Supernova-Experiment

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112Supernova500Eine Supernova ist eine außergewöhnlich helle Leuchterscheinung, die durch die Explosion eines Sterns verursacht wird. Die Leuchtkraft einer Supernova kann die unserer Sonne um ein Milliardenfaches übertreffen. Dabei werden Gasmassen mit Geschwindigkeiten von Millionen Kilometern pro Stunde abgesprengt.
Wie diese hohen Geschwindigkeiten erreicht werden, zeigt ein einfaches Physikexperiment zum Thema Energie und Impulserhaltung. Weitere Erklärungen zum Phänomen der Supernova folgen weiter unten.

Was wird gebraucht?

  • ein Basketball
  • ein Tennisball

Was ist zu tun?

Für diesen Freihandversuch zum Thema Energie und Impuls begebe man sich am besten nach draußen, denn man braucht viel Platz. Dann lasse man den Tennisball aus Hüfthöhe auf den Boden fallen und beobachte, wie hoch er springt. Dann wiederhole man das Ganze mit dem Basketball, auf dem der Tennisball liegt. Dann vergleiche man das Ergebnis aus dem ersten Teil des Versuches mit dem aus dem zweiten Teil.

Hinweis: Der Tennisball muss senkrecht nach oben wegspringen. Es sollten keine Fensterscheiben in der Nähe sein. Auch sollte man darauf achten, dass man nicht von dem Tennisball getroffen wird, denn dies kann schmerzhaft sein. In dem spanischen Video weiter unten wird gezeigt, wie der Versuch funktioniert.

Was ist geschehen?

Wenn der Basketball vom Boden abprallt, trifft er auf den noch fallenden Tennisball und beschleunigt diesen nach oben. Der Basketball wird dabei durch den Tennisball abgebremst und gibt einen Teil seines Impulses und seiner Bewegungsenergie an diesen weiter. Unter Impuls versteht man das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit eines Körpers. Je größer die Masse und/oder die Geschwindigkeit, desto größer der Impuls.
Dieser zählt wie auch die Energie zu einer der Erhaltungsgrößen der Physik. Das bedeutet, dass der Gesamtimpuls und die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System immer konstant bleiben. Es ist aber möglich, potenzielle in kinetische Energie und diese dann beispielsweise in Verformungsenergie und Wärme umzuwandeln.
Für unser System Basketball/Tennisball bedeutet dies Folgendes: Da der Tennisball eine sehr viel kleinere Masse hat als der Basketball, muss er – damit der Impulserhaltungssatz erfüllt bleibt – mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit wegspringen. So lässt sich verstehen, warum der Tennisball plötzlich so unglaublich hoch fliegt: Er wird einfach extrem schnell.

Ähnliche Freihandversuche

Der Drehimpuls ist eine weitere Erhaltungsgröße. Hierzu gibt es einen witzigen Versuch bei den Videos. Das Newtonpendel ist ebenfalls ein schönes Beispiel für Impulserhaltung.

Was passiert bei einer Supernova?

Sterne sind nichts anderes als Gaswolken. In ihnen wird bei einigen Millionen Grad Wasserstoff zu Helium verschmolzen. Wasserstoff ist das leichteste Element und das im Universum am häufigsten vorkommende. Helium ist das nächst schwerere Element. In einem Stern herrscht ein enormer Druck. Im Prinzip gleicht er einem gigantischen Dampfkochtopf, der nur deshalb nicht auseinanderfliegt, weil er von der Schwerkraft zusammengehalten wird. Diese befindet sich mit dem Gasdruck im Gleichgewicht.

Im Vorfeld einer Supernova hat der Stern seinen Brennstoff in Form von Wasserstoff komplett verbraucht. Der Gasdruck lässt nach, der Stern bricht unter seinem eigenen Gewicht zusammen.
Stellt man sich den Stern als eine Zwiebel vor, so kollabieren zunächst die inneren Schichten innerhalb von Millisekunden. Die äußeren Schichten folgen in Form von Stoßwellen. Nun kann ein solcher Stern nicht unendlich kollabieren, denn irgendwann lässt sich die Materie im Innersten nicht mehr dichter zusammenpressen. Dort entsteht schließlich ein Neutronenkern. Dieser hat eine so hohe Dichte, dass ein Kubikzentimeter dieser Materie laut Wikipedia der Masse eines Eiswürfels mit einer Kantenlänge von einem Kilometer entspricht. Die nachfolgenden Stoßwellen werden von diesem Kern reflektiert und machen sich wieder auf den Weg nach außen. Dabei treffen sie auf Bereiche, die sich noch im Einfall befinden, und schließlich auf die äußere Hülle. Ist dieser Fall eingetreten, kommt es schließlich zu der sichtbaren Supernovaexplosion, bei der die Hülle mit der oben schon erwähnten Geschwindigkeit von Millionen von Stundenkilometern wegfliegt.

Warum das so ist, hat man ja in dem Versuch mit den Bällen gesehen: Der Basketball entspricht der innersten Stoßwelle, die vom Neutronenkern (Boden) abprallt und auf einfallende Stoßwellen (den Tennisball) trifft und diese nach außen beschleunigt.