Gravitationswellen: erster indirekter Nachweis mit Pulsar

Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtseinheit zum Thema "Gravitationswellen" behandelt deren ersten indirekten Nachweis im Jahr 1974 durch Messung der Umlaufdauer eines Pulsars in einem Binärsystem.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe II
  • 4 bis 5 Unterrichtsstunden
  • Arbeitsblatt
  • 4 Arbeitsmaterialien

Beschreibung der Unterrichtseinheit

Zwei Neutronensterne, einer davon ist ein Pulsar, umkreisen sich auf stark elliptischen Bahnen. Dieses System stellt ein ideales Testlabor für die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie dar. Dabei treten zwei relativistische Effekte besonders stark zutage: die Drehung der Bahn-Ellipse des Pulsars (Periastrondrehung) und die Verringerung der Umlaufdauer des Pulsars aufgrund der Abstrahlung von Gravitationswellen. Beide Effekte werden in dieser Unterrichtseinheit thematisiert, wobei der Schwerpunkt auf dem Thema Gravitationswellen liegt.

Die Materialien nehmen Bezug auf ein Erklärvideo aus der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen. Zu diesem Video finden Sie bei Lehrer-Online noch zwei weitere Unterrichtseinheiten, welche die Sonnenfinsternis-Expedition im Jahr 1919 (1974) sowie den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen mithilfe von Laser-Interferometern im Jahr 2015 – also die Vorgeschichte beziehungsweise die weitere Entwicklung der Forschung in diesem Bereich – zum Inhalt haben und ergänzend zur vorliegenden Einheit im Unterricht eingesetzt werden können.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial- / Aktionsform

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Thema Gravitationswellen im Unterricht

Das Thema Gravitationswellen berührt verschiedene Inhalte der Oberstufenphysik. Insbesondere sind Themen wie Gravitation, Kreisbewegungen und das Michelson-Interferometer von besonderer Relevanz – aber auch Grundkenntnisse der Physik Schwarzer Löcher und Neutronensterne spielen für das Verständnis des Phänomens Gravitationswellen eine wichtige Rolle.

In den Lehrplänen sind die Allgemeine Relativitätstheorie und ihre Folgerungen gar nicht oder nur ansatzweise enthalten. Dennoch lassen viele schulinterne Curricula durchaus Luft für besondere Themen, wie zum Beispiel für das brandaktuelle Forschungsgebiet der Gravitationswellen-Astronomie. Gut lässt sich die Thematik in Astronomiekurse der Oberstufe, Projektkurse oder Arbeitsgemeinschaften einbauen.

Didaktische Analyse

Die Berechnungen zu Gravitationswellen beruhen auf der Allgemeinen Relativitätstheorie. Da diese in der Regel schulisch nicht thematisiert wird, ist die Frage berechtigt, ob ein Thema wie Gravitationswellen im normalen Schulalltag überhaupt so umgesetzt werden kann, dass der Unterricht über eine rein qualitative Betrachtung hinausgeht. Die Materialien dieser Unterrichtseinheiten zeigen, dass dies möglich ist, denn viele Rechnungen lassen sich zunächst rein klassisch, also mit der Gravitationsphysik Newtons, durchführen.

Dass sich an einigen Stellen, wie beispielsweise bei der Berechnung der Umlaufgeschwindigkeit der Schwarzen Löcher, dann eine deutliche Diskrepanz zu den Vorhersagen der Einsteinschen Physik zeigt, ist didaktisch positiv zu werten. Es ist aber auch didaktisch vertretbar, fertige Formeln aus der Relativitätstheorie vorzugeben und die Schülerinnen und Schüler nur die entsprechenden Rechnungen durchführen zu lassen. So lernen die  Schülerinnen und Schüler zum einen, dass die Relativitätstheorie das geeignete Handwerkzeug zur Beschreibung extremer physikalischer Verhältnisse zur Verfügung stellt. Zum anderen erfahren sie aber auch, dass ihre Kenntnisse der Mathematik und Physik aus der Oberstufe ausreichen, um sich den Vorhersagen der Theorie und den veröffentlichten Messdaten zu nähern.  

Methodische Analyse

Ein Ziel dieser Unterrichtseinheit besteht darin, dass die Lernenden erfahren, dass sie mithilfe oberstufenüblicher Inhalte aus Mathematik und Physik in der Lage sind, sich bestimmten Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zu nähern. Dies gelingt im Fall der Periastron-Verschiebung der Bahnellipse durch die Verwendung einer Computersimulation. Für die Berechnung der Umlaufdauer und des Abstandes der beiden Neutronensterne sowie des Energieverlustes aufgrund von Gravitationswellen werden Formeln der klassischen Physik (Newton) und eine Formel aus der Allgemeinen Relativitätstheorie bereitgestellt.

Mithilfe von Daten aus Originalveröffentlichungen zur Physik des Neutronensternsystem PSR1913+16 sind die Schülerinnen und Schüler dann in der Lage, wichtige Größen des Systems für das Jahr 2020 vorauszuberechnen und mit der Prognose aus der Allgemeinen Relativitätstheorie zu vergleichen.

Vorkenntnisse

Die Lernenden sollten mit dem Gravitationsgesetz Newtons und der Physik der Kreisbewegungen vertraut sein und über Kenntnisse zu den Keplergesetzen verfügen. Die Berechnungen erfordern einen sicheren Umgang mit dem Taschenrechner, insbesondere die Behandlung von hohen Zehnerpotenzen und Zahlen mit vielen Nachkommastellen. Auch die Verwendung von Speicherstellen des Taschenrechners sollte beherrscht werden, da dies manche Berechnungen erheblich vereinfacht. Darüber hinaus sollten die Schülerinnen und Schüler keine Scheu vor großen Formeln haben.

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Unterrichtsmaterial "Gravitationswellen: Pulsar" zum Download (PDF)

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Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler…

  • erkennen, dass die Drehung der Bahn-Ellipse den Vorhersagen der Relativitätstheorie entspricht.
  • berechnen physikalische Größen mit komplexen Formeln.
  • werten Messwerte aus.
  • interpretieren und bewerten Versuchsergebnisse.
  • erklären physikalische Phänomene und Versuchsanordnungen im Sachzusammenhang.
  • stellen die wissenschaftliche Bedeutung von physikalischen Erkenntnissen heraus.

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler…

  • können die im Video dargestellten physikalischen Inhalte nach Relevanz filtern und strukturiert wiedergeben sowie Informationen gezielt herausstellen.
  • können Texte in gedruckter und digitaler Form nach bestimmten Fragestellungen hin untersuchen und die relevanten Informationen herausarbeiten.

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler…

  • arbeiten konstruktiv und kooperativ in Partner- oder Gruppenarbeit.
  • diskutieren in Partner- oder Gruppenarbeit und äußern dabei ihre Meinung unter Nutzung ihrer fachlichen Kenntnisse.
  • stellen Ergebnisse der Partner- und Gruppenarbeit angemessen und verständlich im Plenum dar.

Literaturempfehlung

Müller, Andreas (2017). 10 Dinge, die Sie über Gravitationswellen wissen wollen. Berlin: Springer.

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Matthias Borchardt

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