Astronomie (1)

Allgemeine Hinweise zu den Themenseiten

Die hier angebotenen Themenseiten fassen die grundlegenden Inhalte, Informationen und Hefteinträge zu den Unterrichtsinhalten von verschiedenen Themenbereichen der Fächer Mathematik, Physik und dem Wahlpflichtfach MINT/Technik zusammen. Diese sind online, kostenlos und ohne Registrierung verfügbar und sollen zur besseren Selbstorganisation der Schüler beitragen.

Die im Internet bereitgestellten Materialien bieten aber auch noch zusätzliche Möglichkeiten: Sie sollen den Schülern einen Leitfaden zur Vorbereitung auf Kursarbeiten, aber auch bei Fehlstunden zur Nacharbeit der versäumten Unterrichtsinhalte dienen und weiterhin den Eltern die Möglichkeit zur Unterstützung bei den unterrichtsbegleitenden Hilfestellungen geben. Die Zusammenfassungen zu den Unterrichtsinhalten auf den Themenseiten werden dabei jeweils ergänzt durch Lernvideos, Infotexten, Aufgaben, Bildergalerien und interaktiven Tools. Diese sollen dabei helfen selbstständig eigene Ergebnisse zu überprüfen oder zusätzliche Informationen zu den Inhalten erhalten. Bei den Lernvideos handelt es sich teilweise um die YouTube-Video des YT-Kanals Mathe-Physik-Technik. Weiterhin sind bei den einzelnen Folien zusätzliche Videovorschläge von anderen YouTube-Kanälen zugeordnet. Der jeweilige Link leitet dann ggf. direkt auf die YouTube-Video-Seite weiter.

Bei den klassischen physikalischen Themenbereichen sind die jeweiligen Folien für den digitalen Unterricht weitestgehend angepasst und optimiert worden. Insbesondere durch die Corona-Krise rückt der digitale und eigenverantwortliche Unterricht immer mehr in den Fokus. Zu den einzelnen Folien sind deshalb jeweils passende Videos zu den Inhalten zugeordnet und zu vielen Folien auch passende Aufgaben eingearbeitet worden. Dadurch sind die Themenbereiche in Teilabschnitten strukturiert und für die Arbeit mit Wochenplänen optimiert worden. Sie ermöglichen den Schülern so die selbstständige Arbeit daheim und geben jedem Schüler die Möglichkeit die Lernziele auch unter den gegebenen Umständen bestmöglich zu erreichen. Dabei können Schüler dann sogar die positiven Seiten des digitalen Unterrichts (Eigenes Lerntempo festlegen, optimale Anpassung von Lernzeit und Zeitpunkt an den eigenen Biorhythmus zum effizienten Lernen, etc.) für sich besonders gut nutzen.

Siehe hierzu auch: → Konzept - mathe-physik-technik.de

Skript → Publikationen

Hinweis:
Für die Unterrichtseinheit ist die Anschaffung des Skripts für meine Schüler nicht notwendig! Die Folien werden nacheinander bearbeitet und notwendige Materialien ggf. kopiert. (Es sind keine Lösungen zu den Aufgaben enthalten.)

Skript → Publikationen

Im Rahmen der Unterrichtseinheit hält jeder Schüler einen Kurzvortrag zu einem bestimmten Thema. Der Vortrag soll 5 Minuten dauern und mit Hilfe eines Präsentationsprogramms gehalten werden.

Als Präsentationsprogramm wird das quelloffene Office-Paket LibreOffice oder Apache OpenOffice verwendet.

Die Bewertung erfolgt nach den Kriterien:

Einhaltung der Zeitvorgabe (5 Pkte),
Foliengestaltung (5 Pkte),
Präsentation der Inhalte (5 Pkte).

Hier einige Informationen zur Vorbereitung deines Vortrags:

• Für die Einhaltung der Zeitvorgabe sollte der Vortrag unbedingt eingeübt werden (vor dem Spiegel oder mit einem Mitschüler). Fachbegriffe verwenden!! 
• Die Folien sollen keinen kompletten Text enthalten. Stichpunkte bei gut lesbarer Schriftgröße 28 oder 32, Überschriften entsprechend größer.
• Der Folienhintergrund und die Schriftfarbe sollen einen guten Kontrast haben (Achtung: Die Darstellung des Beamers ist oft schlechter lesbar als am Monitor! – vorher testen).
• Der Vortrag sollte deutlich, ruhig und langsam durchgeführt werden (angepasste Lautstärke). Während des Vortrags werden keine Fragen der Zuhörer gestellt. Diese kommen anschließend zu Wort.
• Als Vortragender sollte man sich nicht verstecken. Für die Zuschauer ist der Vortragende die zentrale Person. An den Folien dürfen spezielle Zusammenhänge auch direkt erklärt und gezeigt werden.
• Die Anzahl der Folien sollte bei 5 Minuten Vortragszeit nicht mehr als 7-8 sein.
• Eine einleitende Folie kann die Struktur eines Inhaltsverzeichnisses haben und eine kurze Übersicht zu deinem Thema und deiner Vorgehensweise geben.
• Animationen sind schön, sollen aber den Vortrag nicht zu sehr beeinflussen. Hier gilt die Devise: „Weniger ist hier manchmal mehr“.
• Keine Angst vor dem Vortrag, eine gute Vorbereitung gibt hier Sicherheit. Gib dein Bestes, mehr kann keiner erwarten.  Evtl. kann ein kleiner Merkzettel für den Vortrag vorbereitet werden. Das gibt Sicherheit, es soll aber nicht nur abgelesen werden!! Lege den Zettel vor dir auf den Tisch, dann kannst du bei Gelegenheit auch einen kurzen Blick darauf werfen.
• Der Vortragende sollte auch öfter ins Publikum schauen. Das ist vielleicht nicht ganz leicht, aber die Zuhörer fühlen sich dadurch angesprochen und sind aufmerksamer.
• Hinweise zu den Quellen runden den Vortrag ab und dokumentieren eine gute Vorbereitung. 
• Am Ende des Vortrags beendet man mit einem schönen Abschluss-Satz und leitet über zu den Publikumsfragen.

Viel Erfolg!

1. Solarzellen
   Der Mensch hat sich mit der Raumfahrt auf den Weg ins Weltall gemacht. Auf einer Raumstation wird aber Energie benötig! Dafür musste eine Energiequelle gefunden werden, alles per Batterien zu betreiben ist schwierig! Deshalb wurden Solarzellen entwickelt! Diese Errungenschaft wurde dann auch interessant für uns auf der Erde, sie spart Kosten und schützt unsere Umwelt! 
    
2. Smartphone-Kameras
   Heute hat jedes Handy auch eine Kamera.  Milliarden Bilder werden täglich verschickt. Dafür sind Kameras notwendig. Vergleichsweise waren aber Fotoapparate noch vor wenigen Jahrzehnten riesig groß! Auch die NASA hat Kameras für ihre Raummissionen benötigt! Diese mussten möglichst klein sein, große Gerätschaften benötigen Platz, davon hat man aber in der Raumfahrt nur sehr wenig. So wurde die Entwicklung von sehr kleinen Kameras nötig.
    
3. GPS (Global Positioning System)
   Navigationssysteme sind heute allgegenwärtig in unserem Alltag. Autos, Radfahrer und Fußgänger finden damit zielsicher ihren Weg. Besonders im Weltraum ist das natürlich auch wichtig, nur so können zuverlässig bestimmte Ziele (z.B. auch die ISS) angesteuert werden. Deshalb wurde das GPS-System von der NASA entwickelt.
    
4. Materialien: Kratzfeste Brillengläser
   Die NASA benötigte für die Raumfahrt möglichst stabile Materialien mit robuster Oberfläche. Besonders die Astronautenhelme sollten möglichst kratzfest sein. Geforscht wurde deshalb von Brillenherstellern an geeigneten Materialien und Beschichtungen und so kam diese Technologie auch zu uns.
    
5. Medizinische Untersuchungen
   Die Computertomographie (CT) ist ein bildgebendes Verfahren bei dem ohne Operation Informationen aus dem Inneren des Körpers gewonnen werden. Es geht weit über die einfachen Röntgenaufnahmen hinaus und benötigt einen leistungsstarken Computer der eine große Zahl von Messungen auswertet und daraus Bilder generiert. Ähnliche Anforderungen hatte die NASA schon zu Beginn der Raumfahrt bei ihrem Apollo-Programm.
    
6. Funk-Kopfhörer
   Mit der Vielzahl der technischen Geräte in unserem Alltag sind natürlich auch viele Kabel zur Energieversorgung verbunden. Das gleiche Problem hatte die NASA auch und entwickelte deshalb ein kabelloses Kommunikationssystem für ihre Piloten das schon bei der Mondlandung 1969 eingesetzt wurde. Auch bei uns auf der Erde konnte man das natürlich gut im Alltag brauchen und so wurde die Technologie entsprechend weiterentwickelt und für Konsumgüter angepasst.
    
7. Gebäudetechnik: Wärmedämmung
   Für die Raumfahrt ist es extrem wichtig, dass alle Aktivitäten sehr energiesparend durchgeführt werden. Große Energiespeicher können nicht mitgeführt werden, damit wären sehr hohe Kosten verbunden. Bei der bemannten Raumfahrt müssen für die Piloten zudem auch geeignete Bedingungen geschaffen werden, dazu gehört auch eine passende Raumtemperatur. Das Entweichen von Wärmeenergie muss deshalb so gut wie möglich verhindert werden.  Dafür sind wärmeisolierende Materialien notwendig. In Millionen von Haushalten gilt es aber auch auf der Erde Energie zu sparen! Die Erkenntnisse der NASA konnte man hier also auch sehr gut bei der Isolation unserer Häuser einsetzen.
    
8. Notebooks
   Leistungsstake Computer waren die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Raumfahrt. Jede Mission erfordert umfangreiche Berechnungen im Vorfeld und auch während der Mission. Geeignete Computer sollten gerade für den Einsatz in der Raumfahrtkapsel möglichst klein sein. Auch hier gilt es wieder Gewicht und Platz zu sparen. Ähnliche Anforderungen finden wir aber auch wieder im Alltag, Notebooks sind heute in unserem täglichen Leben allgegenwärtig.

Astronomie ist mehr als nur „Die acht Planeten“!!

Untersuchungen mit Raumsonden

Voyager 1 (englisch Voyager für Reisender) ist eine Raumsonde der NASA zur Erforschung des äußeren Planetensystems und des interstellaren Raums im Rahmen des Voyager-Programms. Sie wurde am 5. September 1977 vom Launch Complex 41 auf Cape Canaveral mit einer Titan-IIIE-Centaur-Rakete gestartet. Ihre identisch aufgebaute Schwestersonde Voyager 2 war bereits 16 Tage früher auf einer anderen Flugbahn gestartet. Voyager 1 flog zunächst die Planeten Jupiter und Saturn an und trat ungefähr im August 2012 als erstes von Menschen erzeugtes Objekt in den interstellaren Raum ein.
Die Mission der Voyager 1 gilt als einer der größten Erfolge der NASA und der Raumfahrt allgemein. Die Sonde sendet noch heute regelmäßig Daten zur Erde. 

In etwa 40.000 Jahren wird Voyager 1 den aktuell rund 17 Lichtjahre von der Sonne entfernten Stern Gliese 445 (Sternbild Giraffe) passieren. Gliese 445 wird zu diesem Zeitpunkt nur noch 3,45 Lichtjahre von der Sonne entfernt sein, da er sich mit hoher Geschwindigkeit auf uns zu bewegt.

Die Heliosphäre

In der griechischen Mythologie war Helios (altgr. Ἥλιος Helios „Sonne“) der Sonnengott. Die Heliosphäre ist der weiträumige, interplanetare Bereich um die Sonne, in dem der Sonnenwind mit seinen mitgeführten Magnetfeldern wirksam ist. In diesem Bereich des Sonnensystems verdrängt der Teilchenstrom der Sonne die interstellare Materie bis hinaus zur Heliopause.
Die erste Grenze des Sonnensystems ist der Termination Shock (ca. 15000 Mio. km   Abstand zur Sonne), bei dem der starke Einflussbereich des Sonnenwindes endet (hier werden Partikel des Sonnenwindes durch die Wechselwirkung mit dem interstellaren Gas abrupt abgebremst und aufgeheizt). Der danach folgende Bereich wird Heliosheath (engl. sheath: Umhüllung) genannt und kann vom interstellaren Medium gestört werden, jedoch ist hier immer noch der Sonnenwind die vorherrschende Eigenschaft, welche mit größer werdender Entfernung zur Sonne immer mehr abnimmt. Die letzte Grenze, bei der der Sonnenwind keine materiellen Einflüsse auf das interstellare Gas ausübt, wird Heliopause genannt und beschreibt die äußerste Grenze der Heliosphäre.

Besondere Bilder von der Sonde: 

Die „Familienporträt“ oder auch „Porträt der Planeten“ genannte Collage aller 60 Einzelbilder

Entstehung des Fotos 

Auf Anregung des Astronomen Carl Sagan wurde Voyager 1 nach Abschluss der primären Missionsziele um 180 Grad gedreht und nahm die Serie von 39 Weitwinkel- und 21 Teleaufnahmen auf. Die Sonde befand sich zum Zeitpunkt der Aufnahme etwa 6 bis 7 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt. Auf der Collage sind von links nach rechts zu erkennen: Jupiter, die Erde, Venus, die Sonne, Saturn, Uranus und Neptun. Merkur und Pluto sind auf dem Foto nicht zu sehen, da sie zu klein waren, als dass sie von den Kameras hätten erfasst werden können. Der Mars befand sich zum Zeitpunkt der Aufnahmen zu nah an der Sonne und wurde von dieser überstrahlt.
Die Erde wurde mit einer Vidicon-Kamera mit Teleobjektiv aufgenommen. Die durch das Bild führenden Strahlen entstanden als Streuung des Sonnenlichts auf der Kameraoptik, da diese nicht dafür ausgelegt war, direkt auf die Sonne ausgerichtet zu werden. Die Erde nimmt lediglich 12 % eines einzelnen Bildpunkts ein.

Videos:

1) → Video: Heliopause.ogv (Wikipedia)

2) → BOTSCHAFTER DER MENSCHHEIT: Raumsonde "Voyager 2" verlässt Heliosphäre der Sonne

3) → Raumsonde Voyager 2 muss Energie sparen - 11 Milliarden Kilometer entfernt

4) → Nach 711 Millionen Kilometern: Sonde "Maven" erreicht Umlaufbahn des Mars

5) → Die Esa-Sonde "Solar Orbiter" hat sich auf den Weg zur Sonne gemacht

6) → Spektakuläres Ende für NASA-Sonde „Messenger“ | Journal

7) → Mondrover verlässt chinesische Sonde

8) → NASA-MISSION: Sonde „InSight“ sicher auf dem Mars gelandet

Anmerkung: Die Links in diesem Ordner verweisen auf externe YouTube-Videos anderer YouTube-Kanäle. Gelegentlich werden Videos dort auch wieder entfernt. Entsprechende Hinweise zur Aktualisierung dieser Seite werden gerne per → Mail oder über das → Kontaktformular entgegengenommen. - Vielen Dank schon vorab für den Hinweis!

Videos:

1) → Astronaut Ulrich Walter über die Landung des NASA-Rovers Perseverance auf dem Mars)

2) → Spektakuläre Bilder der Mars Landung | Neues NASA-Video (2021)

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[01a] Astronomie - Himmelskörper und das Weltall

Die Astronomie (altgriechisch ástron ‚Stern‘ und nómos ‚Gesetz‘) ist die Wissenschaft von den Gestirnen. Sie erforscht mit naturwissenschaftlichen Mitteln die Positionen, Bewegungen und Eigenschaften der verschiedensten Objekte, also der Himmelskörper, im Universum und der im Weltall auftretenden Strahlung. Darüber hinaus strebt sie nach einem Verständnis des Universums als Ganzes, seiner Entstehung und seines Aufbaus.

Obwohl die Astronomie die älteste der Naturwissenschaften ist, wurde das Thema im Bereich der Schulbildung lange vernachlässigt. Nur an wenigen Schulen findet sich die Astronomie in den Lehrplänen wieder, trotzdem finden ihre Forschungsergebnisse in der Öffentlichkeit viel Interesse. Dies hängt einerseits mit dem „erhebenden“ Eindruck zusammen, den der Sternhimmel auch bei freisichtiger Beobachtung macht, andererseits mit ihrer thematischen Vielfalt, der Berührung philosophischer Fragen und der Verbindung zur Raumfahrt.

Im Gegensatz zu früheren Zeiten wird die Astronomie als Naturwissenschaft heute streng abgegrenzt von der Astrologie, die aus Stellung und Lauf der Gestirne auf irdische Geschehnisse schließen will. Die Abgrenzung erfolgt auch, da die Astrologie eine Pseudowissenschaft ist – während die Astronomie auf der naturwissenschaftlichen Basis die Beschaffenheit, Bewegungen und Beziehungen von Himmelskörpern untersucht. 

Die wichtigsten Untersuchungsgebiete der Astronomie sind die Physik des Sonnensystems, insbesondere die Planetologie, die Galaktische Astronomie, die die Milchstraße und ihr Zentrum erforscht, die Extragalaktische Astronomie, die den Aufbau anderer Galaxien und ihrer aktiven Kerne, oder Gammablitze als die energiereichsten Vorgänge im Universum untersucht, sowie die relativistische Astrophysik, die sich etwa mit Schwarzen Löchern beschäftigt. Die Stellarastronomie untersucht Geburt, Entwicklung und Tod der Sterne. Die Kosmologie hat die Geschichte und die Entstehung des Universums zum Gegenstand, während die Kosmogonie die Geschichte unseres eigenen Sonnensystems beschreibt. Sie erlebt derzeit eine Erweiterung durch das neueste Fachgebiet Exoplanetologie (Exoplaneten sind Planeten in anderen Planetensystemen außerhalb unseres eigenen Sonnensystems).

Kosmische Nachbarn 

Planeten

Ein Planet ist ein Himmelskörper, der sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne bewegt und dessen Masse so groß ist, dass er eine näherungsweise kugelähnliche Gestalt hat.
Eine  genaue Definition eines Planeten ist umstritten und hat sich im Laufe der Zeit auch schon verändert. Das führte unter anderem dazu, dass Pluto seinen vormaligen Status als Planet verlor, was insbesondere in den USA – der Heimat seines Entdeckers – zu gesellschaftlichem Disput führte. Bis zum 24. August 2006 galt Pluto als neunter Planet in unserem Sonnensystem, wurde dann aber durch die Internationale Astronomische Union (IAU) der Kategorie Zwergplanet zugeordnet und erhielt die Kleinplanetennummer „(134340) Pluto“. Zwischenzeitlich liegen sehr viele neue und sehr erstaunliche Informationen zu Pluto vor, das führt dazu, dass man aus heutiger Sicht Pluto wahrscheinlich nicht mehr den Status eines Planeten entziehen würde.

Aufgrund der sehr großen Entfernungen im Weltall und auch in unserem Sonnensystem hat man neue Längeneinheiten eingeführt. Die Grundlage zur Angabe von Entfernungen im Sonnensystem ist der mittlere Abstand zwischen Erde und Sonne. Man bezeichnet diese Strecke als sogenannte „Astronomische Einheit“. Die Astronomische Einheit (abgekürzt AE, international au für englisch astronomical unit) beträgt laut Definition exakt 149 597 870 700 Meter. Das ist ungefähr der mittlere Abstand zwischen Erde und Sonne.

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

[01b] Astronomie - Himmelskörper und das Weltall

Sterne

Unter einem Stern (lateinisch stella, für ‘Stern, Gestirn’) versteht man in der Astronomie einen massereichen, selbstleuchtenden Himmelskörper aus sehr heißem Gas und Plasma, wie zum Beispiel die Sonne. Daneben wird ein von der Sonne angestrahlter Planet unseres Sonnensystems umgangssprachlich auch Stern genannt, etwa Abendstern, obgleich er kein Stern im eigentlichen Sinn ist.
Dass nahezu alle mit dem bloßen Auge sichtbaren selbstleuchtenden Himmelskörper sonnenähnliche Objekte sind, die nur wegen ihrer weiten Entfernung punktförmig erscheinen, ist eine der wichtigsten Erkenntnisse der modernen Astronomie. Unter günstigen Bedingungen können mehrere Tausend Sterne am Himmel mit bloßem Auge unterschieden werden. Sie gehören alle zur gleichen Galaxie wie die Sonne, zur Milchstraße, die aus über hundert Milliarden Sternen besteht. 
Sterne können sich in Masse und Volumen erheblich unterscheiden, wie auch hinsichtlich Leuchtkraft und Farbe; im Verlauf der Entwicklung eines Sterns verändern sich diese Eigenschaften. Die Eigenschaften von Sternen sind auch von Bedeutung bei der Frage, ob ein sie umkreisender Planet Leben tragen könnte oder nicht.
Die Abstände zwischen den Sternen sind sehr groß, sogar so groß, dass die Angabe in astronomischen Einheiten (AE) sehr unübersichtlich wäre. Deshalb wurden weitere Längenmaße festgelegt: Ein Lichtjahr (engl. ly; deutsch Lj) ist definiert als die Strecke, die das Licht im Vakuum während eines Jahres (365,25 Tage) zurücklegt. Das sind ca. 9,5 Billionen Kilometer (9,5∙10¹² km). Da die Bezeichnung das Wort „Jahr“ enthält, wird das Lichtjahr manchmal fälschlicherweise als Zeiteinheit interpretiert. Im wissenschaftlichen Umfeld ist die Verwendung einer weiteren Längeneinheit üblich, das Parsec (1 pc; englisch parallax second). Ein Parsec entspricht rund 206265 AE beziehungsweise etwa 3,26 Lichtjahren oder etwa 30,9 Billionen Kilometern. Die nächsten Nachbarsterne unserer Sonne bilden das Doppelstern-System Alpha Centauri. Es besteht aus dem helleren gelben Stern Alpha Centauri A und dem orangefarbenen Alpha Centauri B und befindet sich in einem Abstand von 4,34 Lichtjahren ( = 1,3 pc).

Galaxien

Noch weiter entfernt und deshalb weitestgehend nur mit großen Teleskopen sichtbar sind andere Galaxien. Eine Galaxie ist eine durch die Massenanziehung gebundene große Ansammlung von Sternen, Planetensystemen, Gasnebeln, Staubwolken und Dunkler Materie. Der deutsche Naturforscher und Entdecker Alexander von Humboldt verwendete deshalb die Bezeichnung „Welteninsel“. Der Durchmesser einer Galaxie kann mehrere hunderttausend Lichtjahre betragen. Große Galaxien bilden häufig die Struktur von Spiralen aus. Daneben existieren weitere Arten und Formen. Die Milchstraße ist unsere Heimatgalaxie und umfasst etwa 250 Milliarden Sterne. Von der Erde aus lassen sich mit aktueller Technik mindestens 50 Milliarden andere Galaxien beobachten. Seit 2016 geht die Forschung davon aus, dass sich im beobachtbaren Universum die fast unglaubliche Zahl von ca. einer Billion Galaxien befinden.
Die Bezeichnung „Milchstraße“ für unsere Heimatgalaxie geht auf eine antike Sage zurück, wonach es sich dabei um die verspritzte Milch der Göttin Hera handelt, als diese Herakles stillen wollte. 
Galaxien variieren stark in Aussehen, Größe und Zusammensetzung. Die Milchstraße hat einen Durchmesser von etwa 200.000 Lichtjahren und gehört damit zu den größeren Galaxien. Ihre nächste Nachbargalaxie von vergleichbarer Größe ist die Andromedagalaxie in einer Entfernung von rund 2,5 Millionen Lichtjahren. Zusammen mit weiteren Galaxien von geringerer Masse bilden beide Galaxien die Lokale Gruppe. Galaxien treten oft in Gruppen oder Haufen mit bis zu einigen tausend Mitgliedern auf haben sehr große Abstände voneinander. Die bislang weitest entfernte beobachtete Galaxie hat eine Entfernung zu uns von 13,4 Milliarden Lichtjahren. Weiter entfernte Objekte wurden bisher nicht beobachtet. 

Alle bisherigen Erkenntnisse zu unserem Weltall und unserer Existenz begründen sich weitestgehend auf astronomischen Beobachtungen, also das Licht, das uns von weit entfernten Sternen und Galaxien erreicht. Es ist nicht möglich das Weltall als Ganzes zu beobachten da auch das Licht eine begrenze Geschwindigkeit hat und uns erst erreichen muss. Der Blick ins Weltall ist deshalb immer ein Blick in die Vergangenheit, wir sehen Sterne also so, wie sie von vielen Millionen oder Milliarden Jahren ausgesehen haben, können daraus aber Rückschlüsse ziehen, wie diese Objekte heute aussehen. Aufgrund der großen Entfernung ist es momentan aber nicht denkbar mit Sonden oder Raumschiffen dort hinzugelangen.

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

Videos:

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

2) → Sterne Größenvergleich 1 (HD)

3) → Schwarze Löcher - Einfach erklärt

4) → 10 sehr große Galaxien im Universum

5) → Galaxien | Harald Lesch

6) → Planet Wissen - Astronomie/Astrologie

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Aufgaben:

1. Was ist der Unterschied zwischen einen Stern und einem Planeten? 
2. Wie heißt der größte bisher bekannte Stern?
3. Zähle die neun Sterne aus den Größenvergleichsvideo nach der Reihenfolge ihrer Größe auf.
4. Welchen Durchmesser hat unsere Heimatgalaxie (die Milchstraße)? Gib dien Ergebnis in Lichtjahren und in km an.
5. Nenne die 10 größten bekannten Galaxien und gib die jeweiligen Durchmesser mit an.
6. Wie heißt unsere Nachbargalaxie und wie weit ist sie von uns entfernt?
7. Was ist ein schwarzes Loch?
8. Was ist der Unterschied zwischen Astronomie und Astrologie?
9. Was ist die „Himmelsscheibe von Nebra“? 
10. Astronomische Erkenntnisse erhält man fast ausschließlich durch Beobachtung des Himmels mit Teleskopen. Man unterscheidet zwei prinzipielle Bauweisen von Teleskopen. Welche sind das und was ist der entscheidende Unterschied?
11. Sternwarten befinden sich meistens fernab von Städten und in großer Höhe. Was ist der Grund dafür?
12. Was sind „SETI-Projekte“ (z.B. Set@home)?

[02a] Astronomie - Planetoiden, Kometen, Meteore

Planetoiden

Planetoiden (engl. minor planets), auch als „Kleinplaneten“ bezeichnet, sind astronomische Objekte, die sich auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Sonne bewegen, aber die Kriterien zur Einstufung als Planet nicht erfüllen. Ein entscheidender Unterschied zu den Planeten ist der, dass sie ihre Umlaufbahn nicht dominieren, also nicht groß genug sind, um ihre Umlaufbahn von anderen Objekten freizuräumen. Weiterhin sind sie zu klein, um Kugelgestalt anzunehmen. Planetoiden bewegen sich auf sogenannten „keplerschen“ (d.h. elliptischen) Umlaufbahnen um die Sonne. Sie sind größer als Meteoroiden (Millimeter bis Meter), aber kleiner als Zwergplaneten (ca. tausend Kilometer). 

Asteroiden

Der Begriff „Asteroid“ wird oft als Synonym für Planetoiden verwendet, bezieht sich aber hauptsächlich auf Objekte innerhalb der Neptun­-bahn und ist kein eindeutig definierter Begriff. Sie befinden sich ebenfalls auf keplerschen Umlaufbahnen um die Sonne. Jenseits der Neptunbahn werden solche Körper auch transneptunische Objekte (TNO) genannt. Bis zum 05. September 2021 wurden bereits 1.123.902 Asteroiden im Sonnensystem bekannt, wobei jeden Monat mehrere Tausend neue Entdeckungen hinzukommen und die tatsächliche Anzahl wohl in die Millionen gehen dürfte.

Zwergplaneten

Die Masse und Gravitation von Zwergplaneten reichen aus, um Kugelgestalt erlangt zu haben. Sie ähneln damit eher den Planeten, allerdings sind auch sie in ihrem Orbit nicht so dominierend wie ein Planet. Ein Beispiel ist „Ceres“, er wurde im Jahr 1801 vom italienischen Priester und Astronom Giuseppe Piazzi an der Sternwarte Palermo entdeckt. Nach der Entdeckung wurde Ceres zunächst als Planet und später dann als Planetoid eingestuft; seit 2006 zählt Ceres zur Gruppe der Zwergplaneten. Ceres ist nach der römischen Göttin des Ackerbaus benannt. Er ist das größte Objekt im Asteroidengürtel, befindet sich also auf einer Umlaufbahn zwischen Mars und Jupiter und ist der kleinste als Zwergplanet klassifizierte Himmelskörper. Ein weiteres Beispiel für einen Zwergplaneten ist Pluto, er konnte seine Umlaufbahn nicht dominieren und sein Gewicht reicht nicht aus, um andere Objekte durch seine Schwerkraft zu vertreiben oder an sich zu binden.

Kometen 

Ein Komet (oder „Schweifstern“) ist ein kleiner Himmelskörper von meist einigen Kilometern Durchmesser, der in den sonnennahen Teilen seiner Bahn einen durch Ausgasen erzeugten leuchtenden Schweif (Lichtspur) entwickelt. Er ist das auffälligste Kennzeichen der von der Erde aus sichtbaren Kometen und bildet sich erst in Sonnennähe (ab einer Entfernung unter 2 AE) durch die dort höheren Temperaturen. Der Kometenschweif kann bei großen und sonnennahen Objekten eine Länge von mehreren 100 Millionen Kilometern, meistens sind aber eher einige 10 Millionen Kilometer, erreichen. Eigentlich sind es sogar zwei Schweife: Ein schmaler, lang gestreckter Schweif (Typ-I-Schweif), der auch Plasmaschweif genannt wird. Er besteht aus elektrisch aufgeladenen Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen und ist immer genau geradlinig von der Sonnenposition abgewandt. Er zeigt also nicht die „Spur“ des Kometen an. Weiterhin ist ein schwächerer, gekrümmter Schweif (Typ-II-Schweif), der auch Staubschweif genannt wird, sichtbar. 
Kometen sind wie Asteroiden Überreste der Entstehung des Sonnensystems und bestehen aus Eis, Staub und lockerem Gestein. Man kann sie sich wie einen schmutzigen Schneeball vorstellen. Sie bildeten sich in den äußeren, kalten Bereichen des Sonnensystems (überwiegend jenseits der Neptunbahn). Die meisten Kometen bewegen sich auf elliptischen Flugbahnen um die Sonne. Eher selten bewegen sie sich auf einer parabelförmige Flugbahn. Sie umkreisen die Sonne dann nur einmal und kehren dann nie wieder zurück.

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

[02b] Astronomie - Planetoiden, Kometen, Meteore

Meteoroid

Ein Meteoroid ist ein kleines Objekt des Sonnensystems auf einer Umlaufbahn um die Sonne, das kleiner als ein Asteroid ist. Der Name ergibt sich als Analogie zu „Asteroid“ und „Planetoid“ aus dem Begriff „Meteor“ und Endung „-oid“. Die Größe von Meteoroiden reicht von Bruchteilen eines Millimeters (Mikrometeoroiden) bis zu etlichen Metern, entsprechend einer Masse vom Milligramm bis zu mehreren Tonnen, und sind von unterschiedlicher Herkunft: Sie können durch die Gravitation der Planeten aus dem Asteroidengürtel, aber auch durch den Sonnenwind aus Kometenkernen herausgelöst worden sein, die diese auf ihrer Bahn verlieren und dadurch in einen Meteorstrom zerfallen. Weiterhin können sie durch Einschlag oder Zusammenprall auch aus Material von Asteroiden, Zwergplaneten oder Planeten bestehen. Meteoroiden sind größer als der interplanetare Staub und kleiner als Asteroiden. Zwischen Meteoroiden und Asteroiden gibt es aber weder hinsichtlich der Größe noch der Zusammensetzung eine eindeutige Grenze. Zusammen mit den Asteroiden und Kometen zählen Meteoroiden zu den Kleinkörpern des Sonnensystems. 

Meteor

Treten Meteoroiden in die Erdatmosphäre ein, so erzeugen sie eine Leuchterscheinung, die Meteor genannt wird. Durch die Luftkompression vor dem Meteoroiden entsteht eine hell leuchtende Gaskugel aus erhitzter Luft und verdampfter, anfänglich fester Materie. Kleine Meteore werden auch als Sternschnuppen bezeichnet, die helleren dieser Meteore nennt man Feuerkugeln.

Meteorit

Verglüht ein Meteoroid beim Eintritt in die Erdatmosphäre als Sternschnuppe nicht vollständig, sondern erreicht ein Reststück den Boden, dann spricht man von einem Meteorit. Es handelt sich also um einen relativ kleiner Festkörper kosmischen Ursprungs, der die Erdatmosphäre durchquert und den Erdboden erreicht hat. Er besteht gewöhnlich überwiegend aus Silikatmineralen (Verbindungen aus Silizium) oder einer Eisen-Nickel-Legierung. Beim Eintritt in die Erdatmosphäre werden die Meteoroiden sehr stark abgebremst und dabei erhitzt, wodurch sie an der Oberfläche teilweise schmelzen bzw. verdampfen. Da der Sturz durch die Erdatmosphäre nur einige Sekunden dauert, kann sich das Innere vor allem größerer Meteoriten nicht nennenswert erwärmen. Das Innere bleibt also relativ unverändert und ist deshalb sehr interessant für die Forschung. Man erhält durch Meteorite viele Informationen zur Entstehung des Sonnensystems. Für Meteorite werden Millionenbeträge bezahlt!

Interstellare Materie

Als interstellare Materie bezeichnet man die Materie im interstellaren Raum, dem Raum zwischen den Sternen einer Galaxie. Wichtige Bestandteile der interstellaren Materie sind Gas und sowie Staubwolken, die zusammen als interstellare Materie bezeichnet werden. Hinzu kommen die kosmische und die elektromagnetische Strahlung sowie das galaktische Magnetfeld. All diese Komponenten bilden zusammen das „interstellare Medium“ (ISM). Die Bezeichnung „interstellare Materie“ wird manchmal auch dann verwendet, wenn eigentlich das gesamte interstellare Medium gemeint ist – beispielsweise wenn es um die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind geht. Das ISM spielt eine wesentliche Rolle in der Astrophysik, da aus interstellarer Materie Sterne entstehen, die mit Sternwinden und Supernovae auch wieder Materie in den interstellaren Raum abgeben. 

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

Videos:

1) → Asteroiden: Dichtes Gedränge im Sonnensystem

2) → Welt-Asteroiden-Tag: Die Gefahr aus dem Weltall

3) → Riesiger Asteroid genauer untersucht - Hygiea ist wohl ein Zwergplanet

4) → Sternzeit 02.09.2019 Juno vor 215 Jahren entdeckt Der Kleinplanet aus Lilienthal

5) → Meteoriten

6) → Meteor Hits Russia Feb 15, 2013 - Event Archive

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Infotext - Weltbilder (Astronomie)

Die Frage, wie die Welt als Ganzes aufgebaut ist, beschäftigte die Menschen schon in prähistorischer Zeit. 
Das babylonische Weltbild prägte die Vorstellung der Welt in der Antike. Es wurde unter anderem in die jüdische Tradition übernommen und ist uns daher im ersten Schöpfungsbericht im alten Testament überliefert. Die Erde ist demnach eine flache Scheibe, die von einem Himmelsgewölbe (dem Firmament) überragt wird. Die Himmelskörper (Sterne) sind „Lichter“, die fest an dem Firmament befestigt sind, bzw. Löcher im Himmelsgewölbe. Die Landmassen der Erde werden von einem Ozean umgeben. Außerhalb der Himmelskuppel ist ebenfalls Wasser.

Dieses Weltbild wurde jedoch schon in der Antike widerlegt und die Kugelgestalt der Erde erkannt. Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) begründete in seiner Schrift "Über den Himmel" schlüssig, warum die Erde eine Kugel sein müsse. Eratosthenes (276 - 195 v. Chr.) gelang es als erstem, den Erdumfang aus astronomischen Beobachtungen zu berechnen. Allerdings glaubte man in der griechischen Antike und darauf aufbauend bis zum Ende des Mittelalters, dass die Erde im Zentrum der Welt stehe. Dieses von Claudius Ptolemäus (ca. 80 - 160 n. Chr.) begründete geozentrische Weltbild beschrieb die Bahnen von Sonne, Mond und Sternen als Epizyklen [Die Epizykeltheorie besagt, dass ein beweglicher Stern sich auf einer kleinen Kreisbahn – Epizykel („Aufkreis“) genannt – bewegt, die ihrerseits auf einer großen Kreisbahn – Deferent („Trägerkreis“) genannt – um einen festen Mittelpunkt wandert.]. Es stimmte gut mit den Beobachtungen überein, war aber sehr kompliziert.

Nikolaus Kopernikus (1473 - 1543) erkannte, dass sich die Bahnberechnungen erheblich vereinfachen, wenn man annimmt, dass nicht die Erde, sondern die Sonne im Zentrum steht. Da dieses heliozentrische Weltbild jedoch im Widerspruch zur damaligen Lehre der katholischen Kirche stand, wurde es von ihr abgelehnt. Demnach muss die Erde mit dem Mensch als "Krone der Schöpfung" im Zentrum stehen.
Tycho Brahe (1546 - 1601) war dänischer Astronom. Er beobachtete den Himmel und erstellte sehr genaue Aufzeichnungen zur Bewegung der Himmelskörper. Er entwickelte ein Weltbild, in dem zwar die Erde im Zentrum stand, die Planeten kreisten aber nicht um die Erde, sondern um die Sonne, die sich ihrerseits um die Erde bewegte.
Johannes Kepler (1571 - 1630) konnte mit Brahes Beobachtungsdaten belegen, dass das heliozentrische Weltbild korrekt war. Er erkannte jedoch auch, dass die Planetenbahnen  keine Kreise waren – wie von Kopernikus angenommen –, sondern Ellipsen. Galileo Galilei (1564 - 1642) stützte durch seine Beobachtungen die Keplerschen Gesetze und vertrat das heliozentrische Weltbild sehr offensiv, was ihn in Konflikt mit der Kirche brachte. Die offensichtliche Diskrepanz zwischen den Worten der Bibel und der naturwissenschaftlichen Erkenntnis erklärte er damit, „dass es nämlich die Absicht des Heiligen Geistes ist, uns zu lehren, wie man in den Himmel kommt, nicht wie sich der Himmel bewegt.“ Seither emanzipiert sich das naturwissenschaftliche Weltbild immer weiter von biblischen Vorstellungen.
Isaac Newton (1642 - 1726) konnte mit seiner Theorie der Gravitation (Massenanziehung) eine physikalische Erklärung für die Gestalt der Planetenbahnen geben. Die Sterne galten zu jener Zeit noch als unveränderlich (daher die Bezeichnung Fixsterne). Bis ins 20. Jahrhundert änderte sich nichts an der Vorstellung eines immer gleich bleibenden unendlichen Universums (statisches Universum). Selbst Albert Einstein (1879 - 1955) fügte eine kosmologische Konstante in seine Allgemeine Relativitätstheorie ein, um das bis dahin herrschende Weltbild zu retten. Später bezeichnete er diesen Kunstgriff als „größte Eselei“, denn astronomische Beobachtungen ließen erkennen, dass der Kosmos nicht statisch ist, sondern sich in Wirklichkeit ausdehnt. Dies führte unmittelbar zu der Erkenntnis, dass die Welt nicht schon seit unendlichen Zeiten existiert hat, sondern vor ca. 13,7 Mrd. Jahren aus einer Singularität entstanden ist, dem Urknall.
Während in der Antike die Erde noch im Zentrum des Weltbildes stand, ist sie nach heutigen Vorstellungen lediglich ein recht kleiner Planet eines gewöhnlichen Sterns in einer vollkommen durchschnittlichen Spiralgalaxie. Dass ausgerechnet hier die Bedingungen so perfekt für die Entstehung von Leben eingerichtet erscheinen, wird mit dem anthropischen Prinzip erklärt: „Nur weil die Bedingungen günstig für die Entwicklung von intelligentem Leben waren, können wir heute über unsere Entstehung nachdenken, denn sonst wären wir nicht hier.“

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

Videos:

1) → Die Geschichte, wie sich unser Weltbild verändert hat | Quarks

2) → Heliozentrisch Geozentrisch

3) → Wandel des Weltbildes

4) → Der Streit zwischen Ptolemäus & Kopernikus

5) → Nikolaus Kopernikus - Der Abschied vom geozentrischen Weltbild (1)

6) → Nikolaus Kopernikus - Der Abschied vom geozentrischen Weltbild (2)

7) → Nikolaus Kopernikus - Der Abschied vom geozentrischen Weltbild (3)

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Aufgaben - Weltbilder (Astronomie)

Schau dir das erste Video zur Folie an (Die Geschichte, wie sich unser Weltbild verändert hat | Quarks) an und lies dir den Infotext zur Folie durch.

1. Welche Vorstellung hatte man in der Antike vom Aufbau der Welt? 
2. Welche wichtige Erkenntnis konnte durch Aristoteles schlüssig begründet werden?
3. Was ist das "geozentrische Weltbild"?
4. Welche Rolle spielt die Kirche bei der Entwicklung des Weltbildes?
5. Wer war "Tycho Brahe" und welchen Anteil hatte er an der Entwicklung des "heliozentrischen Weltbildes"?
6. Wer war Johannes Gutenberg und welchen Einfluss hatte er auf die Astronomie?
7. Was versteht man unter einem "statischen Universum" und wie hat sich diese Vorstellung nach heutiger Vorstellung verändert?
8. Was ist das "anthropische Prinzip"?

Videos:

1) → Wie funktioniert ein Teleskop? | frage-trifft-antwort.de | Planet Schule

2) → Frag den Lesch Die Crux mit dem Licht

3) → Joseph von Fraunhofer

4) → 200 Jahre Fraunhofer'sche Linien

5) → Spektralanalyse und Dopplereffekt | Josef M. Gaßner

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Infotext 1: [06a] Astronomie - Fachbegriffe

Zur Orientierung am Sternenhimmel ist zunächst die Festlegung einiger Fachbegriffe notwendig. 
Für einen irdischen Beobachter sind die Entfernungen der Gestirne am Himmel nicht abschätzbar, sie erscheinen sogar zunächst alle weitestgehend gleichweit entfernt. Tatsächlich sind die Entfernungen verschiedener Himmelskörper riesig und auch die Entfernungsunterschiede extrem groß. Allerdings sind sie alle so weit entfernt, dass mit bloßem Auge weder die Entfernung selbst, noch die Unterschiede von uns wahrgenommen oder auch nur halbwegs richtig eingeschätzt werden können. Deshalb entstand schon früh die Vorstellung von einer riesigen Himmelskugel, die die gesamte Erde und sogar das ganze Sonnensystem umschließt. Sie wird auch Himmelssphäre oder Firmament genannt, was sich vom antiken Weltmodell der Sphären ableitet: Der Himmel wurde der damaligen Vorstellung nach durch eine oder mehrere transparente Kugelschalen (Kristallsphären), mit der Erde im Zentrum, gebildet. An eine der durchsichtigen, sich drehenden Kristallsphären des Himmels dachte man sich die Sterne „angeheftet“ (lateinisch firmamentum, „Befestigungsmittel“). Diese Vorstellung von einer Himmelssphäre hat man in der modernen Astronomie aufgegriffen und verwendet sie für anschauliche Zwecke als scheinbare Himmelskugel zur Orientierung am Sternenhimmel. Sie ist eine gedachte Hohlkugel mit sehr großem Durchmesser, die als Himmelskugel die Erde und den Beobachter umgibt und dient als Bezugsfläche zur Orientierung und zur Angabe von Positionsdaten (Koordinaten).
Weiterhin hat man zur Orientierung Himmelspole definiert. So werden die Durchstoßpunkte der verlängerten Erdachse durch die scheinbare Himmelskugel bezeichnet. Die Verlängerung der Erdachse bis hin zur Himmelskugel trägt die Bezeichnung Himmelsachse, der Himmelsnordpol ist jener Punkt nahe dem Polarstern (α Ursae minoris), der Himmelssüdpol liegt ihm gegenüber. 
Der Zenit ist von Beobachtungspunkt abhängig. Er ist die senkrecht nach oben verlängerte Lotrichtung eines Standortes. Die Gegenrichtung nennt sich Nadir („Fußpunkt“).
Der astronomische Meridian ist derjenige Großkreis an der Himmelskugel, auf dem Zenit, Nadir sowie die beiden Himmelspole liegen. Er wird auch Himmelmeridian genannt zur besseren Unterscheidung vom geographischen Meridian, der durch einen Längenkreis auf der Erdkugel bestimmt ist.

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

Infotext 2: [06b] Astronomie - Das Horizontsystem

Astronomische Koordinatensysteme

Astronomische Koordinatensysteme dienen dazu, die Position von Himmelskörpern anzugeben. Wegen der großen Entfernungen der Himmelskörper von der Erde ist es für den Zweck der Beobachtung ausreichend, die Richtung der Objekte als „Ort“ am Himmel anzugeben. 
Dazu werden zwei Winkel verwendet; die Entfernung als dritte Koordinate eines Sterns ist zwar eine interessante Information, zum Auffinden des Sterns für Beobachtungszwecke ist diese Information aber nicht nötig. Die beiden Winkelangaben sind die Koordinaten des astronomischen Systems. Das ist vergleichbar mit den x/y-Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem in das man im Mathematikunterricht Punkte oder Funktionen einträgt. Zunächst muss aber zur Angabe von Koordinaten ein Koordinatenursprung festgelegt werden. Diese Festlegung erfolgt willkürlich, jedoch ist darauf zu achten, dass man die Handhabung des Systems möglichst einfach halten möchte. 
Je nach Anwendung kann der Ursprung des Koordinatensystems der Standort des Beobachters selbst sein, für manche Überlegungen kann es sich aber auch sinnvoller sein, den Ursprung an einen eindeutig definierten Ort zu legen, z.B. den Mittelpunkt der Erde, der Sonne oder ein anderer Himmelskörper. Für unsere Zwecke im Rahmen dieser Unterrichtseinheit wollen wir zwei verschiedene Koordinatensysteme betrachten, beide haben für unterschiedliche Zwecke ihre Vor- und Nachteile. Wir unterscheiden ganz allgemein sogenannte relative oder absolute Koordinatensysteme. Wir betrachten zunächst die relativen Koordinatensysteme, insbesondere das sogenannte „Horizontsystem“, etwas genauer.

Relative Koordinatensysteme: Das Horizontsystem

Relative Koordinatensysteme sind auf den Beobachter und seinen festen Standort ausgerichtet. Das macht beispielsweise besonders dann Sinn, wenn man Beobachtungen immer vom selben Ort aus durchführt, z.B. von einer Sternwarte aus.
Ein einfaches Beispiel ist das sogenannte „Horizontsystem“. Es ist aus der Sicht des Beobachters ein sehr vertrautes Koordinatensystem. Er bildet selbst den Ursprung des Systems. Neben dem Ursprung müssen aber noch zwei Bezugsrichtungen (willkürlich) festgelegt werden. Damit ist das Koordinatensystem dann auch schon komplett. Die vom Beobachter aus die sinnvollste und einfachste Festlegung für die Richtungen erfolgt über die Beobachtungsebene, sie wird durch die Projektion des Horizonts auf die Himmelssphäre und den Beobachtungsort festgelegt. Eine wichtige Angabe für die Position eines Sterns ist dann, unter welchem Winkel der Stern über dem Horizont steht. Dieser Winkel wird als Höhe h (auch Höhenwinkel oder Elevation) bezeichnet und kann beispielsweise mit einem Sextanten oder einem Theodolit sehr genau bestimmt werden.

Weiterhin wird jetzt noch eine zweite Bezugsrichtung benötigt, um die Position eines Sterns eindeutig festzulegen. Dabei orientiert sich hier an den „Himmelsrichtungen“. Die Süd-Richtung wird jetzt als Bezugsrichtung festgelegt. Mit der Angabe, um welchen Winkel sich also ein Beobachter aus der Blickrichtung „Süden“ drehen muss, bestimmt die gesuchte Position des Sterns eindeutig. Dabei ist die Drehrichtung vom Blick nach Süden ausgehend über Westen nach Norden und Osten festgelegt worden (Beim Blick auf den Boden also im Uhrzeigersinn). Diese Winkelangabe trägt die Bezeichnung Azimut a (von arabisch as-sumūt ‚die Wege‘), sie ist die zweite der beiden astronomischen Winkelkoordinaten zu Positionsbestimmung eines Sterns am Himmel. Beide Winkelkoordinaten werden in Grad angeben.

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

Videos:

1) → Orientierung mit Sonne, Mond & Sternen

2) → Astronomie: So entdecken Hobbyastronomen den Sternenhimmel | Quarks

3) → Astronomische Koordinatensysteme

4) → Winterzeit - Sommerzeit: Zeitumstellung auf dem Prüfstand

5) → Zeitzonen in 99 Sekunden

6) → Dauerhafte Sommerzeit: Warum sie ungesund für dich ist | Quarks

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1. Wie können wir uns am Himmel orientieren? 
   a) Beschreibe eine Möglichkeit sich am Tag zu orientieren. Hierzu gibt es einen Kinderreim. Wie lautet dieser? 
   b) Beschreibe eine Möglichkeit für die Orientierung in einer sternenklaren Nacht zum Auffinden der Himmelsrichtungen.
2. Recherchiere die folgenden Begriffe:
   a. Zenit
   b. Nadir
   c. Meridian
   d. Himmelsnordpol, Himmelssüdpol
   e. Himmelsachse
   f. Himmelsäquator
   g. Scheinbare Himmelskugel
3. Nenne drei astronomische Koordinatensysteme und jeweils den Namen der verwendeten Koordinaten.
4. Was ist ein „Gnomon“?
5. Der sichtbare Sternenhimmel verändert sich während einer Nacht. Auch viele Sterne gehen auf und unter. Deshalb ist die Zeit in der Astronomie wichtig. Was versteht man unter der „Ortszeit“?
6. Um 12:00 Uhr sollte die Sonne ihren höchsten Stand erreichen (Mittag). So wurde schon seit langer Zeit der Tag eingeteilt. Die Sonne erreicht allerdings heute (auch bei uns in KL) um 12:00 Uhr nicht ihren höchsten Stand. Wann erreicht die Sonne bei uns in KL ihren höchsten Stand und welche Unterscheidung muss man hierbei treffen?
7. Die Sonne erreicht bei uns in KL ihren höchsten Stand nicht dann, wenn 12:00 Uhr auf unseren Uhren steht. Eigentlich (d.h. astronomisch/geographisch) wäre es aber genau dann beim Sonnenhöchststand erst 12:00 Uhr. Die gesellschaftlichen Rahmenbedingungen erfordern diese Anpassung. Notiere jetzt die Zeit wann du gestern aufgestanden und zu Bett gegangen bist und berechne die eigentliche Ortszeit für Kaiserslautern zu diesen Zeitpunkten.
8. Was sind „Zeitzonen“ und warum gibt es sie?

Infotext: Rotierendes Äquatorsystem

Das Horizontsystem als relatives Koordinatensystem ist an den Beobachter gebunden. Es hat seinen Bezugspunkt am Ort des Beobachters und wird deshalb auch als lokales Koordinatensystem bezeichnet. Ein Nachteil des Horizontsystems liegt im Austausch von Informationen mit anderen Astronomen oder Sternwarten. Alle Angaben sind auf den jeweiligen Standort bezogen und deshalb an einem anderen Standort unbrauchbar. Um dieses Problem zu beseitigen ist die Verwendung von absoluten Koordinaten notwendig.

Absolute Koordinatensysteme: Das rotierende Äquatorsystem

Absolute Koordinatensysteme haben ihren Ursprung an einem relativ zum Beobachter neutralen Punkt: im Mittelpunkt von Erde, Sonne oder einem anderen Himmelskörper oder im galaktischen Zentrum. Ihre Bezugsebene ist auch nicht an den Beobachter gebunden, dreht sich also relativ zu ihm.

Als Beispiel betrachten wir hier das rotierende Äquatorsystem. Es hat seinen Ursprung im Erdmittelpunkt. Die Bezugsebene ist die Äquatorialebene des Himmels, d.h. die Ebene die durch den Äquator der Erde festgelegt ist. Ferner ist ein weiterer Bezugspunkt für die Winkelmessungen notwendig. Dieser Bezugs-punkt liegt in der Äquatorialebene und ist der sogenannte (und im Himmel „fixe“, d.h. „ortsfeste“) „Frühlingspunkt“. Kurz zusammengefasst ist dieser Punkt festgelegt durch die Verlängerung einer gedachten Linie von der Erde zur Sonne und darüber hinaus und zwar genau zum Zeitpunkt des Frühlingsanfangs (auf der Nordhalbkugel). Man erreicht dann eine Position die sich etwa im Sternbild Fische befindet. Dadurch wird der Nullmeridian auf der scheinbaren Himmelskugel festgelegt (Für weitere Einzelheiten → siehe: Der Frühlingspunkt).

Alle Winkelangaben im rotierenden Äquatorsystem beziehen sich auf die gedachte Verbindungslinie vom Erdmittelpunkt zum Frühlingspunkt. Damit sind alle notwendigen Voraussetzungen für das rotierende Äquatorsystem vollständig. Die Position eines Himmelsobjekts lässt sich jetzt wieder durch die Angabe von zwei Winkeln eindeutig festlegen. Der in der Äquatorialebene angegebene Winkel ist die Rektaszension α. Der Deklinationswinkel δ wird zum Himmelsnordpol (bzw. Himmelssüdpol) gemessen. Der Scheitelpunkt von Rektaszension und auch Deklination liegt im Erdmittelpunkt.

Winkel-Angaben in Stunden und in Grad

Die Angabe des Deklinationswinkels δ erfolgt in üblicher Art und Weise in der Einheit Grad [°]. Die Angabe des Rektaszensionswinkels α wird dagegen im Stundenmaß (auch „Zeitmaß“ genannt) denen in Grad vorgezogen. Die Angaben erfolgen also in Stunden, Minuten und Sekunden. Der Vollwinkel von 360° wird dabei in 24 Stunden unterteilt. Eine Stunde entspricht also einem Winkel von 15°. Das Zeitmaß wird ausschließlich für Winkel in der Äquatorebene (also der Rektaszension) benutzt. Es stellt eine Verbindung zwischen der scheinbaren Positionsänderung eines Himmelskörpers unter der Erddrehung und der dabei verstrichenen Zeit her.

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

Infotext: Der Frühlingspunkt

Der Frühlingspunkt

Der Koordinatenursprung ist der Ausgangspunkt für ein astronomisches Koordinatensystem. Die Festlegung eines zweiten festen Punktes (Fixpunkt) am Himmel ist eine weitere grundlegende Voraussetzung für ein absolutes Koordinatensystem wie das Äquatorsystem. Er liegt definitionsgemäß unendlich weit entfernt. Die Richtung zu ihm von der Erde aus betrachtet ist deshalb immer dieselbe. Dabei bezieht man sich aber zunächst auf die Sicht eines „Außenstehender Beobachters“, d.h. man betrachtet die Erde aus einem Raumschiff und dreht sich dabei nicht mit der Erde um ihre Achse mit.
Aus der Sicht eines Beobachters auf der Erdoberfläche ist die Situation allerdings etwas schwieriger. Aufgrund seiner Eigenbewegung (durch die Rotation der Erde um ihre eigene Achse) ist ein entsprechender Fixpunkt nicht so leicht festzulegen. Um dies trotzdem zu erreichen bezieht man sich aus der Sicht eines mitbewegten Beobachters auf der Erdoberfläche auf den „Lauf der Sonne“ am Himmel. Das ist gleichbedeutend damit, dass man sich auf die Jahreszeiten bezieht. Entscheidend ist dabei, dass es auf der Erdoberfläche immer genau einen Punkt gibt, an dem die Sonne im Zenit steht, ein Beobachter auf der Erde die Sonne also genau senkrecht über sich sieht. Dieser Punkt befindet sich aufgrund der Drehung der Erde um ihre eigene Achse, und auch aufgrund der Drehung um die Sonne im Laufe eines Jahres, für sechs Monate auf der Nordhalbkugel (Sommerhalbjahr in Deutschland) und für sechs Monate auf der Südhalbkugel (Winterhabjahr). Dieser besagte Punkt überschreitet also während eines Jahres zwei Mal den Äquator. Dies passiert, bezogen auf die Nordhalbkugel, genau zum Frühlingsanfang und zum Herbstanfang. Die Erdachse steht dann senkrecht auf der Verbindungslinie der Mittelpunkte von Erde und Sonne, es ist der Zeitpunkt der Tagundnachtgleiche auf der Erde. Die Verlängerung der Verbindungslinie von Erdmittelpunkt zur Sonne zeigt dann immer genau auf einen festen Punkt. Entsprechend der Jahreszeiten werden diese Punkte „Frühlingspunkt“ und „Herbstpunkt“ genannt. Für das rotierende Äquatorsystem hat man den Frühlingspunkt als festen Bezugspunkt gewählt.

Der Frühlingspunkt befindet sich immer auf der Ekliptik, d.h. auf einer gedachten Linie, die die scheinbare Bahn der Sonne auf der scheinbaren Himmelskugel beschreibt. Auf der „Drehbaren Sternkarte“ liegt der Frühlingspunkt genau auf dem Schnittpunkt von Ekliptik (Bahn der Sonne) und Himmelsäquator. Heute befindet er sich etwa im Sternbild Fische.  

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

Videos:

1) → Astronomische Koordinatensysteme

2) → Die scheinbare Himmelskugel

3) → Veranschaulichung eines geozentrischen Äquatorialen Koordinatensystems

4) → Sonnenstand Jahreszeiten: 04 Animation Erdbahn

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Infotext: Orientierung am Sternenhimmel (3) - Sternbilder

Unter einem Sternbild wird in der heutigen Astronomie eine Region des Sternenhimmels verstanden, die eine Gruppe sichtbarer heller Sterne von anderen Himmelsregionen abgegrenzt. Für den Anblick des Himmels von der Erde aus wurden so Anfang des 20. Jahrhunderts mit internationaler Übereinkunft die Grenzen von 88 Sternbildern festgelegt, mit denen die Fläche der scheinbaren Himmelskugel restlos aufgeteilt ist, um Himmelskörper leicht zuordnen zu können.

Mit bloßem Auge, ohne Hilfsmittel, sind am Sternenhimmel bis auf einige wenige Ausnahmen – wie den "Andromedanebel" – nur Sterne zu sehen, die unserer Galaxie, der Milchstraße, angehören. An Orten mit wenig Lichtverschmutzung können wir bis zu ca. 8000 Sterne sehen. Meistens ist es dafür aber zu hell, man kann dann nur etwa 2000 Sterne sehen. Helle Sterne wurden schon in der Jungsteinzeit zur visuellen Orientierung genutzt, zu Sterngruppen zusammengefasst und als Figuren gesehen, im frühen Altertum mythologisch gedeutet und seit der Antike mythischen Gestalten, Tieren oder Gegenständen zugeordnet. Ein bekanntes Beispiel ist der sogenannte Große Bär (Ursa maior) beziehungsweise ein Teil dessen als Großer Wagen, dessen zwei Kastensterne die Richtung zum Polarstern zeigen.

Die Sterne eines solchen Sternzuges oder eines Sternbildes haben von der Erde aus betrachtet untereinander relativ geringe Winkelabstände und liegen daher im Sinne der Himmelskoordinaten auf der scheinbaren Himmelskugel relativ nahe beieinander. Diese Nähe ist jedoch nur eine scheinbare. Durch genaue Messung (Parallaxe) lässt sich für einzelne Sterne die Entfernung vom Sonnensystem bestimmen, sie kann bei den Sternen eines Sternbildes um ein Vielfaches differieren. So können Sterne zu anderen Sternen desselben Sternbildes einen größeren Abstand haben als den zur Sonne. Ebenso können zwei Sterne verschiedener Sternbilder auch tatsächlich in kleinerer Distanz zueinander stehen als scheinbar eng benachbarte Sterne des gleichen Sternbildes.

Sternbilder waren in vielen Kulturen ein wichtiges Mittel zur Orientierung und insbesondere für die Seefahrt von Bedeutung. Heute dienen sie der Kartierung des Himmels unf der örtlichen Zuordnung veränderlicher Himmelsobjekte wie Meteore oder Novae (Sternexplosionen). Sternenzüge werden auch als „Konstellation“, nicht präzise definierte Sternkonstellationen als „Asterismus“ bezeichnet. Ein Asterismus kann Teil eines Sternbildes sein und aus benachbarten Sternen bestehen. Der bekannteste Asterismus der westlichen Welt ist der Große Wagen, dessen Sterne einen Teil des Großen Bären ausmachen, oder der „Gürtel“ des Orion. 

Sternbilder lassen sich in fast allen Kulturen feststellen und bis in die frühen Hochkulturen zurückverfolgen. Dabei spielen menschenähnliche Figuren (etwa Orion), Drei- bis Sechsecke und längere Sternreihen (Andromeda, Wasserschlange) bzw. Sternzüge (Drache, Schlange, Eridanus) eine besondere Rolle. Die heutigen Sternbilder gehen zurück auf zwölf babylonische sowie altägyptische Tierkreiszeichen, die im antiken Griechenland auf 48 erweitert wurden. Zwischen 1600 und 1800 wurden noch weitere eingeführt. Seit 1922 werden die international anerkannten 88 Sternbilder verwendet, deren Grenzlinien im Jahr 1928 von der IAU (Internationale Astronomische Union) offiziell definiert wurden. 

Die Astrognosie (aus dem Griechischen: „Sternenkenntnis“) ist das Fachgebiet der Astronomie, das sich mit Sternbildern und Sternenzügen befasst. Die Namen der Sternbilder sind für die systematische Benennung von Sternen mit griechischen Buchstaben (Alpha, Beta, Gamma, …) und lateinischer Bezeichnung des Sternbilds von Bedeutung, z. B. „Alpha Centauri“.

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

Videos:

1) → Sternbilder erklären | Andromeda

2) → Das Rätsel der Sternbilder - Steinzeitatlas am Firmament

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Infotext 1: Orientierung am Sternenhimmel (4) - Bewegung am Sternenhimmel

Scheinbare und wahre Bewegung am Sternenhimmel

Die Festlegung der Tageslänge ist auf die scheinbare Bewegung der Sterne und der Sonne zurückzuführen. Diese scheinbare Bewegung ist eigentlich mit der Rotation der Erde um ihre eigene Achse zu begründen. Die Sterne bewegen sich also nicht wirklich, als Beobachter auf der Erde haben wir aber den Eindruck, dass das der Fall wäre. Das gilt aber nicht für alle sichtbaren Himmelskörper. Vergleicht man den Himmel als Beobachter vom gleichen Ort genau nach einem siderischen Tag, dann bemerkt man, dass nicht alle Himmelskörper wieder die gleiche Position eingenommen haben. Beispielsweise nimmt der Mond dann relativ zu den anderen Himmelskörpern eine andere Position ein. Diese Positionsänderung findet nicht nur „scheinbar“ statt. Der Mond hat in der verstrichenen Zeit tatsächlich seine Position geändert. Ähnlich verhält es sich auch bei Satelliten, Kometen, Asteroiden oder den Planeten in unserem Sonnensystem. Das auffinden von Asteroiden funktioniert beispielsweise genau auf diesem Weg. Man vergleicht Aufnahmen vom Himmel an verschiedenen Tagen und legt die Bilder übereinander. Alle Veränderungen der auf den Bildern weisen auf die wahre Bewegung von Himmelskörpern hin und könnten somit Asteroiden sein. Die Beobachtung der wahren Bewegung von Himmelskörpern ist ein Hinweis auf eine relativ kleine Distanz zur Erde. 

Die Unterscheidung von wahrer und scheinbarer Bewegung ist auch anschaulich leicht zu verstehen. Während einer Zugfahrt hat man als Fahrgast beim Blick aus dem Fenster den Eindruck, dass sich die Bäume und Häuser außerhalb des Zuges an uns verbeibewegen. Tatsächlich bewegen sich aber natürlich der Zug und die Fahrgäste, die Bäume und Häuser außerhalb des Zuges bewegen sich also nicht. Das ist allerdings ein Eindruck den nur ein außenstehender Beobachter am Bahnsteig erhalten kann. Kommt jedoch ein zweiter Zug meinem eigenen Zug entgegen, dann findet dessen Bewegung tatsächlich statt. Diesen Eindruck kann dann auch der Beobachter am Bahnsteig bestätigen.

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

Infotext 2: Orientierung am Sternenhimmel (4) - Siderischer Tag / Sonnentag

Siderischer Tag und Sonnentag

Ein siderischer Tag (lateinisch sidus ‚Stern‘) ist die Zeitspanne einer vollen Umdrehung der Erde um sich selbst. Dabei bezieht man sich auf den Fixsternhintergrund des Sternhimmels und nicht auf die Sonne als Bezugspunkt. Eine vollständige Umdrehung der Erde um die eigene Achse ist genau dann abgeschlossen, wenn die Fixsterne am Himmel wieder die gleiche Position wie zuvor eingenommen haben. Die durchschnittliche Dauer solch einer vollen Umdrehung wird als „siderischer Tag“ bezeichnet. 

Betrachtet man allerdings die Sonne als Bezugspunkt, dann besteht der entscheidende Unterschied darin, dass sich durch die Rotation der Erde um die Sonne die Position der Erde im Laufe eines Tages geändert hat. Aus der Sicht eines Beobachters auf der Erde bildet die Position der Sonne am Himmel also eine Ausnahme! Durch die Rotation der Erde um die Sonne im Laufe eines Jahres hat die Sonne nach der vollständigen Umdrehung der Erde um ihre eigene Achse noch nicht ganz ihre ursprüngliche Position am Himmel erreicht. Das wird auch an der relativen Position der Sonne im Vergleich zum übrigen Sternenhimmel deutlich. Aus der Sicht eines Beobachters auf der Erde erreicht die Sonne beispielsweise ihren Höchststand (Kulminationen: Zeitpunkt der höchsten täglichen Lage auf der scheinbaren Kreisbahn am Himmel) erst ca. vier Minuten nachdem die Erde ihre vollständige Umdrehung um die eigene Achse abgeschlossen hat. Die Erde muss sich also noch ein Stück weiterdrehen und vollzieht dann etwas mehr als eine vollständige Drehung. Diese Zeitspanne wird als „Sonnentag“ bezeichnet. Aufgrund der zentralen Bedeutung der Sonne für unser Leben auf der Erde ist diese Zeitspanne das zentrale Zeitmaß für unser alltägliches Leben. 

Ein mittlerer siderischer Tag der Erde dauert etwa 23 Stunden 56 Minuten 4,0989 Sekunden (≈ 23,93447192 h). Bei genauer Betrachtung stellt man fest, dass die Länge von siderischen Tagen auf der Erde ist nicht konstant ist.  Solche Fluktuationen beruhen vermutlich auf Massenverlagerungen im flüssigen äußeren Erdkern, auch die Wassermassen der Ozeane haben einen Einfluss. Weiterhin erhöhen die Gezeitenreibung (Ebbe und Flut) wie auch gravitative Gezeitenkräfte, die die Massen der Sonne und des Mondes auf die Erdmasse ausüben, die Dauer des siderischen Tags pro Jahrhundert um etwa 1,7 Millisekunden.

Auch die Zeitspanne eines Sonnentages ist nicht konstant. Die Dauer eines auf den tatsächlichen Sonnenstand bezogenen wahren Sonnentages variiert im Jahresverlauf um bis zu 30 Sekunden. Der über mehrere Jahre gemittelte Durchschnittswert ist der mittlere Sonnentag und beträgt 24 Stunden. Die unterschiedlich langen wahren Sonnentage summieren sich so, dass die wahre Sonnenzeit gegenüber der gleichmäßig vergehenden mittleren Sonnenzeit zeitweise sogar um bis zu knapp 15 Minuten “vor-” bzw. “nachgeht”.

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Videos:

1) → Sternbewegungen erklärt - Polarstern - Erdachse

2) → Drehung des Sternenhimmels - Zeitraffer zeigt die Bewegung

3) → Mond und Mondbahn

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Videos:

1) → "Curiosity" aus dem Hause NASA rollt über den Mars

2) → NASA Mars Science Laboratory (Curiosity Rover) Mission Animation

3) → Neue Mission zum Mars - Curiosity 2.0 startet 2020

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