Arbeitsblatt: Verborgene Sterne aufspüren

das -Experiment Manfred Zentsch; Hintergrund: Torsten Mörke Infrarotbeobachtung mit der Handykamera Ver borgen Ster ne aufspü ren Im Zentrum der Milchstraße umkreist der Stern S2 ein riesiges Schwarzes Loch. Man sieht ihn nicht, weil dichte Staubwolken den Blick versperren. Doch mit Infrarotteleskopen wird das Verborgene sichtbar – und ihr könnt es zu Hause nachmachen! Aus Spektrum Nr. 1 »Unser Universum« In Kooperation mit 1 6,90 € (D/A) · 7,50 € (L) · 10,90 sFr. nr. 1/2011 www.spektrum-neo.de Unser Universum Nr. AussERiRdisCHE sCHWAR ZE LÖ CHER TR Aum job sTRonAuT Astroforscher glauben: Das Weltall lebt! Die geheimnisvollen Giganten verschlingen alles – sogar das Licht trifft Alexander Gerst Das Weltall lebt! glauben: Astroforscher sogar das Licht verschlingen alles – vollen Giganten Die geheimnis- Alexander Gerst trifft Unser Universum AussERiRdisCHE sCHWAR ZE LÖ CHER -ExperimentaDie toren Gabriel (12) und Sophia (15) haben Spaß, und ihr könnt es ihnen gleichtun: Macht eine Fernbedienung zu eurem verborgenen Stern, eine Flasche Cola zur kosmischen Staubwolke – und eure Handykamera zum Infrarotteleskop! 67 sTRonAuT TR Aum job .rFs 09,01 · )L( € 05,7 · )A/D( € 09,6 1102 /1 .rn 66 Da unsere Augen nur auf sichtbares Licht emp findlich reagieren, können wir Menschen ledig lich einen winzigen Teil der elektromagnetischen Strahlung ohne technische Hilfsmittel sehen. In frarotwellen zum Beispiel sind für uns unsichtbar. Manche Tiere wie etwa die Klapperschlange ha ben es da besser: Sie können die Infrarot- oder Wärmestrahlung ihrer Beute wahrnehmen. Das verschafft ihnen große Vorteile beim Jagen. Findige Wissenschaftler und Ingenieure haben zum Glück längst Möglichkeiten entwickelt, Infra rotstrahlung dennoch für uns sichtbar zu ma chen. Dazu sind spezielle Empfänger notwendig. Und kaum zu glauben: So einen trägt fast jeder mit sich herum – die Handykamera! Richtet sie doch einmal auf dasjenige Ende einer ganz nor malen Fernbedienung, mit dem ihr sonst auf den Fernseher zeigt. Schon könnt ihr mit bloßem Auge das normalerweise unsichtbare Infrarotsignal sehen – auf dem Handydisplay. Das funktioniert bei fast allen Handys. Nur manche Digitalkameras besitzen einen Infrarotfilter, der die Wärmestrahlung abhält. Astronomen bauen an ihre Teleskope spezielle Infrarotkameras, ganz ähnlich wie die in euren Handys. Damit gelingen ihnen unglaubliche Auf nahmen: Die Staubwolken des Alls werden durch sichtig! Doch warum dringt die Infrarotstrahlung ed.oen-murtkeps.w w einer klaren, mondlosen Nacht sehen wir über uns das schwach schimmernde Band der Milchstraße. Allerdings wird das milchige Weiß teilweise von dunklen Schlieren überdeckt. Erst Anfang des 20. Jahr hunderts entdeckten die Astronomen, dass dies riesige Staubwolken sind. Sie verschlucken das Licht der dahinterliegenden Sterne. Die einzelnen Staubpartikel dieser Wolken sind freilich winzig: 0,00001 bis 0,001 Millimeter. Das ist über 100mal kleiner als der Staub, den man beim Putzen von den Möbeln wischt! Die kosmischen Schattenwolken bestehen un ter anderem aus feinen Graphitteilchen (wie unse re Bleistiftminen). Sie entstehen entweder in den äußeren Schichten alter Sterne, während einer Supernova-Explosion (siehe S. 38 unten) oder in sehr kalten Gaswolken der Milchstraße. Der Staub ist minus 170 bis minus 220 Grad Celsius kalt! Selbstverständlich möchten Forscher wissen, was sich hinter den Wolken verbirgt. Doch wie ist es möglich, durch solchen Staub hindurchzusehen? Sterne strahlen nicht nur sichtbares Licht ab, sondern auch andere Strahlungsarten, wie zum Beispiel Infrarot, Ultraviolett und Röntgen. Das sind alles elektromagnetische Wellen – allerdings mit verschiedenen Wellenlängen und Frequenzen. (Mehr darüber findet ihr auf den Seiten 76 – 79.) ern Schaut genau hin! Auf beiden Bild zeigt das Handydisplay ein Abbild der Infrarotstrahlung von der Fern bedienung. Das Infrarot kommt auc durch die Cola locker hindurch. Im Grunde ist diese Situation ganz ähnlich wie eine Himmelsbeobachtung. Cola ist ein fein verteiltes Gemisch mehrerer Flüssigkeiten. Sehr kleine, rundliche, dunkle Teilchen, vergleichbar mit den Staubteilchen im Kosmos, schweben in Wasser. Das normale Licht bleibt darin hängen. Das I nfrarotsignal der Fernbedienung jedoch geht einfach durch die Cola hindurch – und wir kön nen es sichtbar machen! So wie mit Handy, Fernbedienung und Cola läuft es bei dem größten Teleskop der Welt, beim Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Süd sternwarte (ESO) in Chile – na ja, fast. Dessen In frarotkamera benutzt unter anderem Professor Reinhard Genzel seit knapp 20 Jahren. Ihm und sei nen Kollegen ist es gelungen, tausende Sterne im Zentrum unserer Galaxis das erste Mal überhaupt zu sichten. Und nicht nur das: Er wies auch als Ers ter die Existenz des Schwarzen Lochs dort nach! Geduldig beobachtete der Astronom vom MaxPlanck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München über 15 Jahre hinweg die Bewegung dieser Sterne. Einer umkreist mit der sichtbares Licht Wellenlänge Infrarotstrahlung 1995,53 1996,25 1997,54 S2 390 AE Sgr A* 0,05 1998,36 1999,47 2000,47 2002,66 2002,58 2001,50 2002,33 sehr hohen Geschwindigkeit von 18 Millionen Ki lometern pro Stunde das galaktische Zentrum. Reinhard Genzel nannte ihn S2. Doch was um kreist der Stern S2? Dieses »Etwas« blieb Professor Genzels Beobachtungen verborgen, so sehr er sich auch bemühte. Sterne hätte man sehen müssen – wenigstens im Infrarot. Eine Möglichkeit war: S2 bewegt sich um ein Schwarzes Loch. Denn diese können nicht direkt beobachtet werden. Aber sie sind extrem schwer oder »massereich«, wie die Physiker sagen. So verraten sie ihre Existenz im merhin indirekt: durch die Bewegung der Sterne in ihrer Umgebung! Bewegen die sich sehr schnell, dann bedeutet dies, dass eine gigantische verbor gene Masse sie stark in ihren Bann zieht. 1994,32 1996,43 2002,50 2002,40 Sgr A* 2002,25 Der Astronom Reinhard Genzel hat berechnet, dass das Schwarze Loch im Inneren der Milchstraße eine Masse von drei Millionen Sonnen haben muss, um den Stern S2 bei sich halten zu können. Das Bild links zeigt unser galaktisches Zentrum (Sgr A*) im Sternbild Schütze sowie den Stern S2. Die Kreuze in der Zeichnung rechts zeigen die Positionen von S2, die Reinhard Genzel im Lauf von vielen Jahren gemessen hat. Zusammen ergeben sie eine elliptische Bahn. links: NASA Hubble STScl rechts: ESO M. Mc Caughrean M. Andersen Cecilia Scorza, Haus der Astronomie (Heidelberg) Staubteilchen Spektrum der Wissenschaft Physiker nennen den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Bergen oder Tälern einer Welle die »Wellenlänge«. Sichtbares Licht hat kürzere Wellenlängen als Infrarot. Es kann die Staubwolken im All nicht durchdringen – das langwellige infrarote Licht schon. Bau unser Experiment mit der Cola flasche nach und lass einen Freund das Signal der Fernbedienung schnell hinter der Flasche kreisen. Und dann »Action« für deine Handykamera! 1992,23 Andere Wellenlänge, andere Sicht: die Gas- und Staubwolken des Adlernebels im Sternbild Schlangenträger – einmal im sichtbaren Unser Universum Licht aufge nommen (links) und einmal im Infrarot (rechts) 69 ESO MPE und Spektrum der Wissenschaft wManfred Zentsch durch den kosmischen Staub bis zu uns hindurch, während das sichtbare Licht daran »abprallt«? Das hängt mit der Frequenz und der Wellenlänge der Strahlung zusammen: Sichtbares Licht hat Wel lenlängen, die ungefähr so groß sind wie die Aus dehnung der Staubteilchen in den kosmischen Wolken. Deshalb bleibt es darin hängen. Die Infra rotwellen sind länger – darum können sie das Hin dernis ungehindert passieren. Ihr könnt dieses verblüffende Phänomen zu Hause selbst nachvollziehen – mit einer Flasche Cola als scheinbar undurchdringlicher kosmi scher Staubwolke! Entfernt einfach alle Aufkleber von der vollen Flasche und blickt hindurch. Was seht ihr? Nichts außer der Cola; alles, was hinter der Flasche ist, bleibt für euch unsichtbar. Jetzt bittet jemanden, eine Fernbedienung hinter die Colaflasche zu halten und sie zu betätigen – quasi als ob die Flasche der Fernseher wäre. Und nun richtet ihr euer »Teleskop«, die Handykamera, auf die »kosmische Wolke« – also die Flasche. Dreh deinen eigenen Film vom Stern S2!