Von Wolken, Riesen und Schwarzen Löchern Eine Rätselreise durch das Leben der Sterne Franz Embacher, Harald Höller Christian Primetshofer, Birgit Schörkhuber Abstract:Wie entstehen leuchtende Gasriesen? Welche Faktoren bestimmen ihre Entwicklung? Wird ein Stern am Ende seines Lebens zum Roten Riesen, zum Weißen Zwerg oder gar zum Schwarzen Loch? In diesem Workshop gehst du den Fragen rund um die Entwicklung der Sterne auf den Grund und tüftelst bei der Rätselrallye! Fakultät für Physik Österreichisches Kompetenzzentrum für Didaktik der Physik Universität Wien Workshop im Rahmen der KinderUni Wien 2008, 15. Juli 2008

Der Sternenhimmel Das Band der Milchstrasse - viele, viele Sterne! In einer klaren Nacht sieht man etwa 3000 Sterne Quelle

Mehr Sterne findet man ... ..in anderen Galxien Eine Galaxie besteht aus ungefähr 100 Milliarden Sternen! Quelle

Auf einem kleinen Fleck am Himmel ... soo viele Galaxien! Man schätzt, dass es im Universum mehr als 100 Milliarden Galaxien gibt! Quelle

„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!

Geht’s auch einfacher? WissenschafterInnen schreiben: 100 = 10*10 = 10² sprich: „Zehn hoch zwei“ 1000= 10*10*10 = 10³ sprich: „Zehn hoch drei“ 10000= „Zehn hoch ?“ 10000=10*10*10*10= 104 sprich: „Zehn hoch vier“

„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!

Ein Stern aus der Nähe

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“. Die Sonne aus der Nähe Quelle

Wie groß ist die Sonne?

Die Sonne im Größenvergleich

... und es geht noch größer!

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

Die Farben der Sterne Je nach Temperatur der Oberfläche sendet der Stern rötliches oder bläuliches Licht aus. Blaue Sterne sind heißer als rote! Quelle

Woraus entstehen Sterne? In einer Galaxie befinden sich zwischen den Sterne viele, riesige Gaswolken. Man nennt diese Wolken auch „interstellares Medium“. „interstellar“ ist lateinisch und bedeutet „zwischen den Sternen“. Sterne entstehen in den Wolken des „interstellaren Medium“. Quelle

Sternentstehungsgebiete von fern ... Quelle

Sternentstehungsgebiete Der Pferdekopfnebel in Sternbild Orion … und nah

Wolken und junge Sterne Sternenhaufen NGC 602 Quelle

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

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 > 1 000 000 °C = 106 °C Im Würfel wären nur ca. 100 Teilchen !! T< -250 °C (unglaublich kalt!) Im Würfel wären über 10 000 000 000 = 1010 Teilchen 1 Meter 1 Meter 1 Meter

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

Dunkelwolken Sterne entstehen in den sehr kalten und dichten Dunkelwolken Quelle

Aber: Wie können aus kalten, dunklen Wolken heiße, helle Sterne entstehen ???

Die Schwerkraft (Gravitation) Quelle

Massen ziehen einander an! Quelle

Der Beginn eines Sternenlebens Wie entsteht ein Stern?

Eine interstellare Wolke ... ist an manchen Stellen dichter als an anderen.

Eine interstellare Wolke...

Eine interstellare Wolke... ...zieht sich unter dem Einfluss ihrer Schwerkraft zusammen...

Eine interstellare Wolke... „Kollaps“ ...wird kleiner...

Eine interstellare Wolke... ...und kleiner...

Eine interstellare Wolke... ...und kleiner...

Eine interstellare Wolke... ...und kleiner ... und dichter und heißer...

Eine interstellare Wolke... ...und beginnt schließlich zu leuchten!

Eine interstellare Wolke... Ein Protostern!

Eine interstellare Wolke... Schließlich ist die Materie so dicht, dass sie den Kollaps aufhält!  Stern!

Flash Movie Protostern

Sternentstehungsgebiete Sterne entstehen in Gruppen Aktives Sternentstehungsgebiet NGC604 mit einem Durchmesser von 1.300 Lichtjahren im Dreiecksnebel M33. NGC604 Quelle

Sternentstehungsgebiete Adlernebel Aufnahme des Adlernebels mit dem Hubble-Weltraumteleskop (Falschfarben-Darstellung) Quelle

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?) Der Faktor zwischen Luft und einer Molekülwolke (10^3 H2/cm^3) ist ca. 10^17. (Zwischen der Teilchenzahl- und der Massendichte ist nur etwa eine Größenordnung Unterschied.) Wo kommen die Planeten her? Sie entstehen aus den Teilen der Wolke, die aufgrund ihrer Rotation nicht bis ins Zentrum fallen.

Warum leuchten die Sterne? Habt Ihr Ideen, warum die Sonne so hell leuchtet? Woher hat sie die Energie, die sie zum Leuchten braucht? Wisst Ihr, wie lange die Sonne schon leuchtet? 4½ Milliarden Jahre!

Warum leuchten die Sterne? Die Sonne ist hell, man spürt ihre Wärme ... ... verbrennt da etwas? Quelle

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!

Idee: die Sonne als riesiger Feuerball Bestünde die Sonne aus brennbaren Materialien, so könnte sie nur 30000 (~105) Jahre lang leuchten! Quelle

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).

Idee: die Sonne als riesige „Atombombe“ Gewinnt die Sonne ihre Energie vielleicht aus Kernspaltung?

Idee: die Sonne als riesige „Atombombe“ Energieerzeugung durch Kernspaltung funktioniert nur mit speziellen Materialien, mit sogenannten radioaktiven Elementen! Quelle

Lösung: Kernfusion Im Inneren von Sternen werden Atomkerne nicht gespalten, sondern miteinander verschmolzen!

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

Sterne als „Elementschmieden“ In Sternen werden leichte Elemente (Wasserstoff, Helium) zu schweren Elementen (Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) verschmolzen.

Die Elemente auf der Erde Interstellare Wolke Elemente auf der Erde Kernfusion in Sternen

Wir sind alle Sternenstaub! Die Erde, unser Körper, die Luft usw. ist aus Elementen aufgebaut, die durch Fusion in Sternen enstanden sind! Quelle

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

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?

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!

Am Ende eines Sternenlebens ... Sonne Kollaps + Explosion Kollaps Ausdehnung weißer Zwerg roter Riese Supernova Vier Massenkategorien: < 0.3 MSonne, 0.3 – 2.3 MSonne,2.3 – 8 MSonne, > 8 MSonne. Kollaps Kollaps weißer Zwerg Neutronenstern oder schwarzes Loch

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. Quelle: Kargl-Film

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

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 1987A nach 20 Jahren Quelle

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

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: Kargl-Film Quelle

Und nun... Jetzt wisst ihr, was Sterne sind, wie sie entstehen, warum sie leuchten und wie sie sich entwickeln.  ... auf zur Rätsel-Rallye! Quelle: Kargl-Film

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