Schülerinnen und Schüler nutzen Aufnahmen und Spektren, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnen wurden, um die Masse eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 zu berechnen. Mithilfe des Doppler-Effekts können Schülerinnen und Schüler die Geschwindigkeit ermitteln, mit der sich Gas in einer bestimmten Entfernung um das Zentrum der Galaxie M87 bewegt. Aus diesen Daten können sie dann auf die Masse schließen. Die mit einfachen Mitteln zu erzielenden Resultate sind durchaus mit den in der Literatur publizierten Werten vergleichbar. Das vom Hubble-Weltraumteleskop aufgenommene Bild (links) zeigt den aktiven Kern der Galaxie, aus dem ein gebündelter Jet aus Elektronen und subatomaren Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit herausschießt. Das hier vorgestellte Projekt ist eine von mehreren Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, die von der Arbeitsgruppe Fachdidaktik der Physik und Astronomie an der Physikalisch-Astronomischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelt wurden (weitere Projekte: Die Entfernung der Supernova SN 1987A und Die Entfernung der Galaxie M100 ). Von den mathematisch anspruchsvollen Übungen stellt das hier vorgestellte Projekt die höchsten Anforderungen an die Schülerinnen und Schüler. Die Suche nach Schwarzen Löchern Neben der Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien müssen bei der Suche nach möglichen Schwarzen Löchern noch weitere Kriterien herangezogen werden. Die Schülerinnen und Schüler erklären den Verlauf der Rotationskurven von Galaxien mit und ohne Schwarzem Loch im Kern der Galaxie. bestimmen mithilfe des Doppler-Effekts die Geschwindigkeit, mit der das Gas in Abhängigkeit von der Entfernung zum Zentrum der Galaxie M87 rotiert und schließen daraus auf die Masse. beziehen die Geometrie der um das Zentrum der Galaxie rotierenden Gasscheibe (Projektion des kreisförmigen Rings als Ellipse an die Himmelssphäre) in ihre Berechnungen mit ein und schulen dadurch ihr räumliches Vorstellungsvermögen. erkennen, dass die Auflösung des Hubble-Weltraumteleskops nicht ausreicht, in der Nähe des Schwarzschildradius relativistische Geschwindigkeiten nachzuweisen zu können. lernen für das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie neben den charakteristischen Eigenschaften der Rotationskurve noch weitere Indizien kennen. In letzter Zeit mehren sich die Anzeichen dafür, dass Schwarze Löcher nicht nur theoretisch möglich sind, sondern tief im Innern vieler Galaxien auch wirklich existieren. Sie könnten durch dynamische Vorgänge in den Galaxienzentren, wie etwa der Akkretion von Materie aus einer Gasscheibe, entstanden sein und so die am wenigsten exotische Erklärung für die Aktivitäten von Galaxienkernen, wie zum Beispiel intensive Röntgen- und Radiostrahlung und die Aussendung von Materie-Jets, darstellen. So deuten seit Langem gleich mehrere Indizien darauf hin, dass auch die riesige elliptische Galaxie M87 (Abb. 1), die zum Virgo-Galaxienhaufen gehört, ein massereiches Schwarzes Loch beherbergt. Dem hohen Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verdanken wir die Entdeckung einer rotierenden Scheibe aus ionisiertem Gas im Zentrum dieser Galaxie. Keplersch oder nicht? Die empirische Abhängigkeit der Rotationsgeschwindigkeit v vom Abstand R ist bei normalen Galaxien nicht keplersch. Die inneren Partien von Spiral- und elliptischen Galaxien rotieren nämlich wie starre Körper, das heißt, die Bahngeschwindigkeit wächst linear mit dem Abstand. Dies lässt auf eine konstante Massendichte schließen. Weiter außen bleiben dann die Bahngeschwindigkeiten über große Abstände nahezu konstant, das heißt, dort wächst die Masse linear mit dem Abstand. Enthielte das Zentrum einer Galaxie nun ein Schwarzes Loch mit der Masse von einer Milliarde Sonnen, zeigt die Rotationskurve bei enger Annäherung an dieses Zentrum einen keplerschen Verlauf, so wie die des Sonnensystems. Geschwindigkeit von Sternen oder Gas im Kern der Galaxien Damit liegt eine Strategie für die Suche nach Schwarzen Löchern in Galaxienzentren auf der Hand: Wir müssen in möglichst kleinen Abständen vom Zentrum einer Galaxie die Geschwindigkeit von Sternen oder Gas messen. Ist die Rotationskurve dann keplersch, gibt dies einen deutlichen Hinweis darauf, dass im Galaxienzentrum ein sehr massereiches, kompaktes Objekt verborgen ist. Ein beeindruckendes Beispiel dafür ist die mit dem Langspalt-Spektrographen des Hubble-Weltraumteleskops aufgenommene Rotationskurve für das Zentrum der Galaxie M84. Abb. 2 zeigt die Zentralregion der Galaxie M84 in einer Aufnahme der Weitwinkelkamera des Weltraumteleskops (links). Der rechte Bildteil zeigt die Verteilung der Geschwindigkeiten von Sternen und Gas über die von dem Rechteck im linken Bild markierten Abstände vom Zentrum. Diese Radialgeschwindigkeitskurve zeigt die auf den Beobachter zu (blau) und von ihm weg (rot) gerichteten, messbaren Komponenten der Bahngeschwindigkeit. Ihre Auswertung führt auf 300 Millionen Sonnenmassen in einer Kugel mit 26 Lichtjahren Radius! Das begrenzte Auflösungsvermögen des Hubble-Weltraumteleskops verhindert bei Weitem die für den endgültigen Nachweis eines Schwarzen Lochs nötige Annäherung an dessen Schwarzschild-Radius, wobei sich relativistische Bahngeschwindigkeiten ergeben müssten. Aber auch dann, wenn die empirische Feststellung des keplerschen Verlaufs der Rotationskurve bei Annäherung an das Zentrum bei einem bestimmten kleinsten Abstand R abbricht, können wir aus einem ( R, v )-Messpunkt auf die von der Kugel mit dem Radius R eingeschlossene Masse schließen. Anschließend müssen jedoch andere Argumente zugunsten eines Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 als die (für noch kleinere Abstände empirisch nicht mehr vorhandene) Rotationskurve herangezogen werden, um Alternativen auszuschließen: Viel Masse auf engem Raum Ein Schwarzes Loch wird umso wahrscheinlicher, je mehr Masse in einem bestimmten Volumen enthalten ist und je mehr diese die Masse der darin leuchtenden Materie übersteigt. Mathematische Modelle Dynamische Rechnungen zeigen, dass nicht leuchtende Himmelskörper, wie zum Beispiel Braune Zwerge, Neutronensterne und stellare Schwarze Löcher, in der erforderlichen Anzahl rasch zu einem einzigen Schwarzen Loch kollabieren würden. Materie-Jet Nahezu senkrecht auf der Gasscheibe im Zentrum von M87 steht ein sogenannter Materie-Jet (Abb. 3), der radioastronomischen Beobachtungen zufolge aus einem Gebiet von höchstens sechs Lichtjahren Durchmesser austritt. Zur Erklärung dieses Phänomens wird seit Langem ein Schwarzes Loch diskutiert. Die in diesem Projekt durchgeführte Auswertung der M87-Daten drängen zu folgender Schlussfolgerung: Wenn wir die in einem relativ kleinen Volumen konzentrierte Masse nicht als die eines Schwarzen Lochs deuteten, wüssten wir nach dem heutigen Stand der Wissenschaft gar keine Erklärung dafür abzugeben. Um uns dieser Deutung noch mehr zu vergewissern, müsste die Bewegung von Sternen und Gas in noch größerer Nähe zum Zentrum der Galaxie analysiert werden. Zumindest für das Milchstraßensystem ist dies in jüngster Zeit geschehen (siehe Links und Literatur ). Eckart, A., Genzel, R. Erster schlüssiger Beweis für ein massives Schwarzes Loch?, Physikalische Blätter 54 (1998) (l) 25-30 Eckart, A., Genzel, R. Der innerste Kern des galaktischen Zentrums, Sterne und Weltraum 37 (1998) (3) 224-230 Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. Massive Black Holes in the Hearts of Galaxies, Sky & Telescope (1996) (6) 28-33 Ford, H.C., Harms, R.J., Tsvetanov, Z.I. et al Narrow Band HST Images of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L27-30 Harms, R.J., Ford, H.C., Tsvetanov, Z.I. et al HAST FOS Spectroscopy of M87: Evidence for a Disk of Ionized Gas Around a Massive Black Hole, Astrophysical Journal Letters 435 (1994) L35-38 Lotze, K.-H. Schwarze Löcher - vom Mythos zum Unterrichtsgegenstand, Praxis der Naturwissenschaften/Physik 49 (2000) (5) 21-27 Lotze, K.-H. Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 1: Die Entfernung der Supernova SN1987A, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 51 (1998) (4) 218-222 Lotze, K.-H. Praktische Schülerübungen mit Originaldaten des Hubble-Weltraumteleskops, Projekt Nr. 2: Die Entfernung der Galaxie M100, Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht (MNU) 52 (1999) (2) 85-91 Rubin, V.C. Dark Matter in Spiral Galaxies, Scientific American 248 (1983) (6) 96-106

In dieser Unterrichtseinheit zur Expansion des Weltalls erarbeiten die Schülerinnen und Schüler grundlegende Ansätze zum Verständnis des Urknall-Modells. Dabei geht es in erster Linie um die physikalische Interpretation der Rotverschiebung in den Spektren weit entfernter Galaxien. Die Arbeitsblätter nehmen dabei Bezug auf ein Erklärvideo zum Thema Kosmologie. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.Die Verschiebung von Spektrallinien in den Spektren von Galaxien wird zunächst als Folge des optischen Dopplereffekts gedeutet, was dem Vorgehen von Edwin Hubble bei seinen Auswertungen im Jahre 1929 entspricht. Die Lernenden stellen in diesem Zusammenhang mithilfe von 14 Galaxienspektren ein Entfernung-Geschwindigkeit-Diagramm für die Galaxien auf und bestimmen einen Wert der Hubble-Konstante. In einem weiteren Arbeitsblatt erfahren die Lernenden dann, dass der Astrophysiker George Lemaître die Rotverschiebung der Spektrallinien mit der Ausdehnung des Raumes erklärte und damit als einer der Ersten das Urknall-Modell postulierte. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier "Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht" . Das Thema "Expansion des Weltalls" im Unterricht Die Unterrichtseinheit verbindet Inhalte der Oberstufen-Physik (beispielsweise den Dopplereffekt, die Aufnahme und Interpretation von Spektren sowie die Darstellung und Auswertung von Daten) mit interessanten Fragen der modernen Kosmologie. Dadurch werden Inhalte des Physik-Unterrichts in einen stark motivierenden und anwendungsorientierten Kontext gestellt. Vorkenntnisse Im Unterricht sollte die Wellen-Eigenschaft des Lichts bereits behandelt worden sein. Speziell sollten Kenntnisse vorhanden sein, wie man Lichtspektren aufnimmt (Prisma oder optisches Gitter) und auswertet. Kenntnisse zum Dopplereffekt sind nützlich, können aber auch während der Unterrichtseinheit durch Recherche erarbeitet werden. Einige astronomische Grundkenntnisse sollten ebenfalls vorhanden sein. So ist es hilfreich, wenn die Lernenden wissen, was die Einheit "Lichtjahr" bedeutet, was eine Spiralgalaxie ist, und wie das Spektrum des Wasserstoff-Atoms aussieht. Didaktische und methodische Analyse Die Entdeckung von Edwin Hubble, dass die Rotverschiebung in den Spektren von Galaxien mit deren Entfernung von der Erde korreliert, war für die Entwicklung der modernen Kosmologie außerordentlich bedeutsam und befeuerte die Diskussion über die Beschaffenheit und Dynamik des Universums. Theoretische Folgerungen auf der Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie konnten nun auf den experimentellen Prüfstand gestellt werden. Selbst Albert Einstein wurde veranlasst, seine Idee eines statischen Universums und die Einführung seiner kosmologischen Konstante zu überdenken. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass Edwin Hubble keineswegs die Idee eines expandierenden Weltalls formulierte, sondern lediglich die Verknüpfung von Entfernung und Rotverschiebung feststellte, dies aber mit einer Relativgeschwindigkeit der Objekte zueinander zu erklären versuchte. Der eigentliche Vater des Urknall-Modells ist aber der belgische Priester und Astrophysiker Georges Lemaître, der die Ergebnisse von Hubble ganz anders interpretierte: Der Raum ist es, der sich kontinuierlich ausdehnt, die Galaxien dabei mitnimmt und so eine scheinbare Bewegung der Objekte bezüglich des Beobachters erzeugt. Die Rotverschiebung entsteht dann dadurch, dass die Lichtwellen praktisch auseinandergezogen werden, wenn der Raum sich auf ihrem Weg zu uns vergrößert hat. Dies nennt man kosmologische Rotverschiebung. Für ein eingängiges Beispiel, das man auch gut im Unterricht vorführen kann, eignet sich ein Luftballon. Dieser wird ein wenig mit Luft gefüllt, dann werden an verschieden Stellen Punkte (Galaxien) mit einem Filzstift aufgezeichnet. Auch eine "Lichtwelle" in Form einer aufgemalten engen Sinuskurve sollte nicht fehlen. Wenn man nun den Luftballon langsam aufbläst (der Raum vergrößert sich), erkennen die Lernenden gut, dass sich die Punkte voneinander wegbewegen, obwohl sie ihren Platz nicht verlassen. Außerdem wird die Lichtwelle auseinandergezogen, was besagter kosmologischer Rotverschiebung entspricht. Die Deutung der Rotverschiebung als Dopplereffekt ist dennoch akzeptabel für nicht zu weit entfernte Galaxien, da der Wert von H 0 dann noch als konstant angesehen werden kann. Allerdings muss man sich bei dieser Deutung darüber im Klaren sein, dass man dann der Galaxie eine Geschwindigkeit zu einem Zeitpunkt zuordnet, als das Licht von ihr ausging. Wird die Rotverschiebung der Galaxie hingegen kosmologisch gedeutet, können wir daran ablesen, in welchem Maße sich das Universum seither ausgedehnt hat. Die Unterrichtseinheit "Die Expansion des Weltalls" orientiert sich in ihrer Struktur an dem wissenschaftshistorischen Weg: So wird zunächst der Dopplereffekt als nützliches Hilfsmittel zur Messung von Geschwindigkeiten im Weltall behandelt. Die Auswertung von Galaxienspektren führt dann unter Verwendung der Dopplerformel zu einem Entfernung-Geschwindigkeit-Diagramm, so wie es Hubble seinerzeit erstellt hatte. Daraus lässt sich dann das Hubble-Gesetz herleiten und aus der Steigung der Regressionsgerade die Hubble-Konstante bestimmen. Dass die Geschwindigkeit, die aus der Rotverschiebung mithilfe der Dopplerformel gewonnen wurde, eher als scheinbare Bewegung verstanden werden sollte, wird schließlich im dritten Arbeitsblatt thematisiert, wenn die Idee des sich aufblähenden Raumes und das Urknall-Modell zur Sprache kommen. Für die Erstellung des Hubble-Diagramms stehen die Spektren von 14 Galaxien zur Verfügung. Diese befinden sich in unserer kosmischen Nachbarschaft, also in einem Raumbereich, in dem die Rotverschiebung deutlich unter 10 % (z=0,1) liegt. Dann nämlich darf man davon ausgehen, dass die Hubble-Konstante wirklich eine Konstante ist. Für weiter entfernte Objekte gilt das nicht mehr, da ihr Licht aus einer Zeit stammt, als die Ausdehnungsrate des Weltalls einen anderen Wert hatte als jetzt. Man weiß inzwischen, das die Expansionsgeschwindigkeit sich im Laufe der Jahrmilliarden verändert hat und die Hubble-Konstante daher zeitabhängig ist (also eher ein Hubble-Parameter ist). Es ist ratsam, dass die Lernenden die 14 Galaxienspektren arbeitsteilig auswerten und ihre Ergebnisse anschließend in einer Tabelle im Plenum eintragen. Die Auswertung erfolgt sinnvollerweise mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms. Achten Sie darauf, dass die Lernenden eine Gerade als Trendkurve wählen, die durch den Ursprung geht. Die Lernenden werden feststellen, dass die Streuung der Punkte um diese Gerade recht groß ist. Dies dient als willkommener Anlass, im Plenum die Gründe zu besprechen. Hier sollte vor allem kurz auf die Problematik der Entfernungsmessung von Galaxien eingegangen werden. Der Streit um den Wert der Hubble-Konstanten ist übrigens in der Wissenschaft zurzeit in vollem Gange. Erstaunlicherweise haben gänzlich verschiedene und voneinander unabhängige Methoden zu unterschiedlichen Werten für H 0 geführt, wobei sich die Fehlergrenzen der Ergebnisse kaum überlappen. Bisher konnte niemand schlüssig erklären, woher diese Unterschiede kommen. Das Thema dieser Unterrichtsreihe streift also ein brandaktuelles Thema der modernen Astrophysik. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen den optischen Dopplereffekt kennen und wenden ihn an, um die Geschwindigkeit astronomischer Objekte zu bestimmen. werten Spektren von Galaxien aus und bestimmen aus einem Diagramm die Hubble-Konstante. lernen die grundlegenden Ideen des Urknall-Modells kennen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren im Internet und sammeln, sortieren und bewerten Informationen. verwenden ein Tabellenkalkulationsprogramm zur Darstellung und Auswertung von Daten. binden Informationen eines Erklärvideos in ihre Lösungen ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Aufgaben in Paar- und Gruppenarbeit. tauschen Informationen und Messergebnisse untereinander aus. diskutieren und hinterfragen Lösungen im Plenum .

Mit der Verleihung des Physik-Nobelpreises 2020 für den Nachweis der Existenz des supermassereichen Schwarzen Loches Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße an Reinhard Genzel, Andrea Ghez und Roger Penrose rückte die extrem aufwendige Erforschung des Universums einmal mehr in den Fokus der Öffentlichkeit. Die vorliegende Unterrichtseinheit hat zum Ziel, Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe ein schwieriges und sehr komplexes Thema – ohne die im Detail dafür notwendige, aber im Schulunterricht nicht mögliche höhere Mathematik – näherzubringen. Die Unterrichtsmaterialien können auf Deutsch und auf Englisch (für den englisch-bilingualen Unterricht) heruntergeladen werden.Die Erkenntnisse von Albert Einstein, die er mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) im Jahr 1915 veröffentlichte, hatten die Existenz Schwarzer Löcher als natürliche Konsequenz der Raum-Zeit-Krümmung prognostiziert. Der laut der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften bisher überzeugendste Beweis für ein superschweres Schwarzes Loch mit einer Masse von rund vier Millionen Sonnenmassen im Zentrum der Milchstraße war die Bestätigung für jahrzehntelange akribische Forschung und Auswertung immenser Datenmengen mit den heute den Astrophysikern zur Verfügung stehenden technischen Möglichkeiten. Der im Laufe von Milliarden von Jahren entstandene heute bekannte Kosmos hat aufgrund seiner ständig fortschreitenden Ausdehnung eine Größe von 1023 km überschritten und enthält Milliarden von Galaxien und Sternen. Den Lernenden wird zunächst mithilfe von Animationen, erläuternden Videos und Schaubildern die Entwicklung von Sternen und deren weiterer Verlauf in ihrem Lebenszyklus vorgestellt. So anschaulich wie möglich werden dann die Vorgänge besprochen, die ein Riesenstern auf seinem Weg über eine Supernova hin zum Schwarzen Loch nimmt. Die nur eingeschränkt zu verstehenden Fakten der ART Einsteins werden mithilfe von Videos und Animationen verständlich gemacht, bevor mit den Möglichkeiten der gymnasialen Oberstufenmathematik Begriffe wie Ereignishorizont und Schwarzschild-Radius eingeführt und hergeleitet werden. Der Nachweis von Schwarzen Löchern am Beispiel von Sagittarius A* wird anhand von Schaubildern im Arbeitsblatt 2 vorgestellt, erläutert und durch Berechnungen (Übungsaufgaben) verfestigt. Zudem wird die Bedeutung von Gravitationswellen und deren Messung als weiterer Nachweis für Schwarze Löcher besprochen. Diese Unterrichtseinheit ist in Zusammenarbeit mit dem Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau entstanden, das mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Forschung Schülerinnen und Schülern, Studierenden sowie dem wissenschaftlichen Nachwuchs näherbringen möchte. Die Unterrichtseinheit ergänzt dabei das Materialangebot der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen um konkrete Umsetzungsvorschläge für die Unterrichtspraxis in den Sekundarstufen. Weitere Unterrichtseinheiten aus diesem Projekt finden Sie im Themendossier Die Forschung der Nobelpreisträger im Unterricht . Schwarze Löcher – rätselhafte Phänomene in den Tiefen des Universums Schwarze Löcher gehören noch immer zu den größten Rätseln des Universums, wenngleich ihre Existenz mit weltweit verbundenen Teleskopen immer besser nachgewiesen werden kann – wie etwa im Jahr 2019 durch eine radioteleskopische Aufnahme des mit 6,6 Milliarden Sonnenmassen gigantischen Schwarzen Loches M87* im Zentrum der Galaxie M87. Man weiß heute, dass Schwarze Löcher aus dem Tod eines Riesensterns entstehen können. Man vermutet Milliarden davon im Universum und es stellen sich Fragen: Was passiert genau in den Schwarzen Löchern? Wieviel Materie können Schwarze Löcher verschlingen? Wird unser Universum eines Tages komplett von Schwarzen Löchern verschlungen? Haben Schwarze Löcher Auswirkungen auf unser irdisches Leben? Wie verändern Schwarze Löcher das Universum? Handelt es sich bei allen dunklen Himmelskörpern um Schwarze Löcher? Neue Theorien tauchen auf, die mit naturwissenschaftlichen Methoden untersucht werden müssen, ob sie denn schlüssig sind und somit einen weiteren Schritt nach vorne bedeuten oder wieder verworfen werden müssen. Undurchschaubare Schwarze Löcher und ihre Wirkungen auf Raum und Zeit werden noch lange Ansporn sein für kreative Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und ihren Forschungsdrang! Vorkenntnisse Wichtig für ein grobes Verständnis sind das Newton'sche Gravitationsgesetz sowie die Kepler'schen Gesetze. Beide sollten im Rahmen des gymnasialen Physikunterrichts hinreichend besprochen sein, damit zum einen die mathematisch gut nachvollziehbaren Berechnungen zum Ereignishorizont und dem Schwarzschild-Radius durchgeführt werden können und zum anderen die daraus resultierenden Berechnungen zur Größe und Masse von Schwarzen Löchern. Didaktische und methodische Analyse Schwarze Löcher waren bis in die späten 1960er Jahre nur für Mathematikerinnen und Mathematiker sowie theoretische Physikerinnen und Physiker von Bedeutung, weil kein Weg zu ihrer Beobachtung vorstellbar schien. Zudem hielt man es für unwahrscheinlich, dass es Objekte mit einer derart unvorstellbar großen Dichte geben könnte. Auch der Name "black hole" oder "Schwarzes Loch" wurde erst Ende der 1960er Jahre geprägt. Zu einem Umdenken kam es, als erste astronomische Objekte im Röntgenlicht sowie ein extremer Strahlungsausstoß sogenannter Quasare nachgewiesen werden konnte. Der britische Physiker Stephen Hawking (1942–2018) konnte in den 1980er Jahren zeigen, dass in der Umgebung verschiedener Schwarzer Löcher physikalische Effekte auftreten konnten, bei denen Strahlung nach außen abgegeben werden kann – völlig widersprüchlich zum ursprünglichen Bild des Schwarzen Loches. Bis in die 1990er Jahre konnten einige Kandidaten für stellare Schwarze Löcher von nur wenigen Sonnenmassen in Doppelsternsystemen gefunden werden – ein Nachweis für supermassive Schwarze Löcher im Zentrum vieler Galaxien stand noch aus. Dies war der Auslöser für den Astrophysiker Reinhard Genzel und die Astrophysikerin Andrea Ghez, das Zentrum unserer Milchstraße genau zu untersuchen. In jahrelangen Forschungen fanden sie – übereinstimmend – die Bahnen mehrerer Sterne, die sich auf elliptischen Bahnen um ein Zentrum drehen. Als besonders interessant stellte sich der innerste Stern, mit S2 bezeichnet, heraus. Er brauchte nur 16 Jahre für einen Umlauf; die von den Forschenden beobachteten Bahnparameter ließen nur einen Schluss zu – im Zentrum unserer Milchstraße muss sich ein supermassereiches Schwarzes Loch (Sagittarius A*) mit einer Masse von rund vier Millionen Sonnenmassen befinden. Der mithilfe von weltweit zusammengeschlossenen riesigen Teleskopen gefundene Nachweis ist ein Meilenstein der Astrophysik und hat durch die Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahr 2020 für weltweites Aufsehen gesorgt. Noch nicht völlig eindeutig ist, welche Rolle die Schwarzen Löcher in der Kosmologie einnehmen. Ein großes Problem ist, wie Schwarze Löcher so schnell entstehen und in so kurzer Zeit solche gigantischen Materiemengen ansammeln konnten. Sind die supermassereichen Schwarzen Löcher vielleicht die "Geburtshelfer" für Galaxien? Viele Fragen, die auf Antworten warten. Die hinter all diesen Fragen und bisherigen Erkenntnissen steckende Physik ist aufgrund der dafür notwendigen Mathematik äußerst kompliziert und im gymnasialen Unterricht nicht anwendbar. Dennoch ist die Allgemeine Relativitätstheorie eine Theorie der klassischen Physik und macht es möglich, mit Gesetzmäßigkeiten wie dem Gravitationsgesetz von Newton und den Kepler'schen Gesetzen Berechnungen durchzuführen und damit ein grobes, aber ausreichendes Verständnis für den Aufbau und die Funktion Schwarzer Löcher zu erhalten. Zudem können durch relativ einfache Gleichungen die Schwarzschild-Radien für die Sonne und die Erde berechnen werden – die geringen Beträge zeigen uns, welche unvorstellbaren Kräfte herrschen müssten, damit auch diese beiden Himmelskörper zu Schwarzen Löchern zusammengekrümmt würden. Am Beispiel von Sagittarius A* kann man schließlich nachvollziehen, welche Größen und Massen sich für Schwarze Löcher ergeben können, wenn man das Sonnensystem verlässt und in das 26.000 Lichtjahre entfernte Zentrum der Milchstraße vorstößt. Die genannten Beispiele und Berechnungen zeigen den Lernenden unter anderem, um welche Größenordnungen es geht, wenn man vom Universum spricht. Schülerinnen und Schüler sollen mit dieser Unterrichtseinheit zu Schwarzen Löchern auch animiert werden, darüber nachzudenken, welche Rolle wir Menschen auf unserer Erde in diesem gigantischen Kosmos spielen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können Entstehung, Aufbau und Wirkungsweise von Schwarzen Löchern beschreiben. kennen die Forschungsarbeit der beteiligten Astrophysiker, die zum Nachweis eines Schwarzen Loches geführt haben. können die physikalischen Gesetzmäßigkeiten Schwarzer Löcher herleiten und entsprechende Berechnungen ausführen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbstständig Fakten und Hintergründe im Internet. können die Sachinhalte von Videos, Clips und Apps auf ihre Richtigkeit überprüfen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. müssen sich mit den Ergebnissen anderer Gruppen auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben eine gewisse Fachkompetenz, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freundinnen und Freunden diskutieren zu können.

Auf der Grundlage von Bildern, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gewonnen wurden, bestimmen Schülerinnen und Schüler die Entfernung zur Supernova SN 1987A in der Großen Magellanschen Wolke. Am 23. Februar 1987 leuchtete in einer der Milchstraße benachbarten Zwerggalaxie eine Supernova auf - nach 400 Jahren war dies die erste mit bloßem Auge sichtbare Supernova und daher ein spannendes Ereignis für die Astronomie. Mehr als drei Jahre nach der Explosion des Sterns nahm das 1990 gestartete Hubble-Weltraumteleskop die Überreste der Supernova ins Visier und lieferte Bilder von Ringstrukturen, deren Entstehung noch heute zum Teil rätselhaft ist. Die Vermessung des inneren Rings mithilfe der Hubble-Bilder und die Analyse einer Lichtkurve des Rings ermöglichen mit Kenntnissen der ebenen Trigonometrie die Berechnung der Entfernung von SN 1987A. Neben den Arbeitsmaterialien und Aufgabenstellungen für die Schülerinnen und Schüler steht im Downloadbereich auch eine Handreichung für Lehrkräfte mit weiteren ausführlichen Informationen zur Verfügung. Die Unterrichtseinheit zur Supernova SN 1987A in der Große Magellanschen Wolke schafft die Grundlage für ein zweites Projekt zur Entfernungsbestimmung: Die Große Magellansche Wolke enthält nämlich viele veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei, deren Entfernung mithilfe der Supernova SN 1987A geeicht werden kann. Auf der Basis dieser Eichung erfolgt dann in der Unterrichtseinheit Die Entfernung der Galaxie M100 eine Entfernungsbestimmung mit einer weiteren Methode: dem Vergleich scheinbarer und absoluter Helligkeiten bei Delta-Cephei-Sternen. Die kosmische Entfernungsskala Methoden der Entfernungsbestimmung: Schülerinnen und Schüler erklimmen zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter. Warum explodieren Sterne? Obwohl die Details für die Entfernungsbestimmung nicht von Bedeutung sind, soll kurz dargestellt werden, wie Supernovae entstehen. Informationen und Materialien zur Entfernungsberechnung Die Bestimmung der Entfernung der Supernova SN 1987A beruht auf einfachen geometrischen Überlegungen. Die Schülerinnen und Schüler verstehen die Geometrie des inneren Ringes um SN 1987A (Projektion des kreisförmigen Rings als Ellipse an die Himmelssphäre) und schulen dadurch ihr räumliches Vorstellungsvermögen. definieren den Maßstab des Hubblebildes der Supernova und bestimmen den Winkeldurchmesser des Ringes und seine Neigung relativ zur Himmelsebene. werten eine Lichtkurve aus, die zeigt, wie das von verschiedenen Teilen des Rings ausgesendete Licht die Erde zu verschiedenen Zeitpunkten erreicht, um die physikalischen Dimensionen des Ringes zu bestimmen. bestimmen aus dem Winkeldurchmesser und der Größe des Ringes die Entfernung von SN 1987A. Boßle, M., Wörmke, St. (1995): Entfernungsbestimmung im Weltraum, Deutsche Schülerakademie: Dokumentation Spetzgart. Bad Godesberg, Seite 58-63. Fosbury, R. (1994): HSTX - Practical exercises in astronomy using observations made with the Hubble Space Telescope, Project 1: The Distance to SN 1987A Space Telescope European Coordinating Facility, Garching. Gould, A. (1994): The Ring Around Supernova 1987A Revisited: I. Ellipticity of the Ring, Astrophysical Journal 425 (1994), Seite 51-56. Panagia, N., Gilmozzi, R., Macchetto, F. und andere (1991): Properties of the SN 1987A Circumstellar Ring and the Distance of the Large Magellanic Cloud, Astrophysical Journal 380 (1991), Seite 23-26. Für die nähere Umgebung: Radarechos und trigonometrische Parallaxe Vergleichsweise kleine Entfernungen, wie die innerhalb unseres Sonnensystems, lassen sich aus der Laufzeit von Radarechos ermitteln. Für die Sterne der näheren Sonnenumgebung ist die Methode der trigonometrischen Parallaxe anwendbar, die auf der Messung der Verschiebung dieser Sterne gegenüber sehr viel weiter entfernten Sternen beruht, wenn man sie von verschiedenen Positionen der Erdbahn aus beobachtet. Dieser Effekt ist vergleichbar mit der Erfahrung, dass man ein und dasselbe Objekt einer Landschaft aus einem fahrenden Zug heraus auf dauernd wechselnde Punkte am Horizont projiziert. Erscheint, von einem Stern aus gesehen, die große Halbachse der Erdbahn unter einem Winkel von einer Bogensekunde, so hat er eine Entfernung von einem Parsec (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre). Bei viel weiter entfernten Objekten kommen andere Methoden zur Entfernungsbestimmung in Betracht: Vergleich der wahren (etwa in Parsec gemessenen) Größe der Objekte mit dem Winkeldurchmesser, unter dem sie dem Betrachter erscheinen. Vergleich der absoluten Helligkeit (oder Leuchtkraft) der Objekte mit der scheinbaren Helligkeit, die sie für den Beobachter haben. Beide Methoden sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in jeweils eine relativ leicht zu bewältigende und eine schwierige Aufgabenstellung zerfallen. Scheinbare Helligkeiten und Winkeldurchmesser sind der Messung direkt zugänglich. Aussagen über die Leuchtkraft oder die wahre Größe von Himmelsobjekten sind viel schwieriger zu treffen und erfordern in der Regel ein tiefes Verständnis der physikalischen Natur dieser Objekte. Die Supernova SN 1987A und die Galaxie M100 In zwei Projekten lernen die Schülerinnen und Schüler ein Beispiel für je eine der Methoden zur Bestimmung großer Entfernungen kennen. In dieser Unterrichtseinheit wird das erste Verfahren angewendet, indem die Entfernung zur Supernova SN 1987A in der Großen Magellanschen Wolke bestimmt wird (Fosbury, 1994). Zu diesem Zweck werden aus Originalaufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops zuerst die scheinbare Größe des hellen zirkumstellaren Rings und anschließend aus der Analyse seiner Lichtkurve seine wahren Abmessungen ermittelt. In einem zweiten Projekt (siehe Unterrichtseinheit Die Entfernung der Galaxie M100 ) wird das zweite Verfahren angewendet, nämlich der Vergleich von scheinbarer und absoluter Helligkeit bei Delta-Cephei-Sternen. Zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter Obwohl in den Details durchaus kompliziert, sind die geometrischen und physikalischen Prinzipien dieser Entfernungsbestimmungen einfach genug, um bereits von Schülerinnen und Schülern der Oberstufe verstanden und angewandt werden zu können. Wichtig ist dabei, dass für die Bestimmung der Entfernung zur Galaxie M100 das Ergebnis der Supernova-Messungen zugrunde gelegt wird. In der Großen Magellanschen Wolke findet man nämlich außer der Supernova SN 1987A sehr viele veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei, deren Entfernungsskala man mithilfe der Supernova mit bisher nicht gekannter Präzision eichen kann. So können die Schülerinnen und Schüler praktisch nachvollziehen, wie zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter nacheinander erstiegen werden. Beide Projekte wurden mit Schülerinnen und Schülern erprobt und von diesen auch publiziert (Boßle, Wörmke, 1995). Wachstum eines Weißen Zwergs auf Kosten seines Begleiters Bei den Supernovae vom Typ I handelt es sich ursprünglich um relativ massearme Sterne in einem Spätstadium ihrer Entwicklung, um so genannte Weiße Zwerge, die zusammen mit einem anderen Stern ein enges Doppelsternsystem bilden. Die von dem Weißen Zwerg ausgehenden Gezeitenkräfte bewirken, dass stellares Material vom Begleiter zum Weißen Zwerg strömt, wodurch dessen Masse zunimmt. Explosion beim Überschreiten einer definierten Massengrenze Übersteigt die Masse des Sterns dabei die so genannte Chandrasekhar-Grenze von etwa 1,4 Sonnenmassen, kann er nicht mehr als Weißer Zwerg weiter existieren. Er fällt unter der Wirkung seiner eigenen Schwerkraft zusammen, wobei Temperatur und Dichte soweit zunehmen, dass Kernreaktionen zünden. Diese setzen soviel Energie frei, dass der ganze Stern explodiert. Typ-I-Supernovae als Entfernungsindikatoren Alle Supernovae vom Typ I ereignen sich demnach beim Überschreiten einer definierten Massengrenze. Dies macht sie vergleichbar und prädestiniert sie zum Entfernungsindikator. Solche müssen nämlich in ihren inneren Eigenschaften übereinstimmen, damit man äußere Unterschiede allein auf unterschiedliche Entfernungen zurückführen kann. Implosion massereicher Sterne Supernovae vom Typ II sind das Endresultat der Individualentwicklung von Sternen, die mindestens etwa achtmal massereicher sind als die Sonne. Solche Sterne durchlaufen eine Folge von Kontraktionen und Kernreaktionen, wobei immer schwerere Elemente bis zum Eisen fusioniert werden. Danach kollabiert der Eisenkern, jedoch nicht die darüber liegende Hülle, bis sich ein stabiler Neutronenstern bildet, der die Dichte von Kernmaterie hat. Die Implosion wird zur Explosion In diesem Stadium wird die Implosion des Sterns plötzlich gestoppt, wodurch eine so starke Schockwelle entsteht, dass seine Hülle abgeblasen wird. Die Implosion wird in eine Explosion verwandelt, die als Supernova erscheint und einen Neutronenstern zurücklässt. Untypischer Typ II Die Supernova, die am 23. Februar 1987 in der Großen Magellanschen Wolke beobachtet wurde (Abb. 1), ist eine Supernova vom Typ II. Sie ist jedoch kein typischer Vertreter dieser Gattung: So wurde bislang kein Neutronenstern-Überrest gefunden. Zudem war die Explosion etwa einhundertmal schwächer als andere Supernovae dieses Typs. Rätselhafte Ringe Die Berechnung der Entfernung von SN 1987A basiert auf einfachen Überlegungen zur Vermessung des vom Hubble Space Telescope gesehenen hellen inneren Rings (Abb. 2) und der Analyse von dessen Lichtkurve, die vom International Ultraviolet Explorer (IUE) aufgezeichnet wurde. Bei dem Ring handelt es sich nicht um ein Produkt der Supernova-Explosion. Sein Material wurde bereits vor langer Zeit vom Vorgängerstern der Supernova ausgestoßen und zu aktivem Leuchten erst angeregt, als es von der energiereichen UV-Strahlung der Supernova mit Lichtgeschwindigkeit eingeholt wurde. Auf die Frage nach der Entstehung der Ringe gibt es bisher keine endgültige Antwort. In den Materialien zur Unterrichtseinheit werden die geometrischen Grundlagen zur Projektion des kreisförmigen Rings von SN 1987A als Ellipse an die Himmelssphäre, die Bestimmung des scheinbaren Ringradius und die Berechnung des wahren Ringradius ausführlich dargestellt. Weitere Materialien mit Aufgaben und Zusatzinformationen finden Sie in den deutschsprachigen Materialien zur astronomischen Übungsreihe der ESA/ESO auf der Website astroex.org.

Schülerinnen und Schüler werten mithilfe von Daten des Hubble-Weltraumteleskops die Perioden und scheinbaren Helligkeiten von Cepheiden-Veränderlichen in der Galaxie M100 aus und ermitteln so deren Entfernung. Die Helligkeit der Delta-Cephei-Sterne variiert periodisch. Eine bestimmte Periodenlänge entspricht dabei einer ganz bestimmten mittleren Strahlungsleistung. Diese wiederum ergibt zusammen mit der scheinbaren Helligkeit die Entfernung. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Entfernungsskala mithilfe von solchen Cepheiden geeicht wurde, deren Entfernung auf ganz unabhängige Weise ermittelt werden kann. In diesem Zusammenhang spielt die in der Unterrichtseinheit Die Entfernung der Supernova SN 1987A bestimmte Entfernung zur Supernova in der Großen Magellanschen Wolke eine Schlüsselrolle: In dieser findet man nämlich sehr viele veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei, deren Entfernungsskala mithilfe der Supernova mit bisher nicht gekannter Präzision geeicht werden kann. Neben den Arbeitsmaterialien und Aufgabenstellungen für die Schülerinnen und Schüler steht im Downloadbereich auch eine Handreichung für Lehrkräfte mit weiteren ausführlichen Informationen zur Verfügung. Obwohl in den Details durchaus kompliziert, sind die Prinzipien der Entfernungsbestimmungen einfach genug, um von Schülerinnen und Schülern der Oberstufe verstanden und angewandt werden zu können. Aus der Mathematik werden in dieser Unterrichtseinheit lediglich Kenntnisse über den dekadischen Logarithmus vorausgesetzt. Die kosmische Entfernungsskala Methoden der Entfernungsbestimmung: Schülerinnen und Schüler erklimmen zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter. Informationen und Materialien zur Entfernungsberechnung von M100 Wie entsteht der Lichtwechsel der Cepheiden-Veränderlichen? Welche Eigenschaften machen sie zu Entfernungsindikatoren? Die Schülerinnen und Schüler verstehen die Ursachen des Lichtwechsels von Delta-Cephei-Sternen. werten Lichtkurven von Cepheiden aus und bestimmen mithilfe dieser "Standard-Kerzen" die Entfernung von M100. werden dazu angeregt, den Namensgeber der Cepheiden im Sternbild Kepheus oder andere Cepheiden selbst zu beobachten. Freedman, W.L., Madore, B.F., Mould, J.R. und andere (1994): Distance to the Virgo cluster galaxy M100 from Hubble Space Telescope observations of Cepheids, Nature 371 (1994), Seite 757-762. Gaposhkin, S. I. (1970): The Large Magellanic Cloud: Its Topography of 1830 Variable Stars, Smithsonian Institution Astrophysical Observatory Special Report Nr. 310, Cambridge (MA) 1970. Für die nähere Umgebung: Radarechos und trigonometrische Parallaxe Vergleichsweise kleine Entfernungen, wie die innerhalb unseres Sonnensystems, lassen sich aus der Laufzeit von Radarechos ermitteln. Für die Sterne der näheren Sonnenumgebung ist die Methode der trigonometrischen Parallaxe anwendbar. Sie beruht auf der Messung der Verschiebung dieser Sterne gegenüber sehr viel weiter entfernten Sternen, wenn man sie von verschiedenen Positionen der Erdbahn aus beobachtet. Dieser Effekt ist vergleichbar mit der Erfahrung, dass man ein und dasselbe Objekt einer Landschaft aus einem fahrenden Zug heraus auf dauernd wechselnde Punkte am Horizont projiziert. Erscheint, von einem Stern aus gesehen, die große Halbachse der Erdbahn unter einem Winkel von einer Bogensekunde, so hat er eine Entfernung von einem Parsec (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre). Bei viel weiter entfernten Objekten kommen andere Methoden zur Entfernungsbestimmung in Betracht: Vergleich der wahren (etwa in Parsec gemessenen) Größe der Objekte mit dem Winkeldurchmesser, unter dem sie dem Betrachter erscheinen. Vergleich der absoluten Helligkeit (oder Leuchtkraft) der Objekte mit der scheinbaren Helligkeit, die sie für den Beobachter haben. Beide Methoden sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer relativ leicht zu bewältigenden und einer schwierigen Aufgabenstellung bestehen. Scheinbare Helligkeiten und Winkeldurchmesser sind der Messung direkt zugänglich. Aussagen über die Leuchtkraft oder die wahre Größe von Himmelsobjekten sind viel schwieriger zu treffen und erfordern in der Regel ein tiefes Verständnis der physikalischen Natur dieser Objekte. In zwei Projekten lernen die Schülerinnen und Schüler ein Beispiel für je eine der Methoden zur Bestimmung großer Entfernungen kennen. Nachdem zuvor in der Unterrichtseinheit Die Entfernung der Supernova SN 1987A (siehe auch Fosbury, 1994) das erste Verfahren praktiziert wurde, kommt in dem hier vorgestellten Projekt die zweite Methode zum Einsatz: der Vergleich von scheinbarer und absoluter Helligkeit bei Delta-Cephei-Sternen zur Entfernungsbestimmung der Spiralgalaxie M100 im Virgo-Galaxienhaufen. Dabei hat die Durchsichtigkeit des Messprinzips gegenüber der erreichten Genauigkeit aus didaktischen Gründen den Vorrang. "Standard-Kerzen" im All Veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei sind sehr zuverlässige Entfernungsindikatoren, da man durch die Beobachtung ihres regelmäßigen Lichtwechsels zuerst auf ihre Leuchtkraft und dann aus dieser und der scheinbaren Helligkeit auf ihre Entfernung schließen kann. Zu jeder Lichtwechselperiode gehört nämlich eine ganz bestimmte mittlere Leuchtkraft, denn je größer ein Stern ist (je mehr Masse er hat), desto leuchtkräftiger ist er und desto länger braucht er für eine Pulsation. Der Lichtwechsel der Cepheiden mit Perioden bis zu einhundert Tagen ist durch einen raschen Anstieg zum Helligkeitsmaximum und einen vergleichsweise langsamen Abfall zum Minimum gekennzeichnet (Abb. 1). Freie Elektronen verursachen einen Strahlungsstau Cepheiden sind massereiche und leuchtekräftige Sterne, die bereits ein fortgeschrittenes Stadium ihrer Entwicklung erreicht haben, obwohl sie - absolut gesehen - noch jung sind. Ihre Atmosphären, in denen Helium ein wesentlicher Bestandteil ist, befinden sich nicht im hydrostatischen Gleichgewicht. Infolge hoher Temperaturen liegt das Helium normalerweise bereits in einfach ionisierter Form vor. Wenn die Strahlung aus dem Sterninnern den Heliumatomen auch ihr zweites Elektron entreißt, sind viele freie Elektronen vorhanden, die sich mit ihrer großen Beweglichkeit der Strahlung in den Weg stellen und einen Strahlungsstau verursachen. Expansion verschafft Abkühlung Der Strahlungsstau kann sich entladen, indem der Stern expandiert und dabei abkühlt. Bei der Abkühlung können die Heliumkerne viele Elektronen wieder einfangen, so dass die Strahlung wieder besser entweichen kann. Die Gravitation beginnt zu dominieren und veranlasst den Stern zu schrumpfen. Dann beginnt der Zyklus von neuem. Die Unterrichtseinheit basiert auf Daten des Hubble-Weltraumteleskops, das Cepheiden-Veränderliche im Sternenmeer von M100 aufstöberte und deren Zyklen dokumentierte. Abb. 2 zeigt drei zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommene Bilder eines Cepheiden, dessen Daten in dieser Übung verwendet werden. Der Stern befindet sich in einem Sternentstehungsgebiet in einem der Spiralarme der Galaxie im Zentrum der - auf dem großen Bild nur scheinbar leeren - Region des kleinen Kastens. Während des Projektes zur Entfernungsbestimmung bietet es sich an - soweit dies der Stand des Sternbildes Kepheus ermöglicht - den Namenspatron der Cepheiden-Veränderlichen, Delta Cephei, selbst ins Visier zu nehmen. Der 892 Lichtjahre entfernte Stern ist ein gelber Überriese und schwankt mit einer Periode von etwa 5,4 Tagen in seiner scheinbaren Helligkeit zwischen den Größenklassen +3,6 und +4,6. Schülerinnen und Schüler können mit der Argelander-Stufenschätzmethode selbst eine Lichtkurve des Sterns erstellen. Die Methode wird in der folgenden Unterrichtseinheit von Dr. Olaf Fischer aus Freiburg ausführlich vorgestellt:

Diese Unterrichtseinheit beschäftigt sich mit den "Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie", einem von mehreren Themen, mit denen Albert Einstein im Jahr 1905 - auch sein "annus mirabilis" genannt - die Welt der Physik völlig verändert hat. Seine revolutionären Gedanken und Überlegungen zu verschiedenen Bereichen der Physik haben die bis dahin geltenden Gesetzmäßigkeiten teilweise auf den Kopf gestellt. Bis zum heutigen Tag sind Einsteins Erkenntnisse für viele Menschen nur schwer zu verstehen, auch wenn sie in Teilen mit mathematischen Grundkenntnissen gut nachvollziehbar sind.Ausgehend von Einsteins Postulaten - dem Relativitätsprinzip und dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit - werden die Schüler und Schülerinnen in Gedankenbeispielen auf die Gesetzmäßigkeiten der Speziellen Relativitätstheorie hingeführt. Dabei werden die unter den Namen Zeitdilatation und Längenkontraktion bekannten Gesetze detailliert hergeleitet. Geeignete Übungsaufgaben ergänzen die Theorie und zeigen, dass teilweise schwer verständliche Zusammenhänge Realität sind, auch wenn davon im Alltagsleben nichts zu spüren ist. Grundlagen der Speziellen Relativitätstheorie Die revolutionären Erkenntnisse von Albert Einstein waren die Grundlage, um die bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts geltenden Erkenntnisse der Physik auf den Prüfstand zu stellen. Insbesondere die Spezielle Relativitätstheorie macht es möglich, dass wir heute ganz selbstverständlich mit einem Navigationssystem im Auto unterwegs sind, das uns mit großer Präzision an unser Ziel bringt. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden können nur insoweit vorausgesetzt werden, dass der Name Albert Einstein bekannt und mit komplizierten und revolutionären Veränderungen in der Physik verbunden ist. Konkrete Kenntnisse sind jedoch nicht zu erwarten, weil das zugehörige physikalischen Wissen selbst im Rahmen der gymnasialen Oberstufe nur eingeschränkt vermittelt werden kann. Didaktische Analyse Die Erkenntnisse aus der Speziellen Relativitätstheorie können den Lernenden in Form von einfach gehaltenen Beispielen gut vermittelt werden. So können die Vorgänge bei hohen Relativgeschwindigkeiten - beispielsweise in Beschleunigeranlagen - ebenso gut eingeordnet werden wie bei hypothetischen Reisen zu fernen Sternen oder Galaxien. Methodische Analyse Einfache und etwas schwierigere Übungsaufgaben sollen die zunächst nicht gerade leicht zu verstehenden Zusammenhänge bei der Speziellen Relativitätstheorie den Schülerinnen und Schülern näherbringen. Ein tieferes Einsteigen in die komplizierte Thematik setzt ein hohes Maß an mathematischen Kenntnissen voraus, die am Gymnasium nur eingeschränkt vermittelt werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen um die Zusammenhänge bei der Speziellen Relativitätstheorie. können die Begriffe "Zeitdilatation" und "Längenkontraktion" beschreiben und herleiten. können die Bedeutung der Speziellen Relativitätstheorie für die Entwicklung technischer Großprojekte einordnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Manisch depressive Roboter, galaktische Umgehungsstraßen, pangalaktische Donnergurgler, Computer mit eigenen Persönlichkeiten und: die Galaxie in einem Buch – ein Stoff, der Jugendliche seit Jahren fasziniert. Wie Sie mit dem Buch und den digitalen Medien ergebnisorientiert arbeiten, zeigt dieser Beitrag. "The Hitchhiker's Guide to the Galaxy" ist der erste Band der fünfbändigen (!) Trilogie von Douglas Adams, dessen große Popularität seit den Achtzigern (fast) ungebrochen ist. Dieser Roman wird aufgrund seines wenig ernsten Inhalts und der zahllosen skurrilen Handlungselemente und Charaktere nur selten im Unterricht behandelt. Genau deshalb aber kann dieses Werk für eine erste Behandlung einer Ganzschrift im Englischunterricht einer 11. Klasse attraktiv sein. Übrigens: So skurril wie sein Werk ist die Ehrung seiner Fans, die jährlich am 25. Mai den "Handtuchtag" begehen - weil Adams am 11. Mai 2001 in einem Fitnesstudio starb ... Die sehr unterschiedlichen Vorkenntnisse und Vorlieben der Schülerinnen und Schüler in Bezug auf Literatur und insbesondere englischsprachige Werke erfordert ein differenziertes Vorgehen. Das Lesen des Romans selbst wie auch das Lesen in der Fremdsprache stellt eher wenig an Literatur interessierte Lernende vor große Probleme, die Arbeit mit den neuen Medien kann hier motivierend und helfend eingesetzt werden. Ablauf der Unterrichtseinheit Der Autor schildert in der Rückschau den Ablauf der Unterrichtseinheit. Die Zeitangaben beziehen sich auf Doppel- wie auf Einzelstunden, die in diesem Fall einfach summiert wurden. Arbeitsaufträge/Themenauswahl/Arbeitsmaterialien Die Arbeitsaufträge lassen sich in zwei Bereiche unterteilen: Es gibt Aufgaben, die während der gesamten Lektüre zu bearbeiten sind, sowie punktuelle Schreibaufträge. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen Aspekte der literarischen Gattung Roman kennen lernen. verschiedene literarische Gattungen und Genres näher untersuchen (Science Fiction, Lyrik). die Interpretation literarischer Texte verbessern. kreative Zugänge zu Literatur kennen lernen und anwenden können. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sollen das Internet zur Informationsrecherche nutzen. eine Website konzipieren und erstellen. Thema Douglas Adams: The Hitchhiker's Guide to the Galaxy Autor Jan Tobiassen Fach Englisch Zielgruppe ab Jahrgangsstufe 11 Referenzniveau Referenzniveau C - Kompetente Sprachverwendung Zeitraum etwa 20 Stunden Medien Buch, Hörspiel, Computer Technische Voraussetzungen internetfähige Rechner: Ausstattung mit Browser, Website-Editor oder Website-Generator Umfrage zu Leseerfahrungen Hier standen die Erfahrungen der Schülerinnen und Schüler mit Literatur im Vordergrund. Nach einer Wiederholung der verschiedenen Literaturgattungen führte die Klasse selbstorganisiert eine interne Umfrage zu Leseerfahrungen (Umfang, Art) durch. In der zweiten Stunde suchten die Lernenden Informationen zu Douglas Adams und präsentierten ihre Ergebnisse in der Klasse. Poster mit Erwartungshaltung Abschließend erstellten die Schülerinnen und Schüler in Gruppenarbeit Poster mit ihren Erwartungen an einen "hitchhiker's guide", einen "hitchhiker's guide to the galaxy" und einen "hitchhiker's guide to East Friesland". Dauer: 4 Stunden Besuch der Galaxie Ein Roman, der im All spielt, verlangt danach, sich das All (zumindest den mit dem bloßen Auge sichtbaren Teil) einmal anzusehen, also gingen wir auf den Sportplatz und erörterten einige Grundlagen der Astronomie (wie weit sind die Planeten entfernt, was ist ein Lichtjahr, was sind eigentlich Sterne?). Definition der Science Fiction Die Klasse ordnete den Roman dem Titel entsprechend in das Genre Science Fiction ein, so dass eine nähere Untersuchung des Genres und die Herausarbeitung von typischen Merkmalen den Beginn der eigentlichen Arbeit mit dem Buch darstellte. Dies konnte recht einfach in einer Doppelstunde anhand des vierten Kapitels untersucht werden. Einstieg in die Lektüre Die heterogene Struktur der Klasse führte in dieser Phase zu einigen nicht vorausgesehenen Problemen. Manche Schülerinnen und Schüler "lasen" zwar das Buch, waren jedoch nicht ohne Hilfe des Lehrers oder leistungsstarker Mitschüler in der Lage, mit dem Roman zu arbeiten, da ihnen die entsprechenden Arbeitstechniken noch nicht ausreichend vertraut waren. Einige Elemente nahmen daher größeren Raum als ursprünglich geplant ein, um allen Lernenden so weit wie möglich einen Einstieg in die Lektüre zu ermöglichen. Dauer: 3 Stunden Vorbereitend lesen Wie in den meisten Fällen wurde der Roman lektürebegleitend erarbeitet, die Schülerinnen und Schüler mussten also jeweils als Hausaufgabe einige Kapitel lesen; einzelne Elemente dieser Kapitel oder ein grundsätzliches Problem wurden dann in den Stunden behandelt. Eine Stunde galt dem Vortrag von Gedichten (eigenen und fremden, siehe die folgenden Arbeitsaufträge) und dem Vergleich von Lewis Carrolls Jabberwocky mit dem Vogonengedicht. Eine Stunde war der Recherche zum Song "You'll never walk alone" gewidmet, den der Bordcomputer Eddie singt (hervorragend zur effektiven Nutzung von Suchmaschinen geeignet, denn es gibt so viele Seiten, dass eine geschickte Kombination von Suchbegriffen notwendig ist). Eine weitere Stunde gehörte der Philosophie (denn der Supercomputer Deep Thought beginnt seinen Entwicklungsprozess ja mit "I think, therefore I am"). Die Struktur des Romans und eine entsprechende Spannungskurve waren Thema. Die Unterschiede zwischen der Radiohörspielfassung der BBC und einer korrespondierenden Buchpassage wurden besprochen. Die BBC-Fernsehfassung, die bei den Schülerinnen und Schülern Erstaunen und mittleres Entsetzen hervorrief, wurde gezeigt. Dauer: 10 Stunden Vorbereitung der Website Nach Abschluss der eigentlichen Lektüre stand die Produktion einer Website im Mittelpunkt. Diese sollte von den Schülerinnen und Schülern ohne größere Eingriffe des Lehrers konzipiert und gestaltet werden. Eine Woche vor Erstellung der Seite entwarfen einige Lernende ein Design und eine passende Struktur. Diese waren dann auch für die Gestaltung der Seite verantwortlich, der Lehrer half in dieser Phase nur noch. Sprachlich stärkere Schülerinnen und Schülern sowie der Lehrer verbesserten die Texte so weit nötig. Websiteerstellung In der ersten Doppelstunde kopierten die Schülerinnen und Schüler ihre am Computer verfassten Texte in die Beispielseite und legten Links zu den anderen Seiten (dies war die Grundanforderung, einige versierte Schülerinnen und Schülern engagioerten sich mehr beim Bau der Seiten). Dies war für fast alle Neuland und dauerte entsprechend lange. In der zweiten Doppelstunde wurde die Seite fertig gestellt. Dauer: 4 Stunden Arthur Ford Prefect Zaphod Trillian oder Marvin Snowball Chart Ein Snowball Chart enthält in knapper tabellarischer Form eine Inhaltsangabe des Romans, unterteilt in verschiedene Bereiche wie chapter, pages, characters, main action, developments. Er kann aber auch andere Bereiche einschließen. Reading Log Ein Reading Log ist sehr verwandt mit dem snowball chart, umfasst häufig aber noch einen Bereich für persönliche Reaktionen. Vokabelsammlung anlegen drei neue Wörter pro Kapitel, unterteilt in allgemein lernenswerte Wörter und solche, die eher nur für das Verständnis des Romans wichtig sind Definitionen erstellen Einträge für eine Enzyklopädie zum Hitchhiker's Guide Diese Aufträge sind entweder alleine oder zu zweit zu bearbeiten. Text zur Frage "What is Science Fiction?" Analyse der Romanstruktur und der Spannungskurve Summary des gesamten Buches Opinions zum Buch mit klarer Inhaltsvorgabe - Erwartungen vor dem Lesen, Entwicklung Favourite Quotes mit Erklärungen eine eher einfache Aufgabe Vergleich des Vogonengedichts mit Lewis Carrolls "Jabberwocky" Schreiben eines eigenen "schlechten" Gedichts in Anlehnung an das Vogonengedicht Vergleich des Hitchhiker's Guide mit der TV-Serie "Futurama" Um den Schülerinnen und Schülern die Selbstverständlichkeit der Online-Arbeit zu vermitteln, können Sie ihnen die Arbeitsaufträge auch über die folgende Website zugänglich machen. Beitrag Hitchhiker's Guide to the Galaxy Vielen Dank für diesen Beitrag, der mir bei meiner Planung sehr geholfen hat! Ich möchte Herrn Tobiassen gerne wissen lassen, dass meine Schüler die Lektürearbeit dank seiner Impulse sogar genießen! Janna Lehmann