Übersetzt von Inci Aydin.
Haben Sie Schwierigkeiten, Ihren Schülern Schwarze Löcher zu erklären? Warum versuchen Sie dann nicht diese einfachen Übungen im Klassenzimmer?
eines Künstlers von einem
Schwarzen Loch. Das
Schwarze Loch ist lediglich
ein Punkt im Zentrum, jedoch
ist dessen Anziehungskraft
so stark, dass das Licht der
umliegenden Sterne nicht
entkommen kann.
Mit freundlicher Genehmigung
von der Europäischen
Weltraumorganisation, NASA
und Felix Mirabel (die
Französische Kommission für
Atomenergie & das Institut für
Astronomie und
Weltraumphysik/Argentinischer
Wissenschaftsrat Conicet)
Viele junge Menschen haben von Schwarzen Löchern gehört und verstehen, dass falls etwas in eines hineinfällt, es nicht wieder heraus kann – sogar Licht kann nicht entkommen. So erhält das Schwarze Loch seinen Namen: Es ist eine Stelle im Weltraum, die kein Licht ausstrahlt (Abbildung 1). Dieses Konzept ist nicht leicht zu erklären. Deshalb gebe ich in diesem Artikel eine kurze Einführung in Schwarze Löcher, und beschreibe dann zwei einfache Übungen, die Schülern helfen sollen, zu visualisieren was passiert. Jede Übung sollte etwa eine Stunde dauern; beide sind für Schüler im Alter von 10-14 Jahren geeignet (beachten Sie jedoch, dass der Gutachter die Übungen für Schüler von 10-19 Jahren empfiehlt).
Loch: der zusammengefallene
Stern oder die Singularität;
der Ereignishorizont, eine
Region um die Singularität,
wo nicht einmal Licht
flüchten kann; und die
Region außerhalb des
Ereignishorizonts, wo
Objekte die Anziehungskraft
des Schwarzen Lochs spüren,
ohne eingeschlossen zu
werden. Zum Vergrößern
auf das Bild klicken.
Mit freundlicher Genehmigung
von Monica Turner
Schwarze Löcher entstehen während des Ablebens sehr massereicher Sterne (mindestens einige Sonnenmassen).
Ein Stern besteht aus einem heißen Kern, den viele Gasschichten umgebenw1. Im Kern des Sterns verschmelzen leichtere Elemente wie Wasserstoff und Helium durch thermonukleare Fusion, um schwerere Elemente wie Metalle zu bilden. Die dabei entstehende Hitze übt einen nach außen gerichteten Druck aus, der der Schwerkraft, die das Gas zum Zentrum des Sterns zieht, entgegenwirkt und dem Stern seine beträchtliche Größe verleiht. Wenn jedoch der Brennstoff im Kern des Sterns knapp wird, kann der Stern diese schweren äußeren Gasschichten nicht tragen. Falls der sterbende Stern sehr massereich ist, wird die Anziehungskraft am Gas ziehen und verursachen, dass der Stern immer kleiner wird bis er einen einzelnen Punkt unendlicher Dichte, der eine Singularität genannt wird, erreicht (Abbildung 2).
36621, aufgenommen mit
Hilfe des Very Large
Telescope in der
Südsternwarte (European
Southern Observatory (ESO).
Man nimmt an, dass diese
Galaxie ein aktives
supermassives Schwarzes
Loch, das Materie verschlingt
und Strahlung produziert, in
ihrem Zentrum hat.
Mit freundlicher Genehmigung
von ESO
In der Nähe der Singularität ist die Schwerkraft so stark, dass nichts entkommen kann. Die Fluchtgeschwindigkeit müsste höher als die Lichtgeschwindigkeit sein – also kann nicht einmal das Licht entkommen, weshalb das Schwarze Loch schwarz ist. (Es ist aber nicht wirklich ein Loch: Da ist viel drin, auch wenn wir es nicht sehen können.)
In einem gewissen Abstand von der Singularität ist die Schwerkraft schwach genug, sodass Licht entkommen kann; daher sind Objekte jenseits dieses Abstands sichtbar. Diese Grenze wird Ereignishorizont genannt. Objekte außerhalb des Ereignishorizonts erfahren immer noch die Anziehungskraft des Schwarzen Loches, und werden zum Loch hin angezogen, aber sie können gesehen werden und eventuell dem Hineinfallen entkommen. Sobald Objekte jedoch in den Ereignishorizont hineingesogen wurden, gibt es kein Zurück.
Nachdem sich das Schwarze Loch bildet, kann es größer werden, indem es Masse in Form von anderen Sternen und anderen Schwarzen Löchern aus seiner Umgebung absorbiertw2. Wenn ein Schwarzes Loch genug Material absorbiert, kann es ein supermassives Schwarzes Loch werden; das bedeutet, es besitzt eine Masse von mehr als eine Million Sonnenmassen. Man glaubt, dass supermassive Schwarze Löcher im Zentrum vieler Galaxien, einschließlich der Milchstraße, existieren.
Normalerweise beobachten Astronomen Objekte im Weltall, indem sie auf das Licht blicken; so untersuchen sie zum Beispiel Sterne (zum Beispiel, siehe Mignone & Barnes, 2011). Da Schwarze Löcher jedoch kein Licht ausstrahlen, können sie nicht auf gewöhnliche Weise beobachtet werde. Stattdessen müssen Astronomen die Interaktion des Schwarzen Lochs mit anderen Objekten beobachten. Eine Möglichkeit hierfür ist, auf die Bewegungen der Sterne um das Schwarze Loch zu schauen, da ihre Umlaufbahnen durch seine Anwesenheit verändert werdenw3.
Diese Übung wird den Schülern näher bringen, wie ein Schwarzes Loch durch den Kollaps eines massereichen Sterns entsteht, sobald der Kern des Sterns das Gewicht der äußeren Gasschichten nicht mehr tragen kann. Dieser Versuch braucht etwa eine Stunde.
Jede Gruppe benötigt:
die für die Übung 2 benötigt
werden
Mit freundlicher Genehmigung
von Charlotte Provost und
Monica Turner
Antwort: Der zerfallene Ball ist viel zu groß, um ein schwarzes Loch zu repräsentieren. Sogar ein echtes Schwarzes Loch, das sich aus einem massereichen Stern bildet, ist kleiner als die Spitze eines Bleistifts.
Das Formen des Sterns mit mehr Gasschichten (repräsentiert durch die Folie) würde den Stern massereicher machen. Es würde auch zur Bildung eines massereicheren Schwarzen Lochs führen, da es mehr Material gäbe, mit dem das Schwarze Loch geformt wird.
Obwohl sie unterschiedliche Größen besitzen, haben der Stern und das Schwarze Loch dieselbe Masse, da sie aus exakt derselben Menge an Material entstehen. Da jedoch das Schwarze Loch kleiner ist, enthält es mehr Material in weniger Volumen, und besitzt daher eine höhere Dichte.
schweren Balls in das
Zentrum verursacht die
Wölbung der Raumzeit-
Struktur.
Mit freundlicher Genehmigung
von Charlotte Provost und
Monica Turner
In dieser Übung werden die Schüler ein Modell eines Schwarzen Loches erstellen, das ihnen visuell nahebringen soll, wie ein Schwarzes Loch die Raumzeit „biegen“ und benachbarte Objekte beeinträchtigen kann. Die Übung sollte ungefähr eine Stunde dauern.
Jede Arbeitsgruppe braucht (Abbildung 3):
Murmel entlang der Bandage,
und beobachtet wie sich ihre
Bewegungsbahn verändert.
Mit freundlicher Genehmigung
von Charlotte Provost und
Monica Turner
von Murmeln
unterschiedlicher Gewichte
Mit freundlicher Genehmigung
von Charlotte Provost und
Monica Turner
Wenn die Geschwindigkeit der Murmel hoch genug ist, hat die Murmel genug Energie um der Anziehungskraft des Schwarzen Loches zu entkommen. Ist die Geschwindigkeit der Murmel allerdings zu gering, ist die Anziehungskraft des Schwarzen Lochs zu stark und die Murmel ist nicht in der Lage zu entkommen.
Da massereichere Objekte eine stärkere Schwerkraft erzeugen, muss man die Murmel in beiden Fällen fester werfen, damit sie der Schwerkraft des Schwarzen Lochs entkommen kann.
Wenn ein Schwarzes Loch ausreichend massereich geworden ist, werden ihm nahekommende Sterne in seinem Gravitationsfeld eingeschlossen und beginnen, das Schwarze Loch zu umkreisen, so wie die Planeten in unserem Sonnensystem die Sonne umkreisen. Indem sie die Bewegung von vielen Sternen beobachten, können Astronomen nach Sternen suchen, die Umlaufbahnen um denselben zentralen Punkt haben. Wenn sie kein Objekt in diesem zentralen Punkt sehen können, ist das ein Hinweis dafür, dass dort ein Schwarzes Loch vorhanden sein könnte.
Übung 1 wurde nach der Veranschaulichungsanleitung die “Reise zu einem Schwarzen Loch” auf der Inside Einstein‘s Universe Website bearbeitetw4. Jene Übung wurde wiederum nach der Übung „Aluminiumfolie, Ballons, und Schwarze Löcher“ auf der Imagine the Universe Website der NASA bearbeitetw1.
Übung 2 wurde nach einer Quelle in der UNAWE Datenbank von Ricardo Morena von Exploring the Universe, UNAWEw5 Spanien bearbeitet.
Klicken Sie hier um zum Original von Übung 1 zu gelangen.
Székely P, Benedekfi Ö (2007) Fusion in the Universe: when a giant star dies.... Science in School 6: 64-68.
Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: we are all stardust. Science in School 4: 61-63.
Rebusco P, Boffin H & Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: where your jewellery comes from. Science in School 5: 52-56.
Rosenberg M (2012) Finsternis im Klassenzimmer erzeugen. Science in School 23: 20-24.
Jeanjacquot P, Lilensten J (2013) Casting light on solar wind: simulating aurorae at school. Science in School 26: 32-37.