DER COMA-GALAXIENHAUFEN

• Die SchülerInnen lernen die Grundlagen der Galaxieklassifikation kennen, indem sie echte astronomische Daten des Weltraumteleskops Hubble nutzen. Klassifikation ist ein wissenschaftliches Verfahren, das in vielen Fachbereichen zum Einsatz kommt. Dabei wird eine Vielfalt vom Objekten durch die Zusammenfassung in kleinere Kategorien vereinfacht, so dass sich erkennen lässt, welche Merkmale vielen Objekten gemein sind. So lassen sich diese Merkmale repräsentativer Objekte untersuchen anstatt sich mit jedem Objekt separat zu befassen.

• Die SchülerInnen entdecken eine „Distanz-Morphologie-Relation“ und stellen Hypothesen für die Ursachen dieser Relation auf.

• Die SchülerInnen sind in der Lage, verschiedene Galaxientypen auf der Grundlage von astronomischen Bildern zu klassifizieren.

• Die SchülerInnen können erklären, warum es so wichtig ist, Objekte zu klassifizieren.

• Die SchülerInnen entwickeln Ideen, weshalb Galaxien unterschiedliche Formen aufweisen.

• Die SchülerInnen üben, Fragen zu stellen und Untersuchungen zu planen.

• Die SchülerInnen diskutieren die Ideen, dass es im Universum Umgebungen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften gibt, in denen Galaxien vorkommen, dass es Wechselwirkungen zwischen Galaxien gibt und dass ein Zusammenhang zwischen Umgebung und Morphologie einer Galaxie besteht (die so genannte „Distanz-Morphologie-Relation“).

• Die SchülerInnen stellen Hypothesen zur Ursache der Distanz-Morphologie-Relation auf.

Die Lehrkraft kann die Antworten mit den SchülerInnen diskutieren und sie ermutigen, über die berechneten Werte für die verschiedenen Galaxientypen im Feld und im Haufen zu berichten und sie nach ihrer Antwort auf die letzte Frage zur Distanz-Morphologie-Relation fragen.

Das Verständnis der SchülerInnen lässt sich wie in der Aktivität beschrieben prüfen. Außerdem können Mitschriften eingesammelt und benotet werden. Da das Verständnis der SchülerInnen in den Aktivitäten abgeprüft wird, sind keine weiteren Bewertungsaufgaben notwendig. Wir schlagen die folgende Benotung vor.

Benotungsvorschlag

• Tabelle 1: 5 Punkte – Die SchülerInnen sind in der Lage, das Klassifikationsschema, das sie entwerfen, verständlich zu erklären.

• Tabelle 2: Je 2 Punkte – Antworten (E/S0/SB0 - 2, 6, 9), (S - 1, 8, 12), (SB - 3, 4, 10), (IR - 5, 7, 11).

• Tabellen 3, 4 und 5 (Zählen von Galaxien): keine Bewertung – basiert auf der subjektiven Interpretation der SchülerInnen.

• Tabelle 6 und Berechnungen: 30 Punkte – Bewertung nach Vollständigkeit, nicht Richtigkeit. Die SchülerInnen werden unterschiedliche Zahlen herausbekommen, der Rechenweg sollte aber korrekt sein. Die Antworten für die Prozentzahlen sollten sich im folgenden Bereich bewegen: (Haufen: E 50 %, L 30 %, S 20 %) (Feld: E 20 %, L 10 %, S 70 %). Normalerweise finden die SchülerInnen einen höheren Prozentsatz an Spiralen im Feld.

Hypothesenfrage: 30 Punkte – In der Hypothese der SchülerInnen sollten die Auswirkungen von Wechselwirkungen und Ram Pressure Stripping bei der Umwandlung ehemals gasreicher Spiralgalaxien in nun gasarme elliptische und linsenförmige Galaxien in Haufen vorkommen.

• Bilder von 40 Galaxien.
• Galaxiekarten A bis D.

Galaxieklassifikation

Astronomen unterteilen Galaxien in Abhängigkeit von ihrem Aussehen in drei große Gruppen: elliptische Galaxien, Spiralgalaxien und irreguläre Galaxien. Dieses Klassifikationsschema wurde zuerst von Edwin Hubble entwickelt. Hubble dachte ursprünglich, dass das ‚Stimmgabeldiagramm‘ die Entwicklungssequenz von Galaxien beschreibt. Die Idee erwies sich als falsch; Astronomen verwenden aber weiterhin diese allgemeinen Kategorien und Bezeichnungen zur Beschreibung von Galaxien.

Die wichtigsten Galaxientypen

Elliptische Galaxie (E), linsenförmige Galaxie (S0), linsenförmige Balkengalaxie (SB0), Spiralgalaxie (S), Balkenspiralgalaxie (SB) und irreguläre Galaxie (IR). Weitere Einzelheiten finden Sie in der Beschreibung der Aktivität.

Ein weiterer Galaxietyp

Wechselwirkende Galaxie: Besteht aus zwei oder mehr Galaxien, deren Abstand voneinander so gering ist, dass sie ihre Form gegenseitig beeinflussen.

In dieser Aktivität bereitgestellte Daten

Die in dieser Aktivität verwendeten Daten über den Coma-Galaxienhaufen stammen vom Weltraumteleskop Hubble. Sie wurden 2006 vom Instrument Advanced Camera for Surveys (ACS) des Hubble-Weltraumteleskops aufgenommen.

Galaxieumwelt

Galaxien kommen im gesamten Universum vor und bewegen sich in ganz unterschiedlichen Konstellationen. Sie können Teil von Haufen oder Gruppen sein oder allein auftreten.

Gruppen

Manchmal bildet eine Handvoll Galaxien eine so genannte Gruppe. Die Lokale Gruppe umfasst unsere Galaxie, die Milchstraße, und unsere Nachbarn, die Magellanschen Wolken und die Andromedagalaxie, sowie ein Dutzend kleinerer Galaxien.

Feld

Andere Galaxien sind isoliert und weit voneinander entfernt. Diese nennt man Feldgalaxien.

Haufen

Ein Galaxienhaufen ist eine große Struktur im Universum, die Hunderte oder Tausende Galaxien umfasst, welche von der Schwerkraft zusammengehalten werden. Die große Zahl an Galaxien in einem Haufen weisen wie im Coma-Haufen einen geringen Abstand zueinander auf. Haufen gehören zu den größten und dichtesten Strukturen im Universum. Haufen, Gruppen und einige isolierte Galaxien können außerdem Teil noch größerer Strukturen, der so genannten Superhaufen sein. Als größte Strukturen im sichtbaren Universum gruppieren sich diese Haufen und verbindenden Filamente um große Hohlräume. Diese Struktur wird häufig als das ‚kosmische Netz‘ bezeichnet.

Die SchülerInnen betrachten zunächst die Bilder von 40 Galaxien, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie stark sich Galaxien in Aussehen und Form unterscheiden. Anschließend entwickeln sie ein eigenes Klassifikationsschema für Galaxien, bevor sie erfahren, wie die Astronomen Galaxien tatsächlich in vier Hauptgruppen einteilen.

Schritt 1

Sagen Sie den SchülerInnen Folgendes: Das Diagramm oben zeigt ein Mosaik aus 40 Galaxien. Diese Bilder wurden mit dem Weltraumteleskop Hubble gemacht und zeigen, welch unterschiedliche Formen Galaxien aufweisen können. Als sich der Astronom Edwin Hubble in den 1920er Jahren zum ersten Mal mit diesen unterschiedlichen Galaxientypen beschäftigte, entwickelte er eine Methode, sie in verschiedene Kategorien einzuteilen. Er erstellte ein Klassifikationsschema, in dem er ähnliche Galaxien in Gruppen zusammenfasste.

Ihr sollt jetzt dasselbe tun. Denkt euch auf dem folgenden Blatt eure eigenen Galaxientypen aus, beschreibt sie und liefert jeweils drei Bespiele.

Füllt dafür die Tabelle auf dem Arbeitsblatt aus.

Schritt 2

Diskussion:

Bitten Sie die SchülerInnen, den Anderen ihre Klassifikationssysteme vorzustellen. Vorschläge für die Diskussion:

• Worin stimmen die unterschiedlichen Schemata überein?

• Worin liegen die wichtigsten Unterschiede?

• Argumente für die Klassifikation bestimmter Galaxien?

• Wieso haben sich die SchülerInnen ausgerechnet für diese Art von Schema entschieden?

• Welche weiteren, völlig anderen Schemaarten könnte man sich vorstellen, z. B. wenn man über andere Daten zu denselben Galaxien verfügen würde?

• Warum ist es (nicht) wichtig, Objekte, die wir entdecken, zu klassifizieren?

• Könnten sich die Klassifikationssysteme im Laufe der Zeit verändern?

Diese Diskussionspunkte können auch zu einem späteren Zeitpunkt noch einmal angesprochen werden. (Voraussichtlich werden zumindest einige SchülerInnen eine Klassifikation auf der Grundlage der Form vorgenommen haben – wenn nicht, ermutigen sie sie, sich andere Schemata in Abhängigkeit von der Form auszudenken, nachdem sie ihre Systeme besprochen haben.)

Fordern Sie die SchülerInnen auf, Beobachtungen anzustellen, auf der Grundlage ihrer bisherigen Analyse des Bildes Fragen zu stellen, diese in Gruppen zu besprechen und aufzuschreiben. Ziel ist es, dass sie fragen „Warum haben unterschiedliche Galaxien unterschiedliche Formen?“ Fordern Sie die SchülerInnen anschließend auf, Fragen und Ideen dazu, weshalb Galaxien unterschiedliche Formen haben, zu diskutieren und aufzuschreiben. Beispiele:

• Haben sich die Galaxien bereits in unterschiedlichen Formen herausgebildet oder hatten zu Beginn alle Galaxien dieselbe Form und haben sich dann unterschiedlich entwickelt?

• Welche unterschiedlichen Geschichten könnten Galaxien haben (insbesondere solche, die sich auf ihre Form ausgewirkt haben)? (Ermutigen Sie die SchülerInnen, in die Richtung von Wechselwirkungen zwischen Galaxien zu denken.)

• Ist es wahrscheinlicher, dass die Veränderung der Form von Galaxien auf interne Prozesse zurückgeht oder durch äußere Faktoren beeinflusst wird? (z. B. etwas, das jeder Galaxie im Laufe der Zeit passiert oder etwas, das durch eine Wechselwirkung mit einer anderen Galaxie ausgelöst wird)

• Könnte die Form etwas mit der Größe der Galaxie bei ihrer Entstehung zu tun haben?

• Sind die Formen, die wir sehen, vorübergehend oder dauerhaft?

Ermutigen Sie die SchülerInnen, während sie über diese Art von Ideen nachdenken, darüber zu sprechen, wie sie zu Antworten auf diese Fragen gelangen könnten. (Vielleicht kommen einige SchülerInnen auf die Idee, dass Wechselbeziehungen mit anderen Galaxien eine Rolle spielen könnten und dass es sinnvoll wäre, Regionen mit vielen Galaxien und damit vielen möglichen Wechselbeziehungen zu betrachten.

Egal, ob sie diese Idee haben oder nicht, wird diese Diskussion ihnen helfen, das Ganze zu einem späteren Zeitpunkt der Aktivität zu durchdenken.)

Schritt 3

Sagen Sie den SchülerInnen Folgendes: Astronomen haben ihr eigenes Klassifikationsschema für Galaxien entwickelt, das auf der Form (häufig „Morphologie“ genannt) der Galaxie beruht. Die Definitionen der wichtigsten Galaxientypen, die in der Astronomie verwendet werden, seht ihr unten. Ordnet die 12 in der Abbildung oben gezeigten Galaxien anhand dieser Definitionen in die üblichen Kategorien ein. Füllt dafür die Tabelle auf dem Arbeitsblatt aus.

Anmerkung: Die kleinsten Galaxien werden häufig Zwerggalaxien genannt (Nr. 5 und Nr. 7 sind Zwerggalaxien). Diese umfassen nur einige wenige Milliarden Sterne – wenig im Vergleich zu den 200 Milliarden Sternen der Milchstraße. Die größten elliptischen Galaxien umfassen mehrere Billionen Sterne.

Diskussion: Vergleicht das Klassifikationsschema der Astronomen mit den von euch erstellten Klassifikationssystemen.

Schritt 4

Sagen Sie den SchülerInnen Folgendes: Verwendet das Bild unten und die Hinweise, um zu entscheiden, wie sich Galaxien identifizieren und zählen lassen.

Hinweise:

• I) Elliptische oder linsenförmige Galaxien: Diese sind manchmal schwierig auseinander zu halten. Wenn ihr wisst, dass es sich entweder um eine E oder um eine S0/SB0 handelt, ist es in Ordnung, einfach zu raten, welche von beiden es ist.

• II) Spiralgalaxien und Balkenspiralgalaxien: Diese sind manchmal schwierig auseinander zu halten. Wenn ihr wisst, dass es sich entweder um eine S oder um eine SB handelt, ist es in Ordnung, einfach zu raten, welche von beiden es ist.

• III) Irreguläre Galaxie.

• IV) Unsicher: Kantenansicht einer Galaxie, die entweder eine S0, eine SB0, eine S, eine SB oder eine IR sein kann. Es gibt zu viele Möglichkeiten, daher bei der Zählung auslassen.

• Stern) Jeder Körper mit einem ‚Fadenkreuz‘ ist ein Vordergrundstern in der Milchstraße und wird daher nicht gezählt.

• ?) Kleine, blasse Körper wie dieser, die schwierig einzuordnen sind, werden nicht gezählt.

Schritt 5

Laden Sie die Bilder „Galaxiekarten“ A-D herunter, um die in jedem Bild zu sehenden Galaxientypen zu zählen. Jetzt geht es darum, die Galaxien der einzelnen Formen zu zählen und die Zahl in das richtige Feld der Tabelle einzutragen.

Schritt 6

Sagen Sie den SchülerInnen Folgendes: Galaxien kommen im gesamten Universum vor, von unseren Nachbarn – den Magellanschen Wolken und Andromeda – bis hin zum sichtbaren Universum 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Galaxien bewegen sich in ganz unterschiedlichen Konstellationen. Manchmal kommen sehr viele Galaxien in einem einen geringen Abstand zueinander als Haufen vor, wie der Coma-Haufen, manchmal treten sie in kleinerer Zahl als so genannte Gruppe auf, wie die Lokale Gruppe, zu der auch die Milchstraße gehört, und manchmal liegen sie weit voneinander entfernt im Feld vor. In der Tabelle unten sind die Merkmale der unterschiedlichen Arten von galaktischen Umgebungen dargestellt.

Im letzten Schritt war auf den Galaxiekarten A und C das dichte Zentrum des Coma-Haufens zu sehen, während die Bilder B und D Galaxien im Feld zeigten. (Anmerkung: Astronomen verwenden manchmal den Begriff „Feld“, um den Bereich außerhalb von Galaxienhaufen zu beschreiben.) Füllt die Tabelle mit den Zahlen aus Schritt 5 der Aktivität aus.

Siehe Tabellen auf dem Arbeitsblatt.

Schritt 7

Bitten Sie die SchülerInnen, über folgende Fragen nachzudenken und in der Gruppe zu diskutieren: Welche Trends seht ihr in den Daten, die ihr oben analysiert habt? Fällt euch irgendwas dazu auf, wo sich die verschiedenen Typen von Galaxien am ehesten finden lassen? (Extrafrage: Wo seht ihr mehr Spiralgalaxien? In engen Haufen oder im Feld? Wie sieht es mit elliptischen Galaxien aus?) Den SchülerInnen sollte auffallen, dass Spiralgalaxien eher im Feld vorkommen, während elliptische Galaxien häufiger in dichten Haufen zu finden sind. Anschlussfrage: Überrascht euch das? Ziel ist es, dass die SchülerInnen fragen „Warum hängt die Anzahl der Spiralgalaxien (oder elliptischen Galaxien) davon ab, wo sich die Galaxie befindet?“

Bitten Sie die SchülerInnen, zu diskutieren und aufzuschreiben, warum die Art der Galaxie wohl davon abhängt, wo sich die Galaxie befindet. Fragen Sie die SchülerInnen, wie sie ihre Ideen überprüfen könnten: Welche Voraussagen würden sie auf der Grundlage dieser Ideen treffen? Welche Zusatzbeobachtungen und -informationen bräuchten sie? Wie könnten sie den Trend mithilfe der Daten quantifizieren?

Schritt 8

In den nächsten Schritten ist erklärt, wie die SchülerInnen diesen Trend weiter erforschen können, indem sie ihn zunächst quantifizieren und anschließend mehr darüber lesen, wie Galaxien entstehen und sich entwickeln. Sie können ihnen, wie unten erläutert, genau erklären, was sie tun sollen. Besser noch wäre es jedoch, wenn sie in Gruppen darüber sprechen, wie sie ihre Frage angehen können, indem sie den Trend zunächst einmal quantifizieren und dann selbst Verfahren für die unten angegebenen Berechnungen entwickeln.

Ermittelt mit einem Taschenrechner die Prozentzahlen für die verschiedenen Galaxietypen in Haufen einerseits und im Feld andererseits (lasst IR und INT unberücksichtigt).

Verwendet eure Zahlen aus der Tabelle oben, um die Prozentsätze zu berechnen und die Leerstellen zu füllen:

Im Haufen: % elliptische Galaxien (e / h) = __ %

% linsenförmige Galaxien (f / h) = __ %

% Spiralgalaxien (g / h) = _ %

Im Feld: % elliptische Galaxien (i / m) = _ %

% linsenförmige Galaxien (j / m) = __ %

% Spiralgalaxien (k / m) = _ %

Frage: Wo habt ihr einen höheren Anteil Spiralgalaxien gefunden – im Haufen oder im Feld? Antwort: _

Sagen Sie den SchülerInnen Folgendes: Die Prozentsätze, die ihr gerade ermittelt habt, sagen uns, welche Arten von Galaxien im Coma-Haufen und welche im Feld häufig vorkommen.

Astronomen haben dieses Experiment mit hunderttausenden Galaxien im nahen Universum durchgeführt und herausgefunden, dass die folgenden Prozentsätze typisch sind:

• In dichten Haufen sind 40 % der Galaxien elliptisch, 50 % linsenförmig, und bei 10 % handelt es sich um Spiralgalaxien.

• Im Feld sind 10 % der Galaxien elliptisch, 10 % linsenförmig, und bei 80% handelt es sich um Spiralgalaxien.

Wenn Galaxien in sehr geringem Abstand voneinander vorkommen, sind sie eher elliptisch und linsenförmig. Wenn Galaxien mit großem Abstand zueinander vorkommen, handelt es sich eher um Spiralgalaxien. Das nennen Astronomen die „Distanz-Morphologie-Relation“. Dieser Begriff bedeutet im Grunde, dass in Bereichen mit sehr vielen Galaxien wie in Haufen andere Arten von Galaxien vorkommen als in offenen Bereichen wie im Feld.

Schritt 9

Die SchülerInnen sollten nun (seit Schritt 7) die Frage „Warum kommen in Haufen mehr elliptische und linsenförmige Galaxien und im Feld mehr Spiralgalaxien vor?“ gestellt haben. (Diese Frage lässt sich auch so formulieren: „Warum lässt sich die Distanz-Morphologie-Relation beobachten?“) Sie sollten mittlerweile auch die Idee gehabt haben, dass Wechselbeziehungen eine Rolle spielen könnten und vielleicht sogar die Idee, dass in dichten Umgebungen wie der Mitte eines Haufens mehr Wechselbeziehungen auftreten.

Die Informationen unten können dazu dienen, die Frage zu beantworten. Sie können den SchülerInnen den Text zum Lesen geben und sie dann auffordern, eine Erklärung für diesen Effekt zu diskutieren und aufzuschreiben. Alternativ können Sie die SchülerInnen weiter auffordern, zu brainstormen und Ideen für mögliche Erklärungen zu diskutieren, um anschließend allein oder in Gruppen in Büchern / im Internet nachzulesen und die Erklärungen dann den Anderen vorzustellen.

Erklärung:

Viele Galaxien enthalten etwas, was die Astronomen „Gas“ nennen. Dabei handelt es sich in der Regel um Wasserstoffgas, manchmal gemischt mit den Gasen anderer Elemente, manchmal auch mit Stoff. Gaswolken können durch die Schwerkraft kollabieren, was zur Bildung von Sternen führt. Astronomen haben viele Spiralgalaxien (S und SB) erforscht und herausgefunden, dass die meisten dieser Galaxien viel Gas enthalten und derzeit viele neue Sterne bilden. Elliptische und linsenförmige Galaxien (E, S0 und SB0) sind gasarm und bilden wenige neue Sterne.

Galaxien, die wenig Abstand zueinander aufweisen, wie jene in Haufen, sind häufig heftigen Wechselwirkungen unterworfen. Wenn eine gasreiche Spiralgalaxie mit einer anderen Galaxie interagiert, verbraucht sie meist sehr schnell den Großteil ihres Gases für die Bildung neuer Sterne und lässt nur wenig Gas zurück. Wechselwirkungen zwischen Galaxien führen häufig dazu, dass zuvor gasreiche Galaxien zu gasarmen werden. Bei vielen linsenförmigen Galaxien handelt es sich um die Reste alter Spiralgalaxien, die ihr Gas verloren haben, und viele elliptische Galaxien sind die Überbleibsel mehrerer Spiralgalaxien, die zusammengeprallt sind.

Galaxienhaufen sind in der Regel mit extrem heißem Gas gefüllt, das sich auf die verschiedenen Galaxien im Haufen verteilt. Im Feld hingegen kommt so heißes Gas nicht vor. Wenn die Strahlung dieses heißen Gases auf eine Spiralgalaxie trifft, nimmt sie in einem „Ram Pressure Stripping“ genannten Prozess das sehr viel kühlere Gas der Spiralgalaxie auf. Dieser Prozess führt dazu, dass sich eine gasreiche Spiralgalaxie sehr rasch in eine gasarme linsenförmige Galaxie verwandelt. Spiralgalaxien können in der überhitzten Gasumgebung nur schwer überleben.

Wie ihr seht, verändern und entwickeln sich Galaxien im Laufe der Zeit, und die Galaxien, die wir heute im benachbarten Universum sehen, haben bereits eine lange Geschichte hinter sich.

Zusatzaktivität

Wenn sich die SchülerInnen erstmal mit der Form von Galaxien auskennen, können sie an einem echten wissenschaftlichen Forschungsprogramm, dem Citizen-Science-Programm Galaxy Zoo teilnehmen:

http://www.space-awareness.org/de/games/galaxy-zoo/

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Galaxies

National Curricula USA

Next Generation Science Standards, content Standard in 9-12 Science as Inquiry (Abilities necessary to do scientific inquiry, Unders and Content Standard in 9-12 Earth and Space Science (Origin and evolution of the universe)

National Curricula UK

GCSE, KS3 ,A level: Physics - Edexcel; OCR A; WJEC