Lehrtätigkeit, die von Ilaria Viale und Marco Dall’Amico während des Doktoratsstudiums “Designing innovative public engagement activities” am Universität Padova 2022 geplannt.

Astrophysikalisches Box:

Das Ziel dieses Workshops ist es, den Kindern zu zeigen, wie die Astronomen schwarze Löcher beobachten In dieser Aktivität zeigen wir die Wirkung der Schwerkraft von verschiedenen Körpern in einer kleinen Region des Spacetime, (Zeitraum) reproduziert von einem schwarzen Tuch, das auf einem Hula Hop gespannt gehalten wird. Wir simulieren die Verformung des Zeitraums durch die Verformung der Plane. Dies liegt an den verschiedenen Massen der verwendeten Körper. Wir beginnen mit leichteren Körper, um kleinere Gravitationseffekte zu zeigen. Wir werden die Masse nach und nach erhöhen, bis wir die extreme Schwerkraft eines schwarzen Lochs zeigen (schwwerer Gewicht). Endlich, mit Hilfe von Tempera, zeigen wir den Kindern, wie schwarze Löcher die umgebende Materie einfangen, indem wir die riproducendo das berühmte Bild des M87* schwarzen Lochs zeigen. Das Ganze wird als interaktive Aktivität präsentiert, damit die Kinder die Konzepte selbst erleben, und sich mit Astronomen identifizieren.

Material:

  • Gelb/Orange/Rot Wasserfarben
  • Farbfoto von M87 (möglichst im A3-Format)
  • Becher aus recycelbarem Papier (~30-50)
  • 1-2 Packungen Müllbeutel
  • 2 x Rhythmische Gymnastik Hula Hoop
  • Wäscheklammern, ca 40 (wenn es Büroklammern sind, besser)
  • Zwei schwarze Gummitücher, 1m x 1m
  • Ein schwerer Ball ca 800-1000 g, wenn kleiner besser (ein Fitnessgerät kann gut sein)
  • Ein Ball ca 300 g (zum Beispiel ein Strandkorb)
  • Kugeln in verschiedenen Farben und Grössen
  • Küchenpapier zum Händeputzen
  • Schere (optional)
  • Einweg Handschuhe (1 Packung) (optional)

 

 

Vorbereitung der Aktivität:

Die Aktivität richtet sich an zwei Gruppe von ca 7-8 Kinder. Jede Gruppe arbeitet parallel auf ein Hula-hop unten stehenden Anweiseungen.

  1. Das schwarze Tuch über beiden Hula-hop Reifen legen, und befestigen Sie das Tuch mit Klammern. Der Weltraum wird unser Universum sein. Wenn das Tuch sehr elastisch ist, kann man es genung spannen. Wenn das Gewebe sehr steif ist, können Sie ein weing “Bauch” lassen, indem Sie darauf achten, dass keine Falten entstehen. 
  2. Schürzen für die Kinder vorbereiten (die Schürzen sind nützlich, wenn sie die Farbe verwenden, damis sie nicht schmuzig werden): wir nehmen die Müllsäcke und machen ein Loch für den Kopf und zwei Löcher für die Arme.

Beschreibung der Aktivität:

Einmal haben wir unseren Universum-Simulator mit Hula-hop und Tuch gebaut, können wir den Kindern zeigen, wie verschiedene Masse unterschiedliche Auswirkungen auf das Tuch haben. Wir nehmen Murmeln in verschiedenen Grössen, und zeigen ihnen, wie dise anders verziehen, wenn man es stehen läßt (schwerere führen zu größererer Verformung) und wi sies ich benehmen, wenn wir sie werfen lassen. Wir können auch die 300-Gramm-Kugel als Beispiel für die Sonne verwenden, stellen sie am Zentrum und die Kinder dazu anregen, leichtere Zettel um sie herum zu werfen, damit sie um die schwerere Kugel umkreisen.

Ersetzen wir den Sonnen-Kugel mit der schwereren Ball (unser schwarzes Loch) und wiederholen wir das Experiment. Wir stellen fest, dass die Verformung der Tuches größer ist; die Auswirkungen der Schwerkraft auf andere Kugeln sind daher intensiver. Die Murmeln fallen sehr schnell ins schwarze Loch. Die Schwerkraft des schwarzen Lochs ist so stark, dass sie auch das Licht anfängt. Das Licht, das in das schwarze Loch fällt, kommt nicht mehr aus. Deshalb ist das schwarze Loch schwarz: strahlt nicht nur kein Licht aus, aber fängt es.

Aber die Astronomen könnten ein schwarzes Loch “fotografieren”. Um ein Objekt zu fotografieren, das kein Licht aussendet, haben sie die Tatsache ausgenutzt, dass wenn eine Materie in das schwarze Loch fällt, gibt sie eine Strahlung ab. (Im vorherigen Fall, waren Murmeln, oder Sterne, Planete und Asteroiden die Materie). Um dieses Experiment zu reproduzieren, lassen wir die Kinder die vorbereiteten Schürzen tragen, geben wir ihnen die Gläser mit Tempera, und lassen ihnen eine Murmel in die Gläser eintauchen. Die schwerste Masse immer im Zentrum des Tuches, lassen wir die Kinder mit bemalten Kugeln werfen. Wir werde sehen, dass diese bunte Spuren entlang der Flugbahnen lassen. Während die Kinder die Murmeln werfen, soll das Tuch immer bunter werden, und sollte sich ein Spiralmuster um das schwarze Loch bildene. Dies ist die Wachstumsscheibe um das schwarze Loch. Astronomen nutzten dies, um das erste Bild des M87* Schwarzen Lochs zu machen.

Zum Abschluß der Aktivität, vergelichen wir das Originalfoto der Astronomen mit dem Tempera-Bild, und bemerken wir die Ähnlichkeit:

Da supermassereiche schwarze Loch im Zentrum von Messier 87. Credits: The Event Horizon Telescope
Schwarzes Loch von Kindern

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Beshreibung der physikalischen Prozesses:

Schwarze Löcher geben aufgrund ihrer extremen Schwerkraft kein Licht ab. Um sie zu beobachten, nutzen die Astronomen das von der umgebenden Materie emittierte Licht, der einen Kontrast zum Hintergrund un dem schwarzen Loch selbst bildet. Dadurch kann man das schwarze Loch nicht direkt betrachten, sondern seinen Schatten auf das umgebende Licht. Diese Materie, die das schwarze Loch umkreist, heisst Akkretionsscheibe, und besteht aus einem heißen Gas namens Plasma. Das Plasma dreht sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um das schwarze Loch, mit den innersten Schichten, die sich schneller als die äußersten Schichten drehen (wie die Planeten des Sonnensystems: Neptun dreht sich langsamer als Merkur). Dieser Geschwindigkeitsunterschied bewirkt, dass die verschiedene Schichten übereinander gleiten, und Reibung erzeugen. Ducrh diese Reibung, erwärmt sich das Plasma und gibt Licht ab. Wir können dieses Licht mit unseren Teleskopen beobachten. Mit dieser Technik, konnten die Astronomen des “Event Horizon Telescope”, zum ersten Mal 2019 das supermassereiche schwarze Loch im Zentrum der M87 Galaxie, circa 52 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Bild hier unten stammt aus den Beobachtungen verschiedener Radio-Teleskopen auf der ganzen Welt. Auf dem Bild, erscheint die Scheibe um das schwarze Loch aufgrund seiner Orientierung zur Erde von einer Seite her heller. Die hellste Seite der Scheibe dreht sich zur Erde; die dunklere Seite dreht sich in entgegengesetzer Richtung. Dadurch wirkt da Lich von der Seite die sich zu uns hin dreht, intensiver.