 33 Millisekunden! Dieser Stern rotiert also in einer Sekunde 30 mal um die eigene Achse! Da das menschliche Auge zu träge ist, um 30 Lichtblitze pro Sekunde zeitlich auflösen zu können, gibt die folgende Audio-Datei die Lichtkurve des Crab-Pulsars als akustisches Signal wieder. Durch die akustische Wiedergabe kann man die 33 ms-Rotation hören. Beobachtet werden sogar Pulsare, die "1000 Umdrehungen pro Sekunde machen" (Millisekunden-Pulsare). Wir ahnen also schon, dass es sich bei diesen Sternen um einen exotischen Objekttyp handelt, der uns an die Grenzen unserer irdischen Vorstellungskraft bringt. Wusstest Du, dass Pulsare mit die besten Uhren des Universums darstellen? Für die Menschheit sind sie sogar die genauesten Uhren. Der Grund liegt in der außerordentlich genauen Periodizität ihrer Lichtpulse. Es gibt Pulsare "deren Uhr" in 10 Millionen Jahren nur um 1 Sekunde falsch geht. Im Vergleich dazu liegt die "Ganggenauigkeit" von Atomuhren bei 1 Sekunde Abweichung auf 1 Million Jahre. Jetzt wollen wir den Bogen wieder zurückschlagen zur Zerreißgeschwindigkeit eines Sterns. Nehmen wir doch mal an, dass unser Krebsnebel-Pulsar mit Zerreißgeschwindigkeit rotiert. Dann können wir aus der oben gefundenen Bedingung direkt seine mittlere Dichte ableiten: Mit der Rotationszeit von 33 Millisekunden finden wir für die mittlere Dichte des Pulsars = 1,3·10¹⁴ kg/m³ = 1,3·10¹¹ g/cm³. Da der Pulsar aber wahrscheinlich nicht-kritisch, d.h. mit einer Rotationsgeschwindigkeit, die kleiner als die Zerreißgeschwindigkeit ist, rotiert, ist seine mittlere Dichte wohl noch größer (Aufwändigere Rechnungen zeigen, dass die Dichte noch um einen Faktor 1000 größer ist! Ein Neutronenstern weist somit eine Dichte auf, die der Dichte in Atomkernen entspricht.). Wir sollten die von uns gewonnene Aussage, dass der Pulsar eine höhere Dichte als 1300000000000 g/cm³ hat, veranschaulichen: Ein Stück Neutronensternmaterie von der Größe eines Zuckerwürfels hat mindestens die Masse von 130000 Tonnen - also die Masse eines großen Öltankers! Die Masse der meisten beobachteten Neutronensterne beträgt das 1,4 fache der Masse unserer Sonne (M_Sonne = 2·10³⁰ kg) (aus theoretischen Überlegungen weiß man, dass die Masse der Neutronensterne oberhalb der Grenzmasse für Weiße Zwerge (Chandrasekhar-Limit) und unterhalb der Grenzmasse für den Kollaps zu einem Schwarzen Loch liegen muss). Über die Beziehung (Dichte = Masse / Volumen) lässt sich mit der abgeschätzten Dichte und Masse der Neutronensternradius bestimmen: Der Radius eines Neutronensterns liegt zwischen 10 und 16 Kilometern! Im Gegensatz zum Materiezustand, der Dichte, der Masse und der Magnetfeldstärke eines Neutronensterns passt der Durchmesser eines Neutronensterns wieder in unseren menschlichen Erfahrungshorizont: Der Neutronensterndurchmesser entspricht dem Durchmesser einer Großstadt. Die Konsequenzen einer derartigen Konfiguration sind vielfältig. Wir werden im weiteren Verlauf unserer AG wieder darauf zurückkommen. Greift man sich nur die Perspektive der astronomischen Beobachtung solcher kompakten Objekte heraus, so können wir schon folgendes feststellen: Mit der heutigen Teleskop-Technologie ist es noch nicht möglich Oberflächenstrukturen auf entfernten normalen Sternen direkt zu erkennen. Betonen sollte man, dass die Technologie schon weit fortgeschritten ist und hochkomplizierte Verfahren zur Verbesserung des Auflösungsvermögens von Teleskopen - wie z.B. adaptive Optiken - entwickelt wurden. Die Hürde liegt durch die enormen Entfernungen im Universum naturgegeben hoch. Die heutige Grenze des Möglichen zeigt uns das Weltraumteleskop Hubble, welches - ungestört durch die Erdatmosphäre - erste grobe Strukturen auf sogenannten Roten Riesen auflösen konnte. Rote Riesen weisen aber das millionenfache Volumen der Sonne auf, was die Bezeichnung "Riese" rechtfertigt. Damit wird klar, dass eine direkte Beobachtung von Strukturen auf Neutronensternen - jedenfalls momentan - aussichtslos ist. Von diesem Umstand sollte man sich aber nicht entmutigen lassen. Wie wir aus unseren bisherigen Überlegungen gelernt haben ist das Repertoire an Möglichkeiten, auf Umwegen Aussagen über astronomische Objekte oder Vorgänge zu treffen, enorm. Da wir bei den meisten entfernten Objekten nicht die Möglichkeit haben vor Ort - in situ - Messungen durchzuführen, sind diese "Umwege" mit die wichtigsten "Messinstrumente" der Astronomie. So nutzen Astronomen hinsichtlich der Neutronensterne Wechselwirkungen mit Materie im Umfeld der Neutronensterne, Materieeinfall auf die Neutronensterne, seismologische Untersuchungen anhand von Sternbeben (das Äquivalent zu Erdbeben), Sternbedeckungen in Doppelsternsystemen u.v.a. als Informationsquellen um etwas über die Struktur der Neutronensterne zu lernen. Im Laufe unserer AG sollten wir auf einige dieser astronomischen Methoden eingehen, da wir von Ihnen lernen können wie man an verwickelte Probleme herangehen und aus wenigen Informationen interessante Aussagen gewinnen kann. Organisatorisches: Als nächster Punkt steht ein Beobachtungsabend an der Volkssternwarte Gelber Turm auf unserer Tagesordnung. Außerdem wollen wir eine Exkursion zur Universitäts-Sternwarte Göttingen durchführen. Marc B. will sich bzgl. der Preise (evtl. Gruppenticket) bei der Deutschen Bahn informieren. Wir sind in das German Astronomical Directory (GAD) aufgenommen worden. Donnerstag 3. und 10.10.2002: Herbstferien Donnerstag 17.10.2002: Eingestiegen sind wir heute mit der Besprechung zweier aktueller Meldungen: In der ZDF-Sendung heute-journal wurde gestern Abend, gemeldet, dass die Indizien für die Existenz eines Schwarzen Loches im Zentrum unserer Milchstraße weiter stark zunehmen (Thema des Berichts: In der Mitte das Nichts: Neues aus dem Zentrum der Milchstraße). Heute wurde auf dem Weltraumbahnhof Baikonur (Kasachstan) der Satellit INTEGRAL gestartet. Der Satellit soll die Gamma-Strahlung aus den Mahlströmen (Akkretionsscheiben) materieverschlingender Schwarzer Löcher beobachten. Ebenso sollen mit diesem Gamma-Weltraumobservatorium Pulsare untersucht werden. Der erfolgreiche Start der Trägerrakete wurde heute Abend in der heute-Sendung gemeldet. Schwarze Löcher senden im Gegensatz zu vielen anderen kosmischen Objekten selbst kein Licht aus. Ihre Gravitation ist so stark, dass selbst Licht nicht aus ihnen entweichen kann. Wir können sie also nur indirekt über ihre gravitative Wirkung auf ihre Umgebung nachweisen. So verschlingen viele Schwarze Löcher in den genannten kosmischen Mahlströmen Gas und Sterne aus ihrem Umfeld. Bei diesem Prozess wird die Gravitationsenergie der Materie meist enorm effizient in Form von Strahlung freigesetzt, weswegen diese Systeme zu den leuchtkräftigsten Objekten in unserem Universum gehören. Einige dieser Schwarzen Löcher schlummern aber vor sich hin, da sie sozusagen auf Diät gesetzt sind. Es befindet sich keine Materie mehr in ihrer Umgebung, die sie verschlingen könnten. Ein solches Schwarzes Loch wird im Zentrum unserer Milchstraße vermutet. Der Nachweis dieses Schwarzen Loches basiert methodisch gesehen auf den gleichen Verfahren, wie auch wir sie in den vergangenen Wochen unserer Astro-AG immer wieder verwendet haben. Man versucht Sterne zu finden, die möglichst nahe um das Zentrum (im Sternbild Schütze) unserer Galaxis kreisen. Schafft man es ihre Geschwindigkeit und den Radius ihrer (Kreis-)Bahn zu bestimmen, so kann man analog zu unseren Überlegungen die Masse des Zentralobjekts bestimmen. Ist der Bereich im dem sich das Zentralobjekte befindet relativ klein (er muss sowieso kleiner als der Bahnradius der Sterne sein), so sind das sehr sichere Indizien dafür, dass das Zentralobjekt ein Schwarzes Loch ist. Wir werden im Verlauf unserer AG noch detaillierter auf Schwarze Löcher eingehen. Zwei hervorzuhebende Punkte haben wir aber bei diesem Exkurs erkannt: Zum Verständnis und zur Analyse vieler Systeme ist es wichtig die Kreisbewegung (Kepler-Bewegung) um ein Zentralobjekt (Erde, Sonne, Neutronenstern, Schwarzes Loch ...) zu verstehen. Das von uns gewonnene Wissen ist übertragbar auf verschiedenste Systeme (z.B. Schwarze Löcher) in unserem Kosmos. Auch das folgende Problem beschäftigt sich mit der Kreisbewegung: Sicherung der Erde in ihrer Umlaufbahn durch ein Stahlseil Wenn jemand eines Tages die Gravitation zwischen Sonne und Erde abschalten würde, was wäre die Folge für uns? Die Erde würde mit ihrer momentanen Geschwindigkeit aus dem Orbit in die Weite des Alls geschleudert werden und sich durch das fehlende Sonnenlicht in einen Gefrierschrank verwandeln. Würde man - um diesem katastrophalen Fall vorzubeugen - zwischen Sonne und Erde ein Stahlseil anbringen, wie müsste es dimensioniert sein (welchen Querschnitt müsste es haben?)? Die Auflösung findest Du durch klicken des Bildes. Donnerstag 17.10.2002 + 07.11.2002: (Do 31.10. = keine AG, da Reformationstag) Eigenschaften eines Schwarzen Lochs Heute haben wir uns den letzte Woche angesprochenen Schwarzen Löchern zugewandt. Nach einer Vorbesprechung haben wir einen Film (mit Beamer) über stellare und galaktische Schwarze Löcher gesehen. Stellare Schwarze Löcher stellen den Endzustand eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens dar. Galaktische Schwarze Löcher hingegen befinden sich in den Zentren vieler Galaxien (siehe das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße von letzter Woche). Sie haben die millionen- bis milliardenfache Masse unserer Sonne. Nach dem Film haben wir uns gefragt, was ein Schwarzes Loch überhaupt ist? Der Begriff Schwarzes Loch kursiert zwar in vielen Medien, wird aber meist nicht definiert. Fragt man sich, welche primären Eigenschaften ein Schwarzes Loch hat, so ist die Antwort eigentlich ziemlich einfach: Um ein Schwarzes Loch physikalisch zu beschreiben, braucht man nur drei Größen des Schwarzen Lochs zu kennen: Seine Masse, seinen Drehimpuls (d.h., ob das Schwarze Loch rotiert) und seine elektrische Ladung. Uns soll im weiteren nur die Masse interessieren, da die Masse bei einem Schwarzen Loch die wichtigste Größe ist. Wir sollten die Tragweite dieser Erkenntnis betonen: Wir wissen alles über ein Schwarzes Loch, wenn wir seine Masse kennen. Somit ist ein Schwarzes Loch ein viel einfacheres Gebilde als ein Stern, ein Planet oder ein Mensch (Man überlege sich wie viele Parameter man bräuchte um diese zu beschreiben: die Elementzusammensetzung, die Form der Kontinente, die Haarfarbe, die Schuhgröße, die Lieblingsmusik, ....!). Der Umstand, dass ein Schwarzes Loch nur durch seine Masse (,den Drehimpuls und die Ladung) beschrieben werden kann, wurde erst 1983 mit dem sog. NO-HAIR-THEOREM bewiesen. Mit dem Satz "Schwarze Löcher haben keine Haare!" wird die Einfachheit hinsichtlich der Parameter eines Schwarzen Lochs ausgedrückt. Die "Oberfläche" eines Schwarzen Lochs Im Gegensatz zu anderen Himmelskörpern hat ein Schwarzes Loch keine materielle oder feste Oberfläche. Will man, wie bei einem anderen Körper, die Oberfläche als Trennfläche zwischen Innenwelt des Objekts und Außenwelt definieren, so entspricht der sogenannte Ereignishorizont der Oberfläche eines Schwarzen Lochs. Der Ereignishorizont stellt die Sphäre um ein Schwarzes Loch dar aus der nichts - auch kein Licht - mehr entweichen kann. Obwohl ein Schwarzes Loch eigentlich eine unendliche hohe Raumkrümmung in einem Punkt - eine sogenannte Singularität - darstellt, kann man somit über die Definition des Ereignishorizonts als Oberfläche dem Schwarzen Loch eine (räumliche) Größe zuweisen. Der Radius der Ereignishorizont-Kugel um die Singularität wird Schwarzschild-Radius genannt. Die Bezeichnung Schwarzschild-Radius geht auf den Astrophysiker Karl Schwarzschild (1873-1916) zurück. Karl Schwarzschild wirkte als Direktor der Sternwarte Göttingen und leitete das astrophysikalische Observatorium in Potsdam. Oben sagten wir, dass wir alles über ein Schwarzes Loch wissen, wenn wir seine Masse kennen. Deswegen kann der Schwarzschild-Radius nur von der Masse eines Schwarzen Lochs abhängen. Für den Schwarzschild-Radius R_S eines Schwarzen Lochs der Masse M gilt: (G ist die Gravitationskonstante, c die Lichtgeschwindigkeit) Der Ausdruck für den Schwarzschildradius wird einfacher zu handhaben, wenn man die Masse in Einheiten der Sonnenmasse (M_Sonne = 2·10³⁰kg) angeben kann. Deswegen formen wir folgendermaßen um: Setzt man die oben gefundenen bzw. angegebenen Werte für die Gravitationskonstante G=6,67·10^-11Nm²/kg², die Sonnenmasse M_Sonne = 2·10³⁰kg und die Lichtgeschwindigkeit c=300000km/s ein, so erhält man für den Schwarzschild-Radius: Folglich hat die Sonne einen Schwarzschild-Radius von 3 Kilometern. Nach der Formel ergibt sich für den Schwarzschild-Radius eines Neutronensterns mit der 1,4fachen Masse der Sonne der Wert 4km. Wir sehen daran, dass der tatsächliche Radius eines Neutronensterns von 10 Kilometern nicht sehr viel größer ist. Ein Neutronenstern stellt somit das kompakteste Objekt vor dem Extrem eines Schwarzen Lochs dar. Übung: Berechne den Schwarzschild-Radius R_S für unsere Erde unter Verwendung der oben gefundenen Masse der Erde. Lösung: Die Masse der Erde beträgt M_E= 6,0·10²⁴kg. Man erhält somit für den Schwarzschild-Radius R_S der Erde: Ein Schwarzes Loch mit der Masse der Erde hätte also die Größe der nebenstehenden Kreisscheibe: Bedenke aber: Auch wenn dieses Schwarze Loch recht handlich erscheint, so unterschätze seine Wirkung nicht. So wirst Du von diesem Schwarzen Loch im Abstand von 50 cm vor deinem Bildschirm mit einer Kraft angezogen, die die Schwerkraft, die dich auf dem Stuhl hält, um das10¹⁴fache übertrifft. Es würde dich - vorsichtig ausgedrückt - also nicht auf deinem Stuhl halten und auch das Festhalten am Stuhl würde wenig nützen. Freitag 08.11.2002: Einweihung der Volkssternwarte Gelber Turm in Hildesheim: Am 8.11.2002 wurde die Volkssternwarte Gelber Turm mit einer Abendveranstaltung offiziell eröffnet. Der Einweihungsabend wurde auch von den Teilnehmern der Astro-AG Himmelsthür und weiteren interessierten Schülerinnen und Schülern des Gymnasiums Himmelsthür besucht. Eröffnet wurde die Veranstaltung im Riedel-Saal der VHS Hildesheim durch kurze Ansprachen von Herrn Kretschmer (Verein zur Rettung des Gelben Turms), Frau Conrady (Bürgermeisterin der Stadt Hildesheim) und Herrn Heringslake (Beobachtergruppe der VHS Hildesheim). Im Anschluss hielt Herr Dr . Obach (promovierter Astrophysiker, Systemanalytiker und Studienreferendar am Gymnasium Himmelsthür) den Festvortrag des Abends. Das Thema seines Vortrags war "Geburt, Leben und Tod der Sterne". In einer 45minütigen Reise durch den Lebenszyklus der Sterne präsentierte Herr Dr. Obach Originalaufnahmen der verschiedenen Phasen im Leben eines Sterns und zeigte die enge Verknüpfung unserer Existenz mit dem Leben und Schicksal der Sterne auf. Nach dem Auftakt in der VHS ging es zum Gelben Turm. Dort wurde hoch auf dem Gelben Turm unter der 5,50m-Kuppel das neue 60cm-Cassegrain-Spiegelteleskop gezeigt und Fragen bzgl. des Aufbaus des Teleskops und der Funktionsweise der Teleskopmontierung und -nachführung beantwortet. Die mittlere Dichte eines Schwarzen Lochs Ausgangspunkt unserer Reise war die Bestimmung der mittleren Dichte der Sonne. Neben der mittleren Dichte unseres Zentralgestirns haben wir inzwischen aber auch einiges über die mittlere Dichte unserer Erde sowie der Planeten unseres Sonnensystems und über die Kompaktheit von Neutronensternen gelernt. Können wir sogar auch etwas über die mittlere Dichte von Schwarzen Löchern sagen? Nach dem "NO-HAIR-THEOREM" kann die Dichte auch nur wieder von der Masse des Schwarzen Lochs abhängen. Die mittlere Dichte ergibt sich aus dem Verhältnis von Masse und Volumen des Schwarzen Lochs: . Dabei haben wir für das Volumen des Schwarzen Lochs die Ereignishorizont-Sphäre verwendet. Setzen wir die obige Beziehung für den Schwarzschild-Radius ein, so erhalten wir für die mittlere Dichte eines Schwarzen Lochs: . Mit dieser Formel können wir für Schwarze Löcher verschiedener Masse die mittlere Dichte bestimmen und die Abhängigkeit der mittleren Dichte von der Masse studieren. Wie die Formel zeigt, nimmt die mittlere Dichte eines Schwarzen Lochs mit der Masse ab. Als Folge wird die mittlere Dichte eines Schwarzen Lochs während des Akkretionsprozesses - dem Verschlingen von Materie - kleiner! Für ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne finden wir für die mittlere Dichte einen unvorstellbaren Wert, der weit über dem der Dichte von Kernmaterie liegt: 10¹⁶ g/cm³ (Ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Erde hätte sogar einen mittlere Dichte von 10²⁷g/cm³!). Dies gilt für Schwarze Löcher mit einer Masse von 10⁸-10⁹ Sonnenmassen, die man als "materieverschlingende Monster" im Zentrum von aktiven Galaxien vermutet, nicht mehr. Hier finden wir etwas, was wir intuitiv nicht erwartet hätten: Da die mittlere Dichte antiproportional zum Quadrat der Masse des Schwarzen Lochs ist, ist ihr Wert um den Faktor 10¹⁶-10¹⁸kleiner. Die mittlere Dichte eines solchen galaktischen Schwarzen Lochs entspricht ungefähr der von der Luft, die uns umgibt (1g/l). Donnerstag 14.11. und 21.11.2002: Leben im Kosmos Inspiriert durch den Vortrag von Herrn Dr. Obach zur Einweihung der Sternwarte Gelber Turm schlugen Teilnehmer der AG vor, das Thema "Leben im Kosmos" anzugehen. Exoplaneten NASA astrobiology ( roadmap ) The Extrasolar Planets Encyclopaedia "Manchmal glaube ich, der beste Beweis dafür, dass es anderswo intelligentes Leben gibt, ist der, dass noch niemand versucht hat, Kontakt zu uns aufzunehmen." Calvin zu Hobbes Donnerstag 28.11.2002: Da gestern eine Diskussion zu den Ansätzen der Astrologie entstand, hatte heute André aus diesem aktuellem Anlass seinen Gyro-Twister mitgebracht. Die Teilnehmer der AG konnten seine Funktion testen und dabei die Parallelen zu einem Kreisel diskutieren. Ein Gyrometer (Kreisel) diente uns anschließend als Modell der Erdrotation und der Präzession der Erdachse. Die Periode der Präzession der Erdachse beträgt 26000 Jahre. Als Folge wandert auch der Himmelsnordpol auf einem Kreis am Himmel. Die drastischen Konsequenzen für die Grundlagen der Astrologie wurden diskutiert und Widersprüche aufgezeigt. Im Anschluss haben wir zum weiteren Einstieg in das Thema Leben im Kosmos eine Dokumentation mit dem Thema Sind wir allein? gesehen. Donnerstag 05.12.2002: Zum Einstieg schauten wir heute einen Film über die Entdeckung von Exoplaneten. In der Dokumentation wurde geschildert wie vor einigen Jahren die ersten Planeten in anderen Sonnensystemen entdeckt wurden. Ferner wurde von einer Planetenjägerin und einem Planetenjäger aus den USA ein Einblick in den aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet gegeben. Im zweiten Teil der Stunde haben wir uns versucht die unfassbar großen Entfernungen im Kosmos zu vergegenwärtigen. Entfernungsangaben im Universum: Gibt man astronomische Entfernungen in den physikalisch üblichen Maßeinheiten m oder km an, so sind sie meist kaum vorstellbar. Eine Vorstellung gewinnt man eher durch den Vergleich mit anderen kosmischen Entfernungen. In unserem Sonnensystem eignet sich daher der Abstand der Erde von der Sonne, die sogenannte Astronomische Einheit, als Entfernungsskala: Entfernungseinheit: Astronomische Einheit (AE, bzw. AU engl.1 AE = Abstand der Erde von der Sonne ) = 149 Millionen Kilometer = 1,49 10⁸km Außerhalb des Sonnensystems wird das Lichtjahr verwendet: 1 Lichtjahr = Strecke, die Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt Lichtgeschwindigkeit c = 300000 km/s 1 LJ = c ·1Jahr = 300000 km/s · 365·24 ·60·60 s = 9,46 ·10¹²km in Astronomischen Einheiten: 1 LJ = 63271 AE in engl. ly für light year Neben dem Lichtjahr gibt es eine weitere gebräuchliche Einheit, das Parsec: 1 Parsec = 3.26 LJ = 206265 AE Eine gute Beschreibung von Entfernungen im Kosmos ist auch hier zu finden. Donnerstag 12.12.2002: Heute haben wir uns zunächst weiter mit Entfernungen im Kosmos und den gebräuchlichen Entfernungseinheiten der Astronomie beschäftigt. Danach haben wir den letzten Teil der Dokumentation zu der Suche nach Außerirdischem Leben gesehen. Das nächste Mal wird Robin uns einen Überblick über das SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence)-Projekt geben. Donnerstag 19.12.2002: Heute haben wir bei Kaffee und Keksen unser Treffen zur freien Diskussion über die zurückliegenden und weiteren Themen unserer AG genutzt. Frohe Weihnachten wünscht die Astronomie-AG Himmelsthür! Donnerstag 26.12.2002 und 2.01.2003: Weihnachtsferien Donnerstag 09.01.2003: Robin hat heute einen sehr interessanten Vortrag über das SETI@home -Projekt gehalten und uns von seinen Erfahrungen berichtet. Er machte uns klar, wie die Daten aus dem Weltraum von riesigen Radioteleskopen aufgefangen, in Pakete aufgeteilt und an die Teilnehmer des Projekts verschickt werden. Außerdem besprach er die Problematik - wie "richtige" Signale von außerirdischen Zivilisationen von Störsignalen zu trennen sind. Das Projekt stellt eine enorme Herausforderung dar - vielleicht vergebens - aber genauso kann es morgen unsere Welt und unser Weltbild völlig verändern. Weiteres ist auch unter diesem Link zu finden: www.alien.de/seti. Das Projekt in den USA ist hier: . Das nächste Mal gehen wir unter der Expertenhilfe von Robin und Michael in die Anwendungsphase des Projekts. Außerdem haben wir geplant, dass uns Arvi in das Projekt nach der Suche von Leben auf dem Jupitermond Europa eine Einführung geben wird. Donnerstag 16.01.2003: Diesen Donnerstag haben wir uns direkt auf der Homepage des SETI-P rojekts umgeschaut. Robin zeigte uns, wie das Runterladen der einzelnen Datenpakte geht und wie man sich bei dem Projekt als User anmelden kann. Beim Besprechen des Analyse-Verfahrens stießen wir auf den Begriff Fast Fourier Transformation. Herr Dr. Obach veranschaulichte uns wie durch eine Fourier Transformation das Spektrum eines Zeitsignals erzeugt wird. Im Spektrum können wir erkennen, welche Frequenzen in dem Signal sind. Dies ist analog zur Spektralanalyse des Lichts. Hier wird mit einem Prisma oder einem Gitter ein Spektrum eines Lichtsignals erzeugt. Das Prisma oder das Gitter fungiert dabei sozusagen als Fourier-Transformations-Gerät. Abschließend haben wir uns den Datenfluss (Weltall - Radioteleskop - Empfänger - Zentralrechner - Internet - Computer von 4 Millionen Usern weltweit - Zentralrechner) beim SETI-Projket klargemacht und uns vergegenwärtigt, wie viel Technologie in dem Projekt steckt. (Bild: Film Contact ) Donnerstag 23.01.2003: Das Thema LEBEN AUF DEM JUPITERMOND EUROPA kursiert aktuell in den Medien. Raumsonden sind auf dem Weg zu Europa und weitere Missionen, bei denen der Eispanzer des Mondes (s. Bild rechts) durchdrungen werden soll, sind geplant. In diesem Zusammenhang wird auch die Suche nach Leben in einem See unter dem Eispanzer der Antarktis, dem Wostok-See, vorangetrieben. Bei beiden Vorhaben ist aber auch Vorsicht geboten, da unbedingt sicher gestellt werden muss, dass der Mond bzw. der See nicht durch mitgebrachtes Leben "verschmutzt" wird. Ein Beweis des Vorhandenseins von Leben wäre nach eine Verschmutzung nicht mehr zu führen. Arvi führte uns heute in einem sehr guten Vortrag in die Thematik ein. Das von ihm erstellte Word-Dokument mit dem Vortragsinhalt ist hier zu finden. Donnerstag 30.01.2003: Unseren Halbjahresabschlusstermin nutzten wir um über den Verlauf des Halbjahres zu sprechen und sich daraus ableitende Fragestelungen zu diskutieren. Donnerstag 13.02. und 20.2.2003: Auch in diesem Halbjahr treffen wir uns wieder donnerstags in der 7. Stunde im Physikbereich oder den Computerräumen. Wir freuen uns, dass eine neue Teilnehmerin, Karen Kruska, zu unserer AG hinzugestoßen ist. Heute haben wir verschiedene Themenvorschläge besprochen, so u.a. die geplante Mission zum Mars und die Einarbeitung in ein Programm mit dem Original-Aufnahmen verschiedenster astronomischer Objekte (Mond, Planeten, Kometen, Sterne, Nebel, Galaxien, etc.) analysiert werden können. Die genaue Themenfestlegung für die nächsten Wochen werden wir das nächste Mal vornehmen. Ferner stellte uns Herr Dr. Obach zum Abschluss unseres Themas, Leben im Kosmos, noch eine Multimedia-CD von Stephen Hawking mit dem Thema Leben im Kosmos vor. Mit der CD kann man zu Hause noch mal durch das weite Feld dieses Themas streifen und sich in Schwerpunkthemen mit faszinierenden Fragestellungen zu dem Leben an sich, dem menschlichen Leben und der möglichen Existenz anderer Lebensformen beschäftigen. Donnerstag 27.02.2003: Entfernungsbestimmung mit pulsierenden Sternen, heißt unser neues Thema. Bei dieser Methode wird eine bestimmte Klasse pulsierender Sterne verwendet, die sogenannten Cepheiden. Bei Cepheiden, die wegen ihrer Bedeutung für die Entfernungsmessung im Kosmos auch Standardkerzen des Universums genannt werden, handelt es sich um pulsierende Gelbe Überriesen, deren Leuchtkraft regelmäßig schwankt. Benannt sind diese Sterne nach ihrem Prototypen, Delta-Cephei, dem vierthellsten Stern im Sternbild Cepheus. Heute sind wir nach einer kurzen Einführung zu den Grundlagen unseres Projekts mitten in die Thematik hineingesprungen: Wir haben Daten, die mit einem Teleskop und einem CCD-Detektor aufgenommen wurden, analysiert. Zunächst war dazu eine kurze Einarbeitung in ein Softwareprogramm namens HOU (Hands-On-Universe) notwendig. Nachdem wir die wichtigsten Möglichkeiten des Programms kennen gelernt hatten, haben wir Aufnahmen von 8 Nächten (aus einem Zeitraum von 15 Tagen) des gleichen Himmelsausschnitts untersucht. Dabei mussten wir feststellen, dass wir die Daten wegen verschiedener Einflüsse wie z.B. Wetterverhältnisse, Belichtungszeit, Aufnahmezeitpunkt, usw. nicht absolut sondern nur relativ vergleichen dürfen: Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, haben wir einen Referenzstern im Aufnahmefeld verwendet, dessen Leuchtkraft (Leistung) als konstant bekannt ist. Wie wir auf den Aufnahmen leicht erkennen konnten, veränderte sich auch seine scheinbare Helligkeit stark von Tag zu Tag (nicht nur die des Cepheiden). Diese Änderungen sind auf die genannten Einflüsse - wie z.B. das Wetter - zurückzuführen. Um die wahre Helligkeitsänderung unseres Cepheiden herauszubekommen, müssen wir also das Verhältnis seiner scheinbaren Helligkeit zu der des Referenzsterns betrachten. Durch dieses Verfahren können wir die ungewollten Einflüsse durch Quotientenbildung sozusagen "herauskürzen". Damit haben wir gelernt, wie man Daten in diesem Fall, aber auch in anderen Zusammenhängen, normieren kann. Ziel der Analyse ist die Helligkeits- bzw. Leuchtkraftänderung eines Sterns aus der Aufnahmeserie zu bestimmen. Die ermittelten Daten wurden sofort in ein Tabellenkalkulationsprogramm übertragen und grafisch dargestellt (s. Abb.). Die genaue Interpretation der bisherigen Ergebnisse werden wir uns das nächste Mail vornehmen. Donnerstag 6.03.2003: Schwingungsperiode des Cepheiden Heute haben wir - nachdem wir uns die Problemstellung nochmal vergegenwärtigt haben - die Ergebnisse unserer Datenanalyse mit dem HOU-Programm (siehe Diagramm oben rechts) interpretiert: Der Stern schwingt (pulsiert) mit einer Periode von 7,5 Tagen (Mittelwert unserer Messungen) um einen Gleichgewichtswert, der im Diagramm oben bei der normierten Helligkeit 0,3 liegt (normierte Helligkeit = Verhältnis der Zählrate des Cepheiden zur Zählrate des Referenzsterns). D.h. in 7,5 Tagen bläht sich der Stern einmal auf, erreicht seine maximale Ausdehnung, schwingt wieder zurück über die Gleichgewichtslage (mittlerer Radius) hinweg bis seine Kontraktion im unteren Umkehrpunkt zum Stehen kommt und er sich wieder ausdehnt. Nach 7,5 Tagen beginnt die Schwingung von vorn. Man kann sich die Schwingung so wie bei dem Stern links vorstellen. Allerdings beträgt seine Schwingungsperiode 7,5 Sekunden statt 7,5 Tage. Mit der für andere Cepheiden gemessenen Perioden-Leuchtkraft-Beziehung können wir nun die Leuchtkraft (Leistung) unseres Cepheiden bestimmen. Zu einem endgültigen Wert für die Leuchtkraft des Cepheiden sind wir heute noch nicht gekommen. Erste Vorabrechnungen deuten darauf hin, dass der Stern eine 2900 bis 3500 mal größere Leuchtkraft (Leistung) als unsere Sonne hat. Die Leuchtkraft (Leistung) unserer Sonne beträgt: L_Sonne = 3.83 x 10²⁶ W. Das nächste Mal werden Marc Hauptmann und Karen Kruska die AG leiten, da Herr Dr. Obach an der Universität Oldenburg ist. Geplant ist die Bestimmung der Leuchtkraft des Cepheiden fortzuführen und anschließend die Entfernung des Cepheiden von der Erde zu bestimmen. Die anderen wollen zum nächsten Mal historische Hintergründe des Verfahrens erarbeiten. Dabei sei im Besonderen der Name Henrietta Leavitt erwähnt. Donnerstag 13.03.2003: Schwingungsperiode des Cepheiden (Fortsetzung von Karen Kruska und Marc Hauptmann)

Leiter: Dr. Obach