Wie sieht ein Schwarzes Loch aus?

Unterrichtseinheit

Nach welchem Verfahren entstehen die reizvollen Visualisierungen relativistischer Effekte in der Nähe Schwarzer Löcher? Und welche physikalischen Effekte kann man daran anschaulich erarbeiten?

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe I, Sekundarstufe II
  • maximal 1 Stunde (je nach Vertiefung flexibel)
  • Video, Ablaufplan
  • 1 Arbeitsmaterial

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Relativistische optische Effekte im Umfeld Schwarzer Löcher können mithilfe von Computergrafiken und -animationen reizvoll dargestellt werden. Wenn man sich im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit diesen Effekten beschäftigt - wie zum Beispiel in der Unterrichtseinheit Lichtablenkung in der Nähe Schwarzer Löcher - lockern diese Visualisierungen den Unterricht nicht nur auf. Sie veranschaulichen auch, warum zum Beispiel ein Betrachter in der Nähe eines Schwarzen Lochs beim Blick nach vorn sehen kann, was sich in seinem Rücken abspielt.

Didaktisch-methodischer Kommentar

Ablenkung von Lichtstrahlen

Wie sehen Schwarze Löcher aus? Eine nur auf den ersten Blick einfache Frage. Natürlich schwarz - die Frage erscheint einigermaßen unsinnig. In der Tat hätten wir sie besser formulieren können, zum Beispiel so: "Wie sieht ein Schwarzes Loch vor dem Hintergrund eines sternenübersäten Himmels aus?" Nun könnte man meinen, auch diese Frage sei leicht zu beantworten, denn ein Schwarzes Loch müsste doch einfach als dunkle Scheibe vor dem funkelnden Sternenzelt erscheinen. Dies ist allerdings nur die halbe Wahrheit, denn aufgrund der enormen Gravitationswirkung ist eine so starke Ablenkung der Lichtstrahlen zu erwarten, dass uns die Umgebung dieser exotischen Objekte optisch stark verzerrt erscheinen muss.

Wie entstehen Visualisierungen Schwarzer Löcher? Was erkennt man darauf?

Kein Mensch hat bisher ein Schwarzes Loch aus der Nähe gesehen und daher ist man für die Beantwortung der oben aufgeworfenen Frage auf Computersimulationen angewiesen. Dass solche Verfahren physikalisch begründete und gleichzeitig optisch sehr attraktive Bilder von Schwarzen Löchern und ihrer Umgebung liefern können, haben Ute Kraus und Corvin Zahn (Arbeitsgruppe Physikdidaktik der Universität Hildesheim) mit einer Vielzahl von Computeranimationen auf ihrer Homepage "Tempolimit-Lichtgeschwindigkeit" (siehe Internetadressen) gezeigt. Angeregt durch diese Arbeiten entwickelte der Autor eigene Programme, mit deren Hilfe er die Umgebung von nicht rotierenden, kugelsymmetrischen Schwarzen Löchern in Bildern und Videoclips darstellen kann.

Fachunterricht - Vertretungsstunden - Schülerreferate

Die Programme sind zwar noch nicht veröffentlichungsreif, die Simulationsergebnisse jedoch so interessant, dass sie für die Verwendung im Physik- und Astronomieunterricht, für die Gestaltung von Vertretungsstunden oder für Schülerreferate von Nutzen sind. Dieser Artikel zeigt nicht nur, wie solche Bilder aussehen, sondern erklärt auch ihre Entstehung und den physikalischen Hintergrund. Unabhängig von den didaktischen Vorteilen der Simulationsergebnisse sollte im Unterricht natürlich auch der Frage nachgegangen werden, wie realistisch die Beobachtungssituationen sind, auf der die Berechnungen basieren.

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Vermittelte Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler sollen

  • die Folgen der Lichtablenkung in der Nähe Schwarzer Löcher am Beispiel einiger Simulationen kennenlernen.
  • außergewöhnliche Effekte erkennen und anschaulich verstehen, wie zum Beispiel ein Abbild des rückwärtigen Raums vor dem Betrachter eines Schwarzen Lochs entsteht.
  • die "Lichtverfolgungsmethode" des Raytracings als eine Grundlage der Erzeugung von Computergrafiken und -animationen kennenlernen.
  • die Grundlagen des Relativistischen Raytracings verstehen (optional).

Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial

ThemaWie sieht ein Schwarzes Loch aus?
AutorMatthias Borchardt
FächerPhysik (Allgemeine Relativitätstheorie), Astronomie (Gravitation); Physik- und Astronomie-AGs, Projektkurse (neue Oberstufe NRW)
Zielgruppeab Klasse 10
Zeitraummaximal 1 Stunde (je nach Vertiefung flexibel)
Technische VoraussetzungenPräsentationsrechner mit Beamer

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