Die Erde im Universum · Das Universum und das Sonnensystem
Der Ursprung des Universums
Wenn du abends in den Himmel schaust, siehst du Sterne, deren Licht vor Jahren, Jahrhunderten oder Millionen Jahren losgeflogen ist. Wer weit ins Weltall blickt, blickt also in die Vergangenheit. Wie lässt sich aus diesem alten Licht herausfinden, wie das Universum entstanden ist?
Der Urknall als Modell
Astronominnen und Astronomen haben das Licht vieler Galaxien untersucht. Das Ergebnis: Fast alle Galaxien entfernen sich voneinander, und zwar umso schneller, je weiter sie entfernt sind. Wie lässt sich das erklären?
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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.
Eine Analogie: Male auf einen Luftballon viele Punkte und blase ihn auf. Jeder Punkt entfernt sich von allen anderen, und zwar umso mehr, je weiter sie schon voneinander entfernt waren. Kein Punkt ist dabei ein „Mittelpunkt“.
Woher weiß man, dass sich die Galaxien entfernen? Aus ihrem Licht. Weißes Licht lässt sich in ein Farbspektrum zerlegen, von Blau (kurze Wellenlänge) bis Rot (lange Wellenlänge). Wird das Licht einer Galaxie zum roten Ende des Spektrums hin verschoben, nennt man das Rotverschiebung.
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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.
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.“
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.
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.
Nach dem Urknall bestand die Materie fast nur aus Wasserstoff und Helium. Woher kommen dann Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen?
Die Sterne sind die „Fabriken“ der schwereren Elemente: In ihrem Inneren entstehen durch Kernfusion Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen. Wenn massereiche Sterne am Ende explodieren (Supernova), verteilen sie diese Elemente im Raum. Aus solchen angereicherten Gaswolken entstehen später neue Sterne und Planeten.
Auch unser Sonnensystem ist so entstanden: Eine Gas- und Staubwolke zog sich durch die Gravitation zusammen. Im Zentrum bildete sich die Sonne, um sie herum eine rotierende Scheibe aus Gas und Staub (protoplanetare Scheibe), in der aus kleinen Teilchen nach und nach die Planeten wuchsen.
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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.
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).
a) Begründe, warum Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen im Inneren oder beim Tod früherer Sterne entstanden sein müssen und nicht beim Urknall.
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.
In populärwissenschaftlichen Texten stecken die wichtigsten Aussagen oft in wenigen Sätzen. Lies den folgenden kurzen Text und halte die Kernaussagen fest.
Belege für den Urknall
Die Hintergrundstrahlung ist das älteste Licht, das wir sehen können. Sie wurde frei, als das Universum etwa 380 000 Jahre alt war und durchsichtig wurde. Durch die Expansion wurde dieses Licht so gestreckt, dass es heute als Mikrowellenstrahlung ankommt. Dass sie genau so vorhergesagt und dann gefunden wurde, gilt als entscheidender Beleg.
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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.
13,8 Milliarden Jahre kann sich niemand vorstellen. Hilfreich ist ein Zeitstrahl. Er ist hier nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern ordnet die wichtigsten Ereignisse.
Rechne um: Sonne und Erde sind etwa 4,6 Milliarden Jahre alt, das Universum 13,8 Milliarden Jahre. Die Erde ist also nur etwa ein Drittel so alt wie das Universum ($4{,}6 : 13{,}8 \approx \frac{1}{3}$). Sie entstand deshalb erst, als schon etwa zwei Drittel der Geschichte des Universums vergangen waren.
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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.
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).
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.
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.
Vom Anfang noch einmal: Wer weit ins Weltall schaut, blickt in die Vergangenheit. Das älteste Licht, das wir empfangen, ist die kosmische Hintergrundstrahlung. Sie zeigt das Universum, als es erst 380 000 Jahre alt war.
Auf einen Blick
Los geht's! 3 Aufgaben der Stufe mittel in diesem Abschnitt