UNTERRICHTSMATERIAL
PG 1302-120 und seinen beiden Begleitgalaxien
© Bahcall, Kirhakos & Schneider 1995
(Ausschnitt)

Schwarze Löcher

Die Macht der potenziellen Energie bringt Licht ins Dunkel
Im Physiklehrplan nahezu aller Schularten werden Schwarze Löcher nicht intensiv behandelt. Allenfalls im Zusammenhang mit möglichen Endzuständen von Sternen werden diese extremen Objekte genannt. Geht man allerdings kreativer vor, entdeckt man in den Lehrplänen fast aller Jahrgangsstufen Themenbereiche, von denen aus eine Brücke zu Schwarzen Löchern, Quasaren (QSOs) oder Aktiven Galaxienkernen (AGNs) geschlagen werden kann.
Der Schritt aus dem Klassenzimmer oder Schullabor in den Kosmos ist für Schülerinnen und Schüler spannend, ungewohnt und damit sehr motivierend. Während QSOs und AGNs bei den Jugendlichen wenig bekannt sind, regen Schwarze Löcher aufgrund ihrer Präsenz im Kino und Fernsehen jederzeit zu Diskussionen im Unterricht an. Diese Objekte zeigen in vieler Hinsicht extreme Phänomene (Geschwindigkeit, Masse, Kraft, Energie, Entfernung), die sie interessant erscheinen lassen und scheinbare Widersprüche aufwerfen.
So befindet sich in ca. 3,5 Mrd. Lichtjahren Entfernung der Quasar PG 1302-102, eine elliptische Galaxie mit aktivem Zentrum, in dem sich zwei sehr massereiche Schwarze Löcher umkreisen. Die Tatsache, dass sich die Schwarzen Löcher nicht sofort gegenseitig verschlingen oder zumindest die sie umgebenden Gasmassen und Sterne, erscheint vielen Schülerinnen und Schülern als unrealistisch. Die Existenz der beiden Schwarzen Löcher, die sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt bewegen, schlossen Daniel J. D’Orazio, Zoltan Haiman und David Schiminovich (2015) aus der Variation der Helligkeit von PG 1302-102, die sie aus Daten des Galaxy Evolution Explorers (Galex) und des Weltraumteleskops Hubble extrahierten. Auch dies scheint einen Widerspruch darzustellen, da ja Schwarze Löcher keine Strahlung aussenden, also eigentlich nicht sichtbar sein sollten.
Mit grundlegenden Überlegungen zum Thema Energie und Keplergesetze wird sich in dem vorliegenden Material den Themenkomplex Schwarze Löcher genähert. Es wird gezeigt, dass die Energieumwandlungen in der Nähe von Schwarzen Löchern sehr große Leuchtkräfte freisetzen können, die die Strahlungsleistung von ganzen Galaxien übertreffen kann. Die Anwendung der Keplergesetze auf die Situation in PG 1302-102 führt auf die Ableitung der physikalischen Parameter des Doppel-Schwarzen-Loch-Systems, die mit den aktuellen Forschungsergebnissen verglichen werden.
Fachgebiet Astronomie
Bezug zuPhysik
ThemaGalaxien, Mechanik, Quantenphysik, Relativitätstheorie, Sterne
StichwortPotenzielle Energie, kinetische Energie, Leuchtkraft, Umwandlungen, Raketengleichung, Kepler-Gesetze, Doppelsternsystem, Modellierung, Formeln anwenden, Methoden übertragen, Zusammenhänge erkennen
Klassenstufe Oberstufe
Zeit

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Wolfgang Vieser

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Schwarze Löcher – die Macht der potenziellen Energie bringt Licht ins Dunkel
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