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

Author(s): Monica Turner

Übersetzt von Inci Aydin. Haben Sie Schwierigkeiten, Ihren Schülern Schwarze Löcher zu erklären? Warum versuchen Sie dann nicht diese einfachen Übungen im Klassenzimmer?

Abbildung 1: Der Eindruck
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).

Schwarze Löcher

Abbildung 2: Ein Schwarzes
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).

Ein Bild von der Galaxie NGC
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.

 

Übung 1: Ein Modell zur Entstehung eines Schwarzen Loches entwickeln

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

Abbildung 3: Die Materialien,
die für die Übung 2 benötigt
werden
Mit freundlicher Genehmigung
von Charlotte Provost und
Monica Turner
  • 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

Schritt 4: Das Platzieren des
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.

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

Schritt 5: Rollt eine kleine
Murmel entlang der Bandage,
und beobachtet wie sich ihre
Bewegungsbahn verändert.
Mit freundlicher Genehmigung
von Charlotte Provost und
Monica Turner
  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

Abbildung 6: Verwendung
von Murmeln
unterschiedlicher Gewichte
Mit freundlicher Genehmigung
von Charlotte Provost und
Monica Turner
  • 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.


 

Danksagungen

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.

References

Web References

Resources

Author(s)

Monica Turner erhielt ihren BSc in Physik an der McGill Universität in Montreal, Kanada, und schloss dann ihr Masterstudium in Astronomie an der Universität von Victoria in Victoria, Kanada, ab. Zurzeit arbeitet sie an ihrer Doktorarbeit in Astronomie an der Sternwarte Leiden in den Niederlanden. Monica hat Erfahrung als Lehrassistentin für Astronomiekurse, als auch in der Arbeit mit kleinen Kindern in Wissenschaftscamps, und ist zurzeit involviert mit der EU Universe Awareness (UNAWE)w4.

Review

In diesem Artikel beschreibt die Autorin kurz, wie Schwarze Löcher im Weltraum entstehen und wie sie mit der sogenannten Raumzeit interagieren. Sie beschreibt dann sehr einfache aber eindrucksvolle Experimente zur Demonstration der Enstehung von Schwarzen Löchern und wie sie ihren umgebenden Raum beeinflussen.

Geeignete Verständnisfragen nach den Übungen umfassen:

  • Beschreibe Schwarze Löcher.
  • Was ermöglicht Sternen stabil zu sein? (Ihre Schüler könnten Schwerkraft und Fusion diskutieren.)
  • Was ist eine Singularität?
  • Wie beeinflusst die Schwerkraft massereiche Objekte? Was ist mit Photonen (Licht)?
  • Was sind supermassive Schwarze Löcher?

Gerd Vogt, HLUW Yspertal, Österreich

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