In die Dunkelheit schauen: Simulation von Schwarzen Löchern in der Primar- und Sekundarstufe

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.

Materialien

Jede Gruppe benötigt:

• Ein Balloon
• Einige Aluminiumfolienblätter, je etwa 30 Quadratzentimeter
• Eine Stecknadel, um in den Ballon zu stechen.

Durchführung

1. Die Schüler sollen den Ballon aufblasen und ihn zubinden. Dann sollen sie einige Schichten Aluminiumfolie um den Ballon wickeln, um den Modellstern zu bilden.
2. Erklären Sie, dass die Folienschichten die verschiedenen Gasschichten des Sterns repräsentieren, und der Ballon, der sie formt, analog zum heißen Kern des Sterns ist. Die Hitze, die durch thermonukläre Fusion in dem Kern entsteht, übt einen Druck auf die Gasschichten des Sterns aus, der sie vor dem Kollaps bewahrt.
3. Lassen Sie die Schüler die Wirkung der Schwerkraft simulieren, indem sie versuchen, den Ballon leicht zusammenzudrücken. Der Druck auf den Kern ist so, dass der Stern durch die Schwerkraft nicht kollabieren kann.
4. Wenn ein Stern das Ende seines Lebens erreicht, hat er keine Energie mehr und ist nicht mehr in der Lage, die Gasschichten zu halten. Lassen Sie die Schüler den Ballon mit der Stecknadel platzen, was diesen Prozess simuliert.
5. Sie sollen wieder versuchen, den Ballon mit ihren Händen zusammenzudrücken, um die Wirkung der Schwerkraft nachzuahmen. Dieses Mal werden sie in der Lage sein, die Folie zu einem kleinen Ball zu pressen, was die Bildung eines Schwarzen Loches simuliert. Weisen Sie darauf hin, dass der kleine Ball und der Modellstern dieselbe Masse haben, aber ihre Größen ziemlich unterschiedlich sind.

Diskussion

• Wenn ein echter Stern die Größe des Ballons hätte, wie groß wäre dann das Schwarze Loch wirklich? Ist der zerfallene Ball zu groß oder zu klein, um ein echtes Schwarzes Loch zu repräsentieren?
  
  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.
• Was würde passieren, wenn man mehr Aluminiumfolien als Gasschichten verwenden würde? Würde der Stern massereicher sein? Wie ist es mit dem Schwarzen Loch?

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.

• Das Konzept von Dichte (Masse pro Volumen) könnte hier eingeführt werden. Was hat eine höhere Dichte, der Stern oder das Schwarze Loch?
  
  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.

Übung 2: Ein Modell zur Aktivität eines Schwarzen Loches entwickeln

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.

Materialien

Jede Arbeitsgruppe braucht (Abbildung 3):

• Eine leicht elastische Bandage, die bei Muskelverletzungen benutzt wird (z.B. Tubifix, wird in der Drogerie verkauft), die größtmöglichen (für den Brustkorb)
• Eine kleine Murmel
• Einen sehr schweren Ball (wie in den Spielen Boule, Boccia oder Pétanque)
• Eine scharfe Schere.

Durchführung

1. Schneidet ein etwa 40 cm langes Stück der elastischen Bandage. Falls sie röhrenförmig ist, muss sie an einer Seite aufgeschnitten werden.
2. Bitten Sie einige Schüler, die Bandage horizontal zu strecken bis sie gespannt ist, um eine zweidimensionale Fläche zu repräsentieren.
3. Platziert die Murmel auf die Bandage, und lasst sie entlang der Oberfläche der Bandage rollen. Die Murmel sollte sich in einer geraden Bahn bewegen, so wie die Bahn eines Lichtstrahls durch das Weltall.
4. Platziert den schweren Ball auf die Bandage, und ihr wird sehen, wie er die Struktur der Fläche verformt. Die Fläche um die schwere Masse wölbt sich.
5. Lasst die Murmel in die Nähe der Masse rollen; ihre Bewegungsbahn sollte sich durch die Verformung der Bandage verändern. Dies ähnelt dem, was Licht widerfährt, das nahe an einem massereichen Objekt vorbeikommt, das seine Umgebung verformt. Versucht, die Geschwindigkeit der Murmel zu variieren, um zu sehen wie sie ihre Bahn verändert.
6. Je konzentrierter die zentrale Masse (das heißt, je schwerer der große Ball), umso gewölbter wird die Bandage werden. Dies erhöht die Tiefe des „Gravitationsbrunnen“, aus dem eine Murmel nicht entkommen könnte.
7. Als sich die Murmel dem großen Ball nähert, beginnt sie das „Schwarze Loch“ zu umkreisen und fällt schließlich hinein. Ist sie einmal dort, kann man verstehen, wie Dinge leicht in das Schwarze Loch hineinfallen können, aber Schwierigkeiten haben hinauszukommen. Das passiert bei Schwarzen Löchern: Ihre Schwerkraft verformt Raum in solch einer Weise, dass Licht oder andere Objekte hineinfallen und nicht austreten können.

Diskussion

• Was passiert, wenn man die Geschwindigkeit der Murmel verringert? Warum?
  
  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.
• Was passiert, wenn man einen schwereren großen Ball benutzt? Wie ist es mit einer schwereren Murmel (Abbildung 6)?
  
  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.
• Wie kann man durch die Beobachtung der Bewegung von Sternen sagen, ob da irgendwo ein Schwarzes Loch ist?
  
  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.