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Gymnasium 9 · Physik
Die Erde im Universum · Das Universum und das Sonnensystem

Der Ursprung des Universums

Wenn du in einer klaren Nacht über der Eifel den Sternenhimmel betrachtest, siehst du Licht, das vor Jahren, Jahrhunderten oder Millionen von Jahren losgeschickt wurde. Wer weit ins All blickt, blickt also in die Vergangenheit. Wie weit können wir zurückschauen, und was zeigt uns das über den Anfang von allem?

Die Urknalltheorie

Astronomen untersuchen das Licht ferner Galaxien. Dabei fällt auf: Fast alle Galaxien entfernen sich von uns, und zwar umso schneller, je weiter sie weg sind. Das ist kein Zufall. Wenn sich alles voneinander entfernt, war früher alles näher beieinander.

Zeitstrahl des Universums über 13,8 Milliarden Jahre: vom Urknall über das durchsichtige Universum nach 380 000 Jahren und die ersten Galaxien bis zum heutigen Universum. 13,8 Milliarden Jahre Expansion Urknall nach 380 000 Jahren: Universum durchsichtig erste Galaxien heutiges Universum
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Erkläre, worin die Urknalltheorie besteht, und gib an, wie lange der Ursprung des Universums ungefähr zurückliegt.

Erkläre, worin die Urknalltheorie besteht, und gib an, wie lange der Ursprung des Universums ungefähr zurückliegt.

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Expansion und Rotverschiebung

Woher weiß man, dass sich Galaxien entfernen? Aus ihrem Licht. Genauso wie eine Sirene tiefer klingt, wenn der Rettungswagen sich entfernt (die Schallwellen werden „gedehnt“), wird auch das Licht einer sich entfernenden Quelle zu größeren Wellenlängen verschoben. Im Spektrum liegt das rote Ende bei den größten Wellenlängen.

Vergleich des Laborspektrums mit dem Spektrum einer fernen Galaxie: Alle drei Linien der Galaxie sind zu größeren Wellenlängen, also zum Rot hin, verschoben. Vergleichsspektrum (Labor) Spektrum einer fernen Galaxie Wellenlänge Wellenlänge Zum Rot verschobene Linien verraten die Entfernung der Galaxie

Ein Beobachter in einer beliebigen anderen Galaxie sähe dasselbe Bild: Alle anderen Galaxien entfernen sich von ihm. Das liegt daran, dass sich der Raum zwischen allen Galaxien gleichmäßig dehnt. Ein Luftballon mit aufgemalten Punkten zeigt das: Beim Aufblasen entfernt sich jeder Punkt von jedem anderen, und kein Punkt ist das Zentrum der Oberfläche.

Vier Galaxien in einem Rahmen, der sich gleichmäßig ausdehnt: Alle Abstände wachsen im gleichen Verhältnis, es gibt kein Zentrum. früher später Alle Abstände wachsen gleichmäßig
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Hubble beobachtete, dass das Licht ferner Galaxien zum roten Bereich hin verschoben ist. Erkläre, was die Rotverschiebung ist und welche Schlussfolgerung über das…

Hubble beobachtete, dass das Licht ferner Galaxien zum roten Bereich hin verschoben ist. Erkläre, was die Rotverschiebung ist und welche Schlussfolgerung über das Universum sich aus dieser Beobachtung ergibt.

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Ein Mitschüler behauptet: „Da wir von der Erde aus beobachten, dass sich fast alle Galaxien in jeder Richtung von uns entfernen, muss die Milchstraße im genauen…

Ein Mitschüler behauptet: „Da wir von der Erde aus beobachten, dass sich fast alle Galaxien in jeder Richtung von uns entfernen, muss die Milchstraße im genauen physikalischen Zentrum des Universums liegen, wo der Urknall stattgefunden hat.“

  1. a) Stütze dich auf die Analogie der Oberfläche eines Luftballons mit aufgemalten Punkten, der aufgeblasen wird, um seine Aussage zu widerlegen: Leite ab, was ein Astronom in einer beliebigen anderen Galaxie beobachten würde.
  2. b) Nenne eine wichtige Grenze dieser Analogie: Erkläre, warum es ein begrifflicher Fehler über die Expansion des Raums ist, den Urknall in den „hohlen Innenraum“ des Ballons zu verlegen.
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Sterne, Elemente und das Sonnensystem

Nach dem Urknall kühlte das Universum ab. In den ersten Minuten entstanden nur Wasserstoff und Helium (und winzige Spuren von Lithium). Die Gravitation zog diese Gase zu immer dichteren Wolken zusammen. Wird es im Inneren heiß und dicht genug, beginnt die Kernfusion: Ein Stern entsteht. Sterne, Gas und Staub, die durch die Gravitation zusammenhalten, bilden eine Galaxie.

Warum braucht Fusion so hohe Temperaturen? Atomkerne sind positiv geladen und stoßen sich ab. Nur bei extremer Hitze sind sie schnell genug, um aufeinanderzuprallen und zu verschmelzen.

Drei Schritte: Eine Wasserstoff-Helium-Wolke zieht sich durch Gravitation zusammen, im Kern setzt Kernfusion ein und ein Stern entsteht, viele Sterne bilden eine Spiralgalaxie. H He H H Kern Gaswolke Stern Galaxie Kollaps durch Gravitation Kernfusion im Kern (H wird zu He) Sterne, Gas und Staub

Schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff oder Eisen entstanden erst in Sternen durch Fusion. Massereiche Sterne explodieren am Ende ihres Lebens als Supernova und schleudern diese Elemente ins All.

Entstehung des Sonnensystems

Unser Sonnensystem entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren aus einer Gas- und Staubwolke, die schon mit schweren Elementen angereichert war:

  1. Die Wolke (ein Nebel) kollabiert durch ihre eigene Gravitation, zum Beispiel angestoßen durch eine nahe Supernova.

  2. Sie dreht sich dabei schneller und flacht zu einer Scheibe ab. Im Zentrum sammelt sich fast die gesamte Masse, dort entsteht die Sonne, sobald die Kernfusion zündet.

  3. In der protoplanetaren Scheibe klumpen Staub und Gas zusammen, wachsen zu größeren Körpern und bilden die Planeten, Monde und Kleinkörper.

Himmelsobjekte

Im Sonnensystem unterscheidest du: Sterne leuchten selbst durch Kernfusion (die Sonne). Planeten umkreisen die Sonne und leuchten nur durch reflektiertes Licht. Monde umkreisen Planeten. Kometen sind Körper aus Eis und Staub mit stark elliptischen Bahnen; nahe der Sonne bilden sie einen Schweif.

Sternentwicklung in Grundzügen

Ein Stern entsteht als Protostern aus einer Gaswolke und brennt als Hauptreihenstern lange stabil. Danach wird er ein Roter Riese. Sonnenähnliche Sterne enden als Weißer Zwerg. Massereiche Sterne explodieren als Supernova und werden zum Neutronenstern oder Schwarzen Loch.

Wie wir etwas über das Universum erfahren

Entfernungen im All gibt man im Lichtjahr an: Das ist die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt. Nahe Sterne misst man mit der Parallaxe: Von der Erde aus scheint ein Stern im Lauf des Jahres vor dem fernen Hintergrund leicht zu wandern, je näher, desto stärker. Im Spektrum des Sternenlichts verraten dunkle Linien, aus welchen Elementen ein Stern besteht, und ihre Verschiebung zeigt seine Bewegung.

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Beschreibe die wichtigsten Phasen der Entstehung des Sonnensystems aus einem Nebel: Kollaps der Gas- und Staubwolke, Entstehung der Sonne im Zentrum und protoplanetare…

Beschreibe die wichtigsten Phasen der Entstehung des Sonnensystems aus einem Nebel: Kollaps der Gas- und Staubwolke, Entstehung der Sonne im Zentrum und protoplanetare Scheibe.

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Der Wissenschaftsvermittler Carl Sagan machte den Satz „Wir sind Sternenstaub“ bekannt. Analysiere anhand dieser Angaben, woher die Atome deines Körpers stammen:…

Der Wissenschaftsvermittler Carl Sagan machte den Satz „Wir sind Sternenstaub“ bekannt. Analysiere anhand dieser Angaben, woher die Atome deines Körpers stammen: Wasserstoff macht etwa $62\,\%$ aller Atome aus, Sauerstoff $24\,\%$, Kohlenstoff $12\,\%$ und Eisen $0,001\,\%$ (wesentlich im Hämoglobin für den Sauerstofftransport).

  1. a) Begründe, warum Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen im Inneren oder beim Tod früherer Sterne entstanden sein müssen und nicht beim Urknall.
  2. b) Leite ab, warum es um Sterne der ersten Generation (Population III, kurz nach dem Urknall ausschließlich aus Wasserstoff und Helium entstanden) unmöglich war, dass felsige Planeten mit Leben wie dem unseren existierten.
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Belege für den Urknall

Eine Theorie ist nur so gut wie ihre Belege. Für den Urknall gibt es drei unabhängige Hinweise:

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Nenne zwei Belege, die die Urknalltheorie stützen, und erkläre jeden kurz.

Nenne zwei Belege, die die Urknalltheorie stützen, und erkläre jeden kurz.

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Was ist die kosmische Hintergrundstrahlung (Mikrowellenhintergrund)? Erkläre, warum ihr Nachweis als entscheidender Beleg für den Urknall gilt.

Was ist die kosmische Hintergrundstrahlung (Mikrowellenhintergrund)? Erkläre, warum ihr Nachweis als entscheidender Beleg für den Urknall gilt.

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Der kosmische Kalender

13,8 Milliarden Jahre kann man sich kaum vorstellen. Hilfreich ist ein kosmischer Kalender: Man staucht die gesamte Geschichte des Universums auf ein Jahr. Der 1. Januar, 0:00 Uhr ist der Urknall, der 31. Dezember, 24:00 Uhr ist heute.

Zeitstrahl mit vier Ereignissen: Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren, Sonne und Erde vor 4,6 Milliarden Jahren, erstes Leben vor 3,8 Milliarden Jahren und heute; nicht maßstabsgetreu. vor 13,8 Mrd. Jahren Urknall vor 4,6 Mrd. Jahren Sonne und Erde vor 3,8 Mrd. Jahren erstes Leben heute nicht maßstabsgetreu
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Betrachte den Zeitstrahl des Universums (nicht maßstabsgetreu): Die Buchstaben A, B, C und D stehen für vier Ereignisse – Urknall, Entstehung der Sonne, Entstehung der…

Betrachte den Zeitstrahl des Universums (nicht maßstabsgetreu): Die Buchstaben A, B, C und D stehen für vier Ereignisse – Urknall, Entstehung der Sonne, Entstehung der Erde und Entstehung des Lebens –, ohne anzugeben, welches welches ist. Ordne jedem Buchstaben das passende Ereignis zu, bringe die Ereignisse vom ältesten zum jüngsten in eine Reihenfolge und gib an, wie lange jedes ungefähr zurückliegt.

Heute A B C D Zeitstrahl des Universums (nicht maßstabsgetreu)
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Im „kosmischen Kalender“ werden die $13\,800$ Millionen Jahre des Universums auf ein einziges Jahr mit 365 Tagen verdichtet (der 1. Januar um 00:00 Uhr ist der Urknall…

Im „kosmischen Kalender“ werden die $13\,800$ Millionen Jahre des Universums auf ein einziges Jahr mit 365 Tagen verdichtet (der 1. Januar um 00:00 Uhr ist der Urknall und der 31. Dezember um 24:00 Uhr der gegenwärtige Augenblick).

  1. a) Berechne, an welchem ungefähren Datum (Monat und Tag) die Erde entstand (vor $4\,600$ Millionen Jahren) und an welchem ungefähren Datum und zu welcher Uhrzeit die Gattung Mensch (Homo, vor etwa $2,8$ Millionen Jahren) auftrat. Zeige deine Rechnungen.
  2. b) Widerlege angesichts dieser Ergebnisse das anthropozentrische Argument, das Universum existiere vor allem zu dem Zweck, die menschliche Art zu beherbergen, indem du den zeitlichen Anteil unserer Existenz mit dem des Kosmos vergleichst.
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Weltvorstellungen im Vergleich

Die Urknalltheorie ist eine naturwissenschaftliche Theorie: Sie beruht auf Beobachtungen, macht überprüfbare Vorhersagen und kann durch neue Messungen korrigiert werden. Andere Vorstellungen über die Entstehung der Welt, etwa Schöpfungserzählungen oder Mythen, beantworten andere Fragen, nämlich nach Sinn und Bedeutung, und sind durch Messungen nicht überprüfbar.

Zurück zum Anfang: Wer weit ins All blickt, blickt in die Vergangenheit. Das älteste Licht, das wir empfangen, ist die kosmische Hintergrundstrahlung: Sie zeigt das Universum nur 380 000 Jahre nach dem Urknall.

Auf einen Blick

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