Das Universum: Urknall, Schwarze Löcher, Expansion

Fragebogen Item 2: Teil 1: Das Universum

1. Fassen Sie kurz den Prozess der Entstehung des Universums als Urknall zusammen.

   Es wird angenommen, dass die gesamte Materie im Universum in einem kleinen Volumen von hoher Dichte und hoher Temperatur konzentriert war (Singularität). Unter solchen Bedingungen existieren keine Atome im chemischen Sinne. Durch die Nutzung der Energie wurde diese allmählich in Materie umgewandelt, die sich immer weiter in alle Richtungen ausdehnte. In einem Augenblick, vor etwa 12 bis 20 Milliarden Jahren, entstanden Raum und Zeit. Die Materie kondensierte zu dem, was wir heute als Galaxien, Sterne, Planeten und andere Himmelskörper kennen.

2. Nennen Sie einige der Merkmale, die diese Planeten im Sonnensystem gemeinsam haben: Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun.

   • Es sind große, gasförmige Planeten mit einem sehr kleinen festen Kern.
   • Sie rotieren sehr schnell.
   • Sie sind kalt, zwischen -130°C und -220°C.
   • Alle vier haben zwischen 8 und 17 Satelliten, die sie umkreisen.
   • Alle, außer Jupiter, haben Ringe um sich herum.

3. Wie untersuchen wir die Zusammensetzung der Materie im Universum? Kreuzen Sie die richtigen Optionen an:

   1. Durch die Schwerkraft.
   2. Durch den Klang von Sternenexplosionen.
   3. Durch die Analyse von Spektren der Strahlung.

4. Was passiert, wenn Superman die Rotation der Erde um die Sonne anhält?

   1. Die Erde würde weiterhin existieren.
   2. Die Erde würde sich wieder langsam um die Sonne drehen.
   3. Die Erde würde auf die Sonne stürzen.

5. Warum drehen sich alle Galaxien?

   Die Körper bewegen sich durch die Anziehungskraft.

6. Je mehr Sterne ein Schwarzes Loch verschlingt, desto hungriger wird es. Warum? Hinweis: Denken Sie an das Newtonsche Gravitationsgesetz.

   Denn je mehr Materie das Schwarze Loch hat, desto größer ist seine Anziehungskraft auf andere Objekte.

7. Was ist der "Point of no Return", wenn wir von einem Schwarzen Loch sprechen?

   Der "Point of no Return" eines Schwarzen Lochs entspricht dem Ereignishorizont. Das ist der Bereich, in dem Materie und Licht von dem Schwarzen Loch aufgesogen werden und nicht mehr entkommen können.

8. Andromeda ist die nächste Galaxie, die etwa so groß ist wie die Milchstraße. Im Gegensatz zu den meisten Galaxien nähert sich Andromeda der Milchstraße. Wohin verschieben sich die Linien in ihrem Spektrum?

   Aufgrund des Dopplereffekts in Richtung Blau.

9. Vor wie vielen Jahren wird vermutet, dass der Urknall passiert ist?

   Vor etwa 12 bis 20 Milliarden Jahren.

10. Welche Daten unterstützen die Theorie des Urknalls?

    • Doppler-Effekt: Tritt auf, wenn sich eine Energie- oder Wellenquelle in Bezug auf einen Beobachter oder Radioempfänger bewegt. So werden mehr oder weniger Wellen pro Zeiteinheit empfangen, abhängig von der Bewegungsrichtung der Quelle. Eine Quelle, die sich entfernt, emittiert weniger Lichtwellen pro Zeiteinheit, und umgekehrt, wenn sie sich nähert. Die längeren Wellenlängen entsprechen rotem Licht, während die kürzeren violettem Licht entsprechen. Vesto Slipher stellte fest, dass die meisten der beobachteten Galaxien sich im roten Spektralbereich bewegen, also von uns weg, abgesehen von den Sternen der lokalen Gruppe.
    • Gesetz der Rezession von Galaxien (Hubble): Die Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien entfernen, ist direkt proportional zu ihrem Abstand: Die Galaxien entfernen sich von uns mit einer Beschleunigung von 160 km/s pro Megaparsec.
    • Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie legte den Grundstein für die Entwicklung von mathematischen Gleichungen, die das allgemeine Gleichgewicht des Universums und die Rezession von Galaxien bestätigen.
    • Die kosmische Hintergrundstrahlung: Penzias und Wilson (1964) fanden ein elektromagnetisches Rauschen aus dem ganzen Universum, das der Reststrahlung des Urknalls entsprach.

11. Welche anderen Theorien wurden vorgeschlagen, um den Ursprung des Universums zu erklären? Beschreiben Sie diese kurz.

    • Pulsierendes Universum: Diese Theorie schlägt vor, dass unser gegenwärtiges Universum das Ergebnis einer früheren Kontraktion eines Ur-Atoms ist, das aus einem vorherigen Universum stammt. Mit anderen Worten, wir sprechen von einem Universumsmodell, in dem die Materie in unbestimmten Zeitabständen wiederverwertet wird. Sobald die maximale Ausdehnung erreicht ist, beginnt es aufgrund der Schwerkraft zu schrumpfen, bis alles in einer Singularität endet und ein neuer Kosmos entsteht. In diesem Modell würde jeder Puls bedeuten, dass die Materie bereits vor der Entstehung der neuen Welt existierte.
    • Inflationstheorie: Der erste Schub der Explosion der Singularität wurde durch Prozesse verursacht, bei denen eine einzige, einheitliche Kraft der Natur in die vier fundamentalen Kräfte aufgeteilt wurde, die heute existieren: Gravitation, Elektromagnetismus und die starke und schwache Kernkraft. Die inflationäre Kraft wirkte nur für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde, aber in dieser Zeit verdoppelte sich die Größe des Universums um das Hundertfache oder mehr.
    • Steady-State-Theorie oder Theorie der kontinuierlichen Schöpfung (perfektes kosmologisches Prinzip): Nach dieser Theorie ist das Universum eine Einheit, die weder Anfang noch Ende hat. Es gibt keine Genesis oder ein Ende, da die interstellare Materie schon immer existiert hat.

12. Woher wissen wir, dass dunkle Materie existiert, wenn wir sie nicht sehen können? Wählen Sie die richtige Antwort:

    1. Weil wir das Licht sehen können, das von Sternen und Gaswolken in der Nähe reflektiert wird.
    2. Weil wir ihre Schwerkraftwirkung beobachten können.
    3. Weil wir Detektoren in Infrarot- und Ultraviolett-Weltraumteleskopen haben.

13. Wo wurden die Atome gebildet, aus denen Ihr Körper besteht?

    1. Beim Urknall, als das Universum entstand.
    2. In einer Supernova, die sie in einer Explosion freisetzte.
    3. In der frühen Erde.

14. Geben Sie an, ob die folgenden Aussagen über Schwarze Löcher wahr oder falsch sind:

    1. Sie sind dunkle Materie im Universum, die wir nicht sehen können. - Falsch (Wir können ihre Auswirkungen sehen)
    2. Es sind sehr massive Körper mit einer so starken Schwerkraft, dass nicht einmal Licht entkommt. - Wahr
    3. Sie können durch die Röntgenstrahlen erkannt werden, die von der Materie emittiert werden, die schnell in das Loch fällt. - Wahr

15. Erklären Sie auf einfache Weise:

    1. Was bedeutet es, dass das Universum expandiert?

       Es wächst bis ins Unendliche.

    2. Woher wissen wir, dass das Universum expandiert?

       Durch den Doppler-Effekt.

    3. Welche Beziehung besteht zwischen der Entdeckung der Expansion des Universums und dem Urknall-Modell?

       Die Expansion des Universums führte zur Entwicklung des Urknall-Modells.

16. Wir haben einen Exoplaneten in der habitablen Zone eines Sterns entdeckt, der 2000 Lichtjahre entfernt ist, und beschließen, eine verschlüsselte Nachricht zu senden:

    "Hallo, wir sind hier."

    Angenommen, es gibt intelligente Lebewesen, die sie empfangen können, und dass wir eine Antwort erhalten:

    1. Wie lange dauert es, bis die Antwort die Erde erreicht?

       Die Antwort auf die Nachricht wird in 4 x 10³ Jahren (4000 Jahren) erhalten.

    2. Wären Sie noch hier, um sie zu begrüßen?

       Nein.

    Eine elektromagnetische Welle bewegt sich mit 300.000 km/s.

17. Nennen Sie eine Tatsache, die die Theorie unterstützt, dass die Sonne und andere Himmelskörper im Sonnensystem aus dem Nebel entstanden sind, der durch die Explosion einer nahen Supernova entstanden ist.

    1. Welche chemischen Elemente werden in der Sonne aus Wasserstoff gebildet?

       Helium. Sterne, die größer als die Sonne sind, produzieren Kohlenstoff, Aluminium und Eisen.

    2. Wo sind Eisen und andere schwere Elemente auf der Erde entstanden?

       In Supernova-Explosionen.

18. Erklären Sie, wie die Planeten des Sonnensystems entstanden sind. Warum sind die sonnennächsten Planeten felsige Planeten, während Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun Gas- und Flüssigkeitsplaneten sind?

    Vor etwa 4,57 Milliarden Jahren verdichtete sich ein Nebel, kollabierte und verwandelte sich in eine Scheibe. Die Scheibe ist in der Mitte heißer, weil es dort mehr Teilchen gibt (mehr Kollisionen, mehr Wärme). Die leichteren Elemente wandern in die kälteren äußeren Bereiche. In jedem Bereich der Scheibe beginnt ein Planet zu wachsen und zieht die nahegelegene Materie durch seine Schwerkraft an. Die äußeren Planeten bildeten sich zuerst und haben mehr Masse, weil sie aus den häufigsten Elementen im Nebel entstanden sind. In den inneren Regionen bildeten sich kleine Körper (Planetesimale), die miteinander kollidierten und die inneren Planeten hervorbrachten. Dieser Prozess dauerte etwa 10 Millionen Jahre. Das Material, das nicht in die Planeten integriert wurde, bildete die 166 bekannten Satelliten, mit Ausnahme des Mondes. Weit entfernt von den Planeten befinden sich Tausende von Kometen, eisige Überreste des Nebels. Da die leichteren Elemente in die kälteren äußeren Bereiche wandern, entstanden dort die Gasplaneten, während die felsigen Planeten in den inneren Zonen blieben.

19. Geben Sie an, welche Beweise die Theorie unterstützen, dass der Mond durch den Einschlag eines Objekts auf der Erde entstanden ist.

    Der Mond entstand durch den Zusammenstoß der Erde mit einem kleineren Planeten. Diese Hypothese basiert auf der unterschiedlichen Zusammensetzung von Erd- und Mondgestein.

20. Erklären Sie kurz den Prozess der Entstehung und Entwicklung eines Sterns.

    • Weniger als das 9-fache der Sonnenmasse: Unterriese - Roter Riese - Weißer Zwerg - Supernova.
    • Masse zwischen dem 9- und 30-fachen der Sonnenmasse: Blauer Überriese - Gelber Überriese - Roter Überriese - Supernova - Neutronenstern.
    • Masse größer als das 30-fache der Sonnenmasse: Supernova - kein Roter Überriese - Schwarzes Loch.