Astronomie (2)

Das Sonnensystem (1) - Anfänge des Sonnensystems und Entstehung der Planeten

Nach der derzeit gängigen Theorie zur Entstehung des Sonnensystems geht man davon aus, dass die großen Körper im Sonnensystem etwa zeitgleich aus einer rotierenden Wolke aus Gas und Staub entstanden sind. Die Idee einer Urwolke hatte der deutsche Philosoph Immanuel Kant im Jahr 1755 in seinem Werk Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels formuliert. Sie wird als „Nebularhypothese“ bezeichnet, ist aber erst in den letzten Jahrzehnten von den Astronomen neu aufgegriffen worden. Auch wenn die Grundprinzipien der Planetenentstehung bereits als weitgehend verstanden gelten, gibt es auch heute noch zahlreiche offene und nicht unwesentliche Fragen. Unklar ist beispielsweise die langsame Drehung der Sonne und die Neigung ihrer Rotationsachse gegen die Bahnebene der Planeten um 7°. Ein Grund könnte in der frühen Entstehungsphase die Existenz eines zweiten Sterns sein.

Anfänge des Sonnensystems

Nach heutigen Erkenntnissen bewegte sich vor etwa 4,6 Milliarden Jahren an Stelle des Sonnensystems eine ausgedehnte Molekülwolke (Urwolke) um ein gemeinsames Zentrum innerhalb des Milchstraßensystems. Diese Urwolke hatte eine Größe von etwa 20 Parsec (ca. 65 Lichtjahre) und bestand zu über 99 % aus den Gasen Wasserstoff und Helium sowie einem geringen Anteil an Staubteilchen, die sich aus schwereren Elementen zusammensetzten. Der Wasserstoff und der überwiegende Teil des Heliums war bereits beim Urknall entstanden. Die schwereren Elemente und Verbindungen wurden erst viel später im Innern von Sternen erzeugt und bei deren Explosion als Sternenstaub freigesetzt. Teile der Materiewolke zogen sich infolge der eigenen Schwerkraft zusammen und verdichteten sich. Den Anstoß dazu könnte die Explosion einer nahen Supernova gegeben haben, deren Druckwellen durch die Wolke wanderten. Diese Verdichtungen führten zu der Bildung von vermutlich mehreren hundert oder gar tausend Sternen in einem Sternhaufen, der sich wahrscheinlich nach einigen hundert Millionen Jahren in freie Einzel- oder Doppelsterne auflöste. Im Folgenden wird die Entwicklung desjenigen „Fragments“ der Materiewolke betrachtet, aus dem sich das Sonnensystem bildete – der Sonnennebel.
Beim Kollabieren des Nebels erhöhte sich eine schon im Vorfeld minimal existierende Rotation der Molekülwolke. Der Effekt ist auch beim Eiskunstlauf zu beobachten. Ein Eiskunstläufer zieht seine Arme zum Körper und erhöht dabei die Rotation um seine eigene Achse (Piretteneffekt). Die dabei entstehenden, nach außen wirkenden Fliehkräfte im Nebel führten dazu, dass sich die Wolke zu einer rotierenden Akkretionsscheibe formte. Eine Akkretionsscheibe ist in der Astrophysik eine um ein zentrales Objekt rotierende Scheibe, die Materie in Richtung des Zentrums transportiert (akkretiert).
Fast die gesamte Materie des Sonnennebels stürzte dabei in das Zentrum und bildete einen Protostern, der weiter kollabierte. Druck und Temperatur stiegen im Innern so weit an, bis ein Kernfusionsprozess gezündet wurde. Ein stabiler Stern – die Sonne – war entstanden. 

Entstehung der Planeten 

Die rotierende Akkretionsscheibe entwickelte sich zu einer protoplanetaren Scheibe. Das ist eine ringförmige Scheibe aus Gas und Staub um einen Protostern. Die Verklumpung von Staubteilchen führte zur Bildung von immer größeren Objekten (Planetesimalen), den Bausteinen der Planeten. Die schwersten Objekte übten die größten Anziehungskräfte aus, zogen Materie aus einem weiten Umkreis an und konnten so noch schneller wachsen. 
Einen maßgeblichen Einfluss auf die Prozesse der Planetenentstehung hatte der Abstand der Protoplaneten zur jungen Sonne. In Sonnennähe kondensierten schwerflüchtige Elemente und Verbindungen aus, während leichtflüchtige Gase durch den kräftigen Sonnenwind weggerissen wurden. Hier entstanden die inneren Gesteinsplaneten, Merkur, Venus, Erde und Mars, mit festen silikatischen Oberflächen. In den kälteren Außenregionen konnten die entstehenden Planeten auch die leichtflüchtigen Gase, wie Wasserstoff, Helium und Methan festhalten. Hier bildeten sich die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Der Protojupiter störte schließlich mit seinem Gravitationsfeld andere Planetesimale und beeinflusste deren Wachstum erheblich. Wahrscheinlich verhinderte er auch die Bildung eines größeren Körpers zwischen der Mars- und Jupiterbahn, was zur Entstehung des Asteroidengürtels führte.
Ein Teil der Materie, der nicht von den Planeten eingefangen wurde, verband sich zu kleineren Objekten, den Kometen und Asteroiden. Da diese Himmelskörper seit der Frühzeit des Sonnensystems nahezu unverändert blieben, kann ihre Erforschung wichtige Hinweise zu dessen Entstehungsgeschichte liefern. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Das Sonnensystem - Kuiper-Gürtel und Oortsche Wolke

Der Kuiper-Gürtel

Während sich im dichteren inneren Bereich sehr schnell viele Planetesimale bildeten und bald zu Planeten heranwuchsen, vollzog sich dieser Vorgang in den dünneren äußeren Bereichen viel langsamer. Der Kuipergürtel (englisch Kuiper belt) ist eine nach Gerard Peter Kuiper benannte, ringförmige, relativ flache Region, die sich im Sonnensystem außerhalb der Neptunbahn in einer Entfernung von ungefähr 30 bis 50 Astronomischen Einheiten (AE) nahe der Ekliptik erstreckt und schätzungsweise mehr als 70.000 Objekte mit mehr als 100 km Durchmesser sowie viele kleinere Objekte enthält. Die Objekte in diesem Bereich werden als Kuipergürtelobjekte (abgekürzt KBO, von engl. Kuiper Belt Objects) bezeichnet. Die KBOs sind während der Planetenbildung vermutlich nahe der Region entstanden, in der sie beobachtet werden. Aufgrund ihrer Größe und der Entfernung ist die Beobachtung der KBO nicht leicht. Trotzdem ist die Existenz kuiper-gürtel-ähnlicher Strukturen auch bei anderen Sternensystemen bereits be-obachtet worden:

Extrasolare Gürtel

Kuiper-Gürtel-ähnliche Strukturen scheinen sich auch in anderen Sternensystemen gebildet zu haben. Ein Beispiel ist Fomalhaut (25 Lichtjahre von der Sonne entfernt, Sternbild Südlicher Fisch), wo ein massereicher Begleiter gefunden wurde, dessen Umlaufbahn innerhalb des Staubgürtels verläuft.
Vergleichbare Planeten in einem so großen Abstand zur Sonne sind in unserem Sonnensystem aber nicht zu erwarten; ihre Existenz würde sich durch eine Verschiebung des Gesamtschwerpunkts relativ zur Sonne bemerkbar machen.

Oorthsche Wolke

Noch weiter entfernt von der Sonne vermutet man die Oorthsche Wolke (andere Schreibweise: Oort’sche Wolke). Das ist eine hypothetische und bisher noch nicht nachgewiesene kugelschalenförmige Ansammlung astronomischer Objekte im äußersten Bereich des Sonnensystems. Die Wolke wurde 1950 vom niederländischen Astronomen Jan Hendrik Oort als Ursprungsort der langperiodischen Kometen postuliert. Oort gründete seine Hypothese auf der Untersuchung von Kometenbahnen und auf der Überlegung, dass die Kometen nicht aus den bekannten Regionen des Sonnensystems stammen könnten, wie bis dahin angenommen wurde. Der Theorie nach umschließt die von Oort angenommene „Wolke“ die übrigen Zonen des Sonnensystems kugelschalenförmig in einem Abstand zur Sonne bis 100.000 Astronomischen Einheiten (AE), was rund 1,6 Lichtjahren entspricht. Die Oortsche Wolke besteht nach heutiger Auffassung aus Gesteins-, Staub- und Eiskörpern unterschiedlicher Größe, die bei der Entstehung des Sonnensystems und dem Zusammenschluss zu Planeten übriggeblieben sind. Diese Planetesimale wurden von Jupiter und den anderen großen Planeten in die äußeren Bereiche des Sonnensystems geschleudert. Sie sind aufgrund ihrer geringen Größe und der großen Entfernung zur Sonne (wenig Licht) allerdings sehr schwer zu beobachten. Mit besseren Teleskopen hofft man bald auch hier auf neue Erkenntnisse.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Infotext: Aufbau des Sonnensystems - Teil 1

Als „Sonnensystem“ bezeichnet man umgangssprachlich oft nur den Bereich bis zum achten Planeten Neptun. Zunächst sollen sich die folgenden Ausführungen auf diesen Bereich beschränken. Die äußeren Regionen betrachten wir uns im Rahmen dieser Unterrichtseinheit erst etwas später. 

Die Sonne ist der Zentralstern des Sonnensystems, sie besitzt ca. 99,86 % der Gesamtmasse des Systems. Mit zunehmendem Abstand zur Sonne sinkt die Temperatur. Dabei überschreitet man im Abstand von ca. 8 Mio. km die sogenannte „Gesteinslinie“. Ab diesem Abstand ist die Temperatur niedrig genug, um feste Gesteine zu bilden. In der Reihenfolge ihres Abstands von der Sonne folgen die Gesteinsplaneten (terrestrische Planeten): Merkur (Abstand zur Sonne 57,9 Mio. km bzw. 0,39 AE), Venus (108,2 Mio. km bzw. 0,72 AE), Erde (149,6 Mio. km bzw. 1 AE) und Mars (227,9 Mio. km bzw. 1,52 AE). Ihr Durchmesser beträgt zwischen 4878 km und 12756 km. Als Gesteinsplanet wird in der Sternen- und Planetenforschung ein Himmelskörper bezeich-net, der eine feste Oberfläche aufweist und der durch die eigene Schwerkraft annähernd zu einer Kugel geformt ist. Er besteht vollständig oder fast vollständig aus nicht-gasförmigen Bestandteilen und hat zumeist einen Schalenaufbau: Im Zentrum befindet sich ein Eisenkern der sich in einen flüssigen äußeren Kern und einen festen inneren Kern aufteilt. Darüber eine dicke Schicht, der so genannte Mantel der ebenfalls grob in zwei Bereiche unterteilt wer-den kann. Der obere Erdmantel bildet einen plastischen Bereich, dort ist das Gestein teilweise geschmolzen und der untere Erdmantel, der wegen dem enormen Druck fest ist. Zuoberst bildet eine dünne Kruste die Oberfläche. In einigen Fällen schließt sich über der Kruste eine Atmosphäre an. 

Ein wichtiger Bereich des Sonnensystems ist die sogenannte „habitable Zone“. Der Begriff bedeutet wörtlich auf Deutsch „bewohnbare Zone“, er ist allerdings nicht unumstritten und erfordert eigentlich eine präzisere Definition. Im allgemeinen heutigen astrobiologischen Verständnis ist deshalb mit habitabler Zone ein Bereich gemeint, in dem ein Himmelskörper Leben hervorbringen kann, dies aber nicht muss. Innerhalb der habitablen Zone um die Sonne befinden sich nur die Erde und, je nach Modell, noch ganz knapp der Mars. 

Im Abstand von etwa 2,5 AE überschreitet befindet sich die sogenannte „Schneelinie“. Das ist der Abstand von der Sonne, ab dem die Temperatur einen Wert erreicht, bei dem Wasser nicht mehr in flüssiger Form existiert. Bei der Planetenentstehung trennt die Schneelinie den Bereich, in dem Gesteinsplaneten entstehen, vom weiter außen gelegenen Bereich, in dem sich Gasplaneten bilden können. Jenseits der Schneelinie können auch Eismonde entstehen.

Zwischen Mars und Jupiter befindet sich der sogenannte Asteroidengürtel, eine Ansammlung von Planetoiden und Asteroiden. Die meisten davon sind nur wenige Kilometer groß und nur wenige haben einen Durchmesser von 100 km oder mehr. Ceres ist mit etwa 960 km der größte dieser Körper und gilt als Zwergplanet. Lange Zeit nahm man an, dass es zwischen Mars und Jupiter einmal einen kleinen Planeten gegeben haben müsse. Dieser sei dann mit einem größeren Asteroiden zusammengestoßen, wodurch er in viele Stücke zerrissen worden sei. Heute hingegen folgen die meisten Wissenschaftler einer anderen Hypothese. Demnach ist der Asteroidengürtel gleichzeitig mit dem restlichen Sonnensystem aus dem Urnebel hervorgegangen. Wegen der Schwerkraft des Jupiters konnten die Moleküle jedoch nicht zu einem Planeten zusammenwachsen. Der Gesamtbereich des Asteroidengürtels wird heute im Bereich von etwa 2,0 bis 3,4 AE angegeben. 

Weiter außen folgen dann die Gasplaneten Jupiter (778,3 Mio. km bzw. 5,2 AE) und Saturn (1,429 Mrd. km bzw. 9,53 AE) sowie  Uranus (2,875 Mrd. km bzw. 19,2 AE) und Neptun (4,504 Mrd. km bzw. 30,1 AE).

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Infotext: Aufbau des Sonnensystems - Teil 2

Weitere Begleiter der Sonne sind neben Zwergplaneten auch Millionen von Asteroiden und Kometen. Sie sind die inneren Bereich des Sonnensystems vorwiegend im Asteroidengürtel, also zwischen Mars und Jupiter, anzutreffen.

Innerhalb der von den einzelnen Sonnenbegleitern beherrschten Raumbereiche befinden sich oft auch noch kleinere Himmelskörper als umlaufende Begleiter dieser Objekte. Nach dem altbekannten Mond der Erde werden sie analog ebenfalls als Monde, aber auch als Satelliten oder Trabanten bezeichnet. Sie sind bei den Planeten und Zwergplaneten meist wesentlich kleiner als ihr Hauptkörper. Der Erdmond bildet hierbei eine Ausnahme, sein Durchmesser ist mit etwa 25% des Erddurchmessers außerordentlich groß. Mondlose Ausnahmen unter den Planeten sind nur Merkur und Venus. 

Die größten Objekte im Sonnensystem sind neben der Sonne die acht Planeten, die vier Jupitermonde Ganymed, Kallisto, Europa und Io (die „Galileischen Monde“), der Saturnmond Titan und der Erdmond. 

Die Bahnen der Planeten liegen weitestgehend in einer flachen Scheibe, man bezeichnet sie als Ekliptikebene. Der Name Ekliptik ist abgeleitet vom griechischen Ausdruck ekleiptikē für ‚verdeckende [Umlaufbahn]‘, denn schon im Altertum war bekannt, dass sich eine Mondfinsternis nur ereignet, wenn der Mond die Sonnenbahn kreuzt. Als Folge der Entstehung des Sonnensystems bewegen sich alle Planeten, Zwergplaneten und der Asteroidengürtel auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne im gleichen Umlaufsinn, den man rechtläufig nennt. Sie umrunden die Sonne von Norden gesehen gegen den Uhrzeigersinn. Die meisten größeren Monde bewegen sich ebenfalls in diese Richtung um ihren Hauptkörper. Auch die Rotation der meisten größeren Körper des Sonnensystems erfolgt in rechtsläufigem Drehsinn. Eine Ausnahme ist dabei die Venus, sie dreht sich in entgegengesetzter Richtung. Auch Uranus zeigt hier eine Besonderheit, seine Rotationsachse liegt nahezu in seiner Bahnebene, d.h. seine Achse ist weitestgehend zur Sonne hin ausgerichtet. 

Die Abstände der Planeten von der Sonne sind bei genauer Betrachtung nicht konstant, das bedeutet, dass sie sich nicht auf exakten Kreisbahnen bewegen. Man spricht deshalb auch immer vom mittleren Abstand von der Sonne. Die Planeten befinden sich auf elliptischen Bahnen um die Sonne, diese weichen aber nur relativ wenig von der exakten Kreisbahn ab. 

Die Planeten Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn waren schon im Altertum als „Wandelsterne“ bekannt und wurden mit einzelnen Göttern in Verbindung gebracht. Die nach Göttern der Römischen Mythologie gewählten Namen haben sich durchgesetzt. Auch die 1781 und 1846 entdeckten Planeten Uranus und Neptun sowie der 1930 entdeckte Zwergplanet Pluto – bis 2006 ebenfalls als Planet eingestuft – wurden aus Gründen der Tradition in ähnlicher Weise benannt.

Merksatz zur Reihenfolge der Planeten

Um sich die Planeten in ihrer Reihenfolge leichter einprägen zu können, wurden verschiedene Merksprüche ersonnen, z. B.:

Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unseren Nachthimmel. 

zu lesen als: Merkur - Venus - Erde - Mars – Jupiter – Saturn - Uranus - Neptun.

Ein Merkspruch, der auch die Kleinkörper berücksichtigt, lautet:

Mein Vater erklärt mir an jedem Sonntag unsere natürliche kosmische Ordnung.

zu lesen als: Merkur – Venus – Erde – Mars – Asteroidengürtel – Jupiter – Saturn – Uranus – Neptun – Kuipergürtel – Oortsche Wolke.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Das Sonnensystem: Unser Zuhause im Weltall

2) → Eine Reise durch unser Sonnensystem - Maßstäbe und Entfernungen

3) → Warum ist das Sonnensystem flach? | Harald Lesch

4) → Der Beginn unseres Sonnensystems (Doku)

5) → Wo endet unser Sonnensystem? Das Voyager-Update! | Harald Lesch

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Infotext: [14] Astronomie - Das Sonnensystem (4) - Keplersche Gesetze

Johannes Kepler

Johannes Kepler (1571 - 1630) war ein deutscher Astronom, Physiker, Mathematiker und Naturphilosoph.
Von 1594 bis 1600 war Kepler Landschaftsmathematiker in Graz, das heißt, Mathematiker des Landes Steiermark. Er unterrichtete Mathematik an der protestantischen Stiftsschule. Ab März 1600 kam es in Prag zu einer schwierigen Zusammenarbeit von Kepler mit Tycho Brahe, bis dieser im Oktober 1601 starb, woraufhin Kepler seinen Nachlass ordnete. Danach wurde Kepler kaiserlicher Mathematiker. 
Johannes Kepler entdeckte die Gesetzmäßigkeiten, nach denen sich Planeten um die Sonne bewegen. Sie werden nach ihm Keplersche Gesetze genannt. Er machte die Optik zum Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchung und bestätigte die Entdeckungen, die sein Zeitgenosse Galileo Galilei mit dem Teleskop gemacht hatte. Kepler zählt damit zu den Begründern der modernen Naturwissenschaften. 
Seine Entdeckung der drei Planetengesetze machte aus dem mittelalterlichen Weltbild, in dem körperlose Wesen die Planeten einschließlich Sonne in stetiger Bewegung hielten, ein dynamisches System, in dem die Sonne durch Fernwirkung die Planeten aktiv beeinflusst. Er selbst allerdings nannte sie nie „Gesetze“; sie waren in seinen Augen vielmehr Ausdruck der Weltharmonie, die der Schöpfer seinem Werk mitgegeben hatte. Aus seiner Sicht war es auch die göttliche Vorsehung, die den Theologiestudenten zum Studium der Gestirne führte. Die natürliche Welt war ihm ein Spiegel, in dem die göttlichen Ideen sichtbar werden konnten, der gottgeschaffene menschliche Geist sei dazu da, sie zu erkennen und zu preisen.
Kepler ging über den Gedanken hinaus, das kopernikanische System sei lediglich ein (hypothetisches) Modell zur einfacheren Berechnung der Planetenpositionen. Das heliozentrische Weltbild als eine physikalische Tatsache zu sehen, stieß nicht nur bei der katholischen Kirche, sondern auch bei Keplers protestantischen Vorgesetzten auf erbitterten Widerstand. Denn bei beiden Konfessionen galten die Lehren von Aristoteles und Ptolemäus als unantastbar.

Keplersche Gesetze

Die drei Keplerschen Gesetze sind die fundamentalen Gesetzmäßigkeiten des Umlaufs der Planeten um die Sonne. Johannes Kepler fand sie Anfang des 17. Jahrhunderts, als er das heliozentrische System nach Kopernikus an die genauen astronomischen Beobachtungen von Tycho Brahe anzupassen versuchte. Die Keplerschen Gesetze lauten:

1. Erstes Keplersches Gesetz: Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen. In einem ihrer Brennpunkte steht die Sonne.
2. Zweites Keplersches Gesetz: Ein von der Sonne zum Planeten gezogener Fahrstrahl überstreicht in gleichen Zeiten gleich große Flächen.
3. Drittes Keplersches Gesetz: Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die Kuben (dritten Potenzen) der großen Halbachsen ihrer Bahnellipsen.

Die Keplerschen Gesetze gelten für die Planeten im Sonnensystem in guter Näherung. Geringe Abweichungen werden als Bahnstörungen bezeichnet und beruhen vor allem darauf, dass die Planeten nicht nur durch die Sonne angezogen werden, sondern sich auch untereinander anziehen. 
Die Keplerschen Gesetze stellten einen wesentlichen Schritt bei der Überwindung der mittelalterlichen hin zur neuzeitlichen Wissenschaft dar. Sie sind bis heute von grundlegender Bedeutung in der Astronomie.

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Johannes Keplers Planetengesetze | Einfach Erklärt

2) → Kepler-Gesetze

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1) → Sternbewegungen erklärt - Polarstern - Erdachse

2) → Wieso gibt es Mondphasen?

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1) → Die Sonne - der Stern, von dem wir leben

2) → Die Sonne - Todesstern und Lebensspender | SPACETIME Doku

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1) → Der Kuipergürtel ist anders als erwartet - Clixoom Science & Fiction

2) → Sternengeschichten Folge 174: Der Kuipergürtel

3) → Seltsame Entdeckung - Fehlende kleine Objekte im Kuipergürtel

4) → Warum Pluto kein Planet mehr ist

5) → Jenseits von Pluto [Doku HD]

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1) → Die Hauptreihe der Sterne | Einfach Erklärt (2018)

2) → Das Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD)

3) → Sternengeschichten Folge 174: Der Kuipergürtel

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1) → Die Milchstraße - Unsere Heimat im Universum HD

2) → Die Milchstraße - Unser gigantisches Zuhause [Doku]

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1) → ★ Galaxis Milchstrasse ★ HD ★ Universedokus

2) → 10 sehr große Galaxien im Universum

3) → Galaxien | Harald Lesch

4) → Universum Doku: Über unser Weltall & Galaxie

5) → Universale Strukturen

6) → Wohin expandiert das Universum? | Harald Lesch

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1) → Wie entsteht eine Sonnenfinsternis?

2) → Naturschauspiel: Die längste Mondfinsternis des Jahrhunderts | SWR

3) → Blutmond über Deutschland - So schön war die Mondfinsternis am 28.09.2015

4) → Totale Mondfinsternis: Video-Animation erklärt den Blutmond

5) → Mondfinsternis und Blutmond | tolle Aufnahmen vom 27.07.2018 | Lehrerschmidt

6) → Sonnenfinsternis 2015 | Harald Lesch & Josef M. Gaßner

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• Simulation by PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, licensed under CC-BY-4.0 (https://phet.colorado.edu).