Gravitationswellen: Erster Direkter Nachweis mit Interferometern

Gravitational Waves: First Direct Evidence from Interferometers

  • Physik, Astronomie
  • Sekundarstufe II
  • 4 Unterrichtsstunden
  • Video, Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
  • 7 Arbeitsmaterialien

Diese Unterrichtseinheit thematisiert den ersten erfolgreichen Nachweis von Gravitationswellen, der 2015 mithilfe zweier riesiger Laser-Interferometer in den USA gelang. Quelle des Ereignisses war die Verschmelzung zweier eng umeinanderkreisender Schwarzer Löcher in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren. Die Arbeitsblätter zum ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen bauen auf einem Erklärvideo aus der Mediathek der Lindauer Nobelpreisträgertagungen auf.

BESCHREIBUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT

In dieser Unterrichtseinheit erarbeiten die Schülerinnen und Schüler einige wichtige physikalische Zusammenhänge des als sensationell eingestuften Beobachtungsergebnisses, das den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen darstellte.

Thematisiert werden:

  • die Umlauffrequenz, der Abstand und die Bahngeschwindigkeit der beiden Schwarzen Löcher,
  • die Frequenz und die Amplitude der Gravitationswelle am Ort der Beobachtung sowie
  • die Lokalisierung der Quelle am Himmel.

Die Materialien sind so angelegt, dass die Schülerinnen und Schüler ihre Rechenergebnisse stets mit den Daten aus den Originalveröffentlichungen zu dem Gravitationswellenereignis GW150914 vergleichen können. Sie erfahren dabei auch, dass die klassische Gravitationsphysik nach Newton bei der Beschreibung des vorliegenden Phänomens an ihre Grenzen stößt und die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein durch den direkten Nachweis von Gravitationswellen eine weitere wichtige Bestätigung findet.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial-/Aktionsform

Einstieg

Die Unterrichtseinheit wird mit der Vorführung des Erklärvideos „Gravitations-wellen“ eingeleitet. Den Lernenden wird anschließend der Aufbau der Unterrichtseinheit erklärt. (Video, LehrervortragArbeitsblatt 01)

Video, Lehrervortrag

20 Minuten

Erarbeitungsphase I

Die Lernenden erfahren bei der Bearbeitung von Arbeitsblatt 2 den Zusammenhang zwischen der Frequenz der Gravitationswellen und der Umlauffrequenz der beiden Massen (Aufgabe a). Sie leiten eine Formel für den gegenseitigen Abstand der beiden Schwarzen Löcher her und verwenden die Originaldaten, um diesen Abstand zu berechnen (Aufgabe b).

Partnerarbeit / Gruppenarbeit, Computerarbeit

55 Minuten

Sicherungsphase I

Die Lösungen der Aufgaben werden von einem Gruppenmitglied im Plenum vorgestellt und diskutiert.

Plenum

15 Minuten

Erarbeitungsphase II

Die Schülerinnen und Schüler berechnen die Umlaufgeschwindigkeit der Schwarzen Löcher sowie die Amplitude der Gravitationswellen auf der Erde und vergleichen ihre Berechnungen mit den Daten der Originalveröffentlichung. (Arbeitsblatt 03)

Partnerarbeit / Gruppenarbeit

40 Minuten

Sicherungsphase II

Die Lösungen der einzelnen Teilaufgaben werden von verschiedenen Schülerinnen und Schülern an der Tafel vorgestellt und im Plenum diskutiert.

Plenum

15 Minuten

Erarbeitungsphase III

Die Schülerinnen und Schüler erfahren, wie man mithilfe der beiden Interferometer versucht hat, den Ort der Quelle am Himmel einzugrenzen. Sie berechnen mithilfe der Originaldaten den Erhebungswinkel der Quelle über dem Erdboden. (Arbeitsblatt 04)

Partnerarbeit / Gruppenarbeit

30 Minuten

Sicherungsphase III

Die Lösungen der einzelnen Teilaufgaben werden von verschiedenen Schülerinnen und Schülern an der Tafel vorgestellt und im Plenum diskutiert.

Plenum

10 Minuten

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Thema Gravitationswellen im Unterricht

Das Thema Gravitationswellen berührt verschiedene Inhalte der Oberstufenphysik. Insbesondere sind Themen wie Gravitation, Kreisbewegungen und das Michelson-Interferometer von besonderer Relevanz – aber auch Grundkenntnisse der Physik Schwarzer Löcher und Neutronensterne spielen für das Verständnis des Phänomens Gravitationswellen eine wichtige Rolle. In den Lehrplänen sind die Allgemeine Relativitätstheorie und ihre Folgerungen gar nicht oder nur ansatzweise enthalten. Dennoch lassen viele schulinterne Curricula durchaus Luft für besondere Themen, wie zum Beispiel für dieses brandaktuelle Forschungsgebiet der Gravitationswellenastronomie. Gut lässt sich die Thematik in Astronomie-Kurse der Oberstufe, Projektkurse oder Arbeitsgemeinschaften einbauen.

Vorkenntnisse

Die Lernenden sollten mit dem Gravitationsgesetz Newtons und der Physik der Kreisbewegungen vertraut sein. Auch Begriffe aus der Wellenlehre wie Frequenz, Wellenlänge und Amplitude sollten bekannt sein. Astronomisches Grundwissen, auch zum Thema Schwarze Löcher (auch Schwarzschildradius), ist durchaus hilfreich; es kann aber durch Recherche oder Lehrerhilfe auch während der Bearbeitung der Unterrichtseinheit zum Nachweis von Gravitationswellen vermittelt werden. Dies gilt in ähnlicher Weise ebenso für den Aufbau und die Funktionsweise eines Michelson- Interferometers.

Didaktische Analyse

Die Berechnungen zu Gravitationswellen beruhen auf der Allgemeinen Relativitätstheorie. Da diese in der Regel schulisch nicht thematisiert wird, ist die Frage berechtigt, ob ein Thema wie Gravitationswellen im normalen Schulalltag überhaupt so umgesetzt werden kann, dass der Unterricht über eine rein qualitative Betrachtung hinausgeht. Die Materialien dieser Unterrichtseinheiten zeigen, dass dies möglich ist, denn viele Rechnungen lassen sich zunächst rein klassisch, also mit der Gravitationsphysik Newtons, durchführen. Dass sich an einigen Stellen, wie beispielsweise bei der Berechnung der Umlaufgeschwindigkeit der Schwarzen Löcher, dann eine deutliche Diskrepanz zu den Vorhersagen der Einstein‘schen Physik zeigt, ist didaktisch positiv zu werten.

Es ist aber auch didaktisch vertretbar, fertige Formeln aus der Relativitätstheorie vorzugeben und die Schülerinnen und Schüler nur die entsprechenden Rechnungen durchführen zu lassen. Dies ist zum Beispiel bei der Berechnung der Gravitationswellen-Amplitude der Fall. So lernen die Schülerinnen und Schüler zum einen, dass die Relativitätstheorie das geeignete Handwerkzeug zur Beschreibung extremer physikalischer Verhältnisse zur Verfügung stellt. Zum anderen erfahren sie aber auch, dass ihre Kenntnisse der Mathematik und Physik aus der Oberstufe ausreichen, um sich den Vorhersagen der Theorie und den veröffentlichten Messdaten zu nähern.

Methodische Analyse

Ein Ziel dieser Unterrichtseinheit zum direkten Nachweis von Gravitationswellen besteht darin, dass die Lernenden erfahren, dass sie mithilfe oberstufenüblicher Inhalte aus Mathematik und Physik in der Lage sind, Erkenntnisse zum Gravitationswellenereignis GW150914 eigenständig herzuleiten und zu berechnen. So werden mithilfe der Newtonschen Physik Formeln für den Abstand und die Umlaufgeschwindigkeit zweier gleich schwerer, sich gegenseitig umkreisender Massen hergeleitet.

Mithilfe der Gravitationswellenfrequenzen aus den Aufzeichnungen der LIGO-Interferometer können die Lernenden dann Ergebnisse für den Abstand und die Bahngeschwindigkeit der Schwarzen Löcher berechnen, mit den Angaben aus den Originalveröffentlichungen vergleichen und so die Möglichkeiten und Grenzen der klassischen Physik erkunden.

Unterrichtsmaterial

Unterrichtsmaterial zum Download

Dieses Arbeitsblatt zu Gravitationswellen enthält Informationen zur aktuellen Forschung.

Die Aufgaben auf diesem Arbeitsblatt zu Gravitationswellen fokussieren die Umlauffrequenz der Schwarzen Löcher und die Frequenz der Gravitationswellen.

Dieses Arbeitsblatt zu Gravitationswellen fokussiert den Abstand und die Bahngeschwindigkeit der Schwarzen Löcher.

Dieses Arbeitsblatt zu Gravitationswellen beschäftigt sich mit der Lokalisation der Quelle am Himmel.

Teaching Guides for Download

Dieses Worksheet zu Gravitationswellen enthält Informationen zur aktuellen Forschung. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Die Aufgaben auf diesem Worksheet zu Gravitationswellen fokussieren die Umlauffrequenz der Schwarzen Löcher und die Frequenz der Gravitationswellen. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Dieses Arbeitsblatt zu Gravitationswellen fokussiert den Abstand und die Bahngeschwindigkeit der Schwarzen Löcher. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Dieses Arbeitsblatt zu Gravitationswellen beschäftigt sich mit der Lokalisation der Quelle am Himmel. Hier können Sie das Arbeitsblatt auf Englisch herunterladen.

Externe Links

Hintergrund-Informationen zum direkten Nachweis von Gravitationswellen finden Sie in diesem wissenschaftlichen Artikel (Englisch).

Über diesen Link gelangen Sie zu einem Video, in dem die Geschichte hinter dem Gravitationswellenereignis vom 14. September 2015 erläutert wird (Englisch).

Der Artikel „Beobachtung der Gravitationswellen zweier verschmelzender Schwarzer Löcher durch drei Detektoren“ fokussiert GW170814 und enthält ein Glossar zu zentralen Begriffen.

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • leiten mithilfe von Gravitationsgesetz und Gesetzen der Kreisbewegung Formeln zum Abstand und zur Bahngeschwindigkeit her.
  • berechnen physikalische Größen mit komplexen Formeln.
  • werten Messwerte aus.
  • interpretieren und bewerten Versuchsergebnisse.
  • erklären physikalische Phänomene und Versuchsanordnungen im Sachzusammenhang.
  • stellen die wissenschaftliche Bedeutung von physikalischen Erkenntnissen heraus.

 

Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • können die im Video dargestellten physikalischen Inhalte nach Relevanz filtern und strukturiert wiedergeben sowie Informationen gezielt herausstellen.
  • können Texte in gedruckter und digitaler Form nach bestimmten Fragestellungen hin untersuchen und die relevanten Informationen herausarbeiten.

 

Sozialkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • arbeiten konstruktiv und kooperativ in Partner- oder Gruppenarbeit.
  • diskutieren in Partner- oder Gruppenarbeit und äußern dabei ihre Meinung unter Nutzung ihrer fachlichen Kenntnisse.
  • stellen Ergebnisse der Partner- und Gruppenarbeit angemessen und verständlich im Plenum dar.

 

Gravitationswellen (2016): Wie ein Beben, das das Gefüge unseres Kosmos durchläuft, verzerren Gravitationswellen die Raumzeit.