Wie schnell bewegst du dich - Virtuelle Schule

Wie schnell bewegst du dich, wenn du still sitzt?
Von Andrew Fraknoi (Foothill College & the Astronomical Society of the Pacific)
Ins Deutsche übertragen von Thomas Lebzelter (Universität Wien) mit freundlicher
Genehmigung der Astronomical Society of the Pacific.
Wenn du den ganzen Tag herumgelaufen bist, freust du dich wohl schon, es dir in deinem
Lieblingssessel ganz gemütlich zu machen und still zu sitzen. Aber hast du jemals überlegt,
wie schnell du dich eigentlich bewegst, während du still dasitzt und glaubst, dich gar nicht zu
bewegen?
Tägliche Bewegung
Wenn wir in einem sanft dahinrollenden Zug sitzen, können
wir manchmal den Eindruck haben, der Zug stehe still und der
Bahnsteig, die Häuser und Bäume bewegten sich an uns
vorbei. Auf die selbe Weise, weil wir mit der sich drehenden
Erde „mitfahren“, scheint es uns, als würden die Sonne und die
Sterne im Lauf des Tages und der Nacht an uns vorbeiziehen.
In Wirklichkeit aber ist es unser Planet, der sich einmal in
knapp 24 Stunden um seine Achse dreht – und alle Lebewesen
auf der Erde drehen sich mit. Aber wie schnell bewegen wir
uns da eigentlich?
Ein Punkt am Äquator muss sich, damit er in 24 Stunden eine
ganze Runde schafft, mit fast 1600 km/h bewegen. Weiter
weg vom Äquator ist die Geschwindigkeit etwas geringer,
aber in Mitteleuropa ist es noch immer ganz schön viel. Da
uns die Gravitation fest auf der Erde hält, bewegen wir uns mit der Erde mit – ohne es im
Alltag zu merken.
Die großen Strömungen in den Ozeanen und in der Erdatmosphäre geben ein dramatisches
Zeugnis von der Drehung der Erde. Da sich die Erde am Äquator mit einer größeren
Geschwindigkeit als an den Polen bewegt, kommt es zu großen, kreisenden Wasser- und
Luftströmen auf der Nord- und Südhalbkugel. Ein bekanntes Beispiel dieser großen
Wasserzirkulation ist der Golfstrom im Nordatlantik, der
warmes Wasser aus dem Golf von Mexiko nach
Großbritannien transportiert und den Engländern ein wärmeres
und feuchteres Wetter beschert, als es sonst dort gäbe. Der
ganze Kreislauf, dem der Golfstrom angehört, umfasst eine
größere Wassermenge als in allen Flüssen der Erde zusammen
vorhanden ist. Die Energie, die diese Strömung speist, ist die
Drehung der Erde.
Jährliche Bewegung
Neben der Drehung um die eigene Achse zieht unsere Erde
auch ihre Bahn um die Sonne. Wir befinden uns etwa 150
Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Bei dieser
Entfernung brauchen wir ein Jahr, also 365 Tage, für einen
Umlauf um die Sonne. Die gesamte Bahnlänge beträgt
Die Erde gesehen von der
Mannschaft von Apollo 17
auf dem Weg zum Mond
Bildquelle: NASA
Die Sonne aufgenommen vom
SOHO Satelliten im
ultravioletten Licht.
Bildquelle: SOHO

ungefähr 970 Millionen Kilometer. Um diese Strecke in einem Jahr zu bewältigen, muss sich
die Erde mit fast 107 000 km/h bewegen! Bei dieser Geschwindigkeit würde man von San
Francisco nach Washington DC nur 3 Minuten benötigen.
Die Bewegung der Sonne
Unsere Sonne ist nur ein Stern unter etwa 200 Milliarden
anderen, die zusammen die Milchstraße bilden. Die
Milchstraße, unsere „Sterneninsel“ in den Weiten des
Universums, und jeder Stern in ihr, bewegt sich auf seiner
eigenen Bahn darin. Jeder Planet, der um einen Stern kreist,
bewegt sich mit diesem seinem Stern durch die Milchstraße.
Dabei können wir zwei Bewegungen unterscheiden: zum
einen wandern Sterne regellos in ihrer unmittelbaren
Nachbarschaft herum, zum anderen bewegen sie sich auf
einer großen Bahn rund um das Zentrum unserer Galaxis.
Wenn wir die Bewegung unserer Sonne relativ zu den
anderen Sternen beschreiben wollen, haben wir ein Problem.
Normalerweise benötigen wir etwas, das sich in Ruhe
Die Sonne bewegt sich mit
Milliarden anderen Sternen in
der Milchstraße, die wohl so
aussieht wie die Andromeda
Galaxie hier im Bild.
Bildquelle: NASA Marshall Space
Flight Center (NASA-MSFC)
befindet, um im Vergleich dazu die Bewegung zu messen. Ein Auto bewegt sich zum Beispiel
mit einer Geschwindigkeit von 60 km/h relativ zu einem Haus oder einem Verkehrsschild.
Aber wenn sich alle Sterne in der Galaxis bewegen, wo können wir dann unseren
„Anhaltspunkt“, unser Verkehrsschild finden?
Astronomen haben dafür einen „Lokalen Ruhestandard“ in unserem Bereich der Milchstraße
definiert, indem sie die mittlere Geschwindigkeit aller Sterne in der Sonnenumgebung
bildeten (Beachte, dass Begriffe wie „lokal“ und „Umgebung“ etwas andere Ausmaße hier
annehmen, als wir es im Alltag gewohnt sind. Selbst der nächste Stern ist 40000 Milliarden
Kilometer entfernt! Im Vergleich zu der ungeheuren Ausdehnung der Milchstraße befinden
sich die Sterne, die wir für die mittlere Geschwindigkeit verwenden, tatsächlich in der
unmittelbaren Nachbarschaft.).
Relativ zu diesem Lokalen Ruhestandard bewegt sich unsere Sonne gemeinsam mit der Erde
mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 000 km/h, ungefähr in die Richtung des Sterns Vega
im Sternbild der Leier. Das ist durchaus keine ungewöhnliche Geschwindigkeit für einen
Stern in der Sonnenumgebung.
Umkreisung unserer Milchstraße
Zusätzlich zu dieser Bewegung dreht sich die ganze Galaxis wie ein riesiges Wagenrad. Die
Geschwindigkeit der einzelnen Sterne hängt von der Entfernung zum Zentrum der Galaxis ab.
Hier wollen wir uns nur auf die Bewegung in der Entfernung unserer Sonne konzentrieren.
Für einen Umlauf um das Zentrum unserer Milchstraße benötigt die Sonne ungefähr 225
Millionen Jahre. Diese Zeitspanne nennt man auch „Galaktisches Jahr“. Seit die Sonne und
die Erde entstanden, sind etwa 20 Galaktische Jahre vergangen; wir haben also die Galaxis
20mal umrundet. Andererseits, während der gesamten Zeitspanne, seit der es menschliche
Aufzeichnungen gibt, haben wir uns auf dieser Bahn kaum bewegt.
Wie schnell sind wir nun auf unserer Reise um die Galaxis unterwegs? Es ist eine gigantische
Bahn, und daher muss sich die Sonne mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit von 792 000
km/h bewegen! Die Erde, an der Sonne durch die Gravitation fest verankert, reist mit der

gleichen Geschwindigkeit. (Nebenbei: diese Geschwindigkeit ist noch immer klein im
Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit der das Licht unterwegs ist – 1.09 Milliarden km/h!)
Künstlerische Darstellung der Milchstrasse
Bildquelle: NASA / CXC / M. Weiss
Bewegung durch das Universum
In unserer Diskussion der Geschwindigkeiten mussten wir uns immer fragen: Im Vergleich
wozu messen wir die Geschwindigkeit. In deinem bequemen
Sessel ist deine Geschwindigkeit verglichen mit den
umgebenden Zimmerwänden gleich Null. Im Vergleich zum
Mond oder der Sonne ist deine Geschwindigkeit sehr groß.
Und die Geschwindigkeit für den Umlauf um unsere
Milchstraße haben wir relativ zum Zentrum unserer
Milchstraße gemessen.
Nun möchten wir unsere Überlegungen mit einem Blick auf
die Bewegung der gesamten Milchstraße durch das
Universum beschließen. Aber zu welchem Punkt können wir
nun die Geschwindigkeit messen? Lange Zeit waren sich die
Astronomen nicht sicher, was der richtige Referenzpunkt
dafür sein kann. Eine Messung im Vergleich zu unseren
Nachbargalaxien bringt nichts, da auch diese sich bewegen,
jede in eine eigene Richtung und mit einer eigenen
Geschwindigkeit. Aber dann, 1968, eröffnete sich plötzlich
eine neue Sichtweise auf die Bewegung unserer
Milchstraße.
Das “Hubble Deep Field” zeigt
einige der am weitesten
entfernten Galaxien unseres
Universums.
Bildquelle: Robert Williams and the
Hubble Deep Field Team (STScI)
and NASA
Der „Blitz“ des Urknalls
Um diese neue Entwicklung nachvollziehen zu können, müssen wir ein wenig über den
Urknall sprechen, jener gigantischen Explosion, die den Anfang des Raumes, der Zeit und des
ganzen Universums darstellte. Unmittelbar nach dem Urknall war das Universum voller
Energie und sehr, sehr heiß. In den ersten paar Minuten war das ganze Universum heißer als
das Zentrum unserer Sonne. Es war ein unvorstellbarer Mahlstrom von Energie und

subatomaren Teilchen, der langsam abkühlte und so zu dem Universum wurde, welches wir
heute kennen.
Damals, in dieser Frühzeit des Universums, trat die Energie vor allem in Gammastrahlung
auf, Energiewellen ähnlich zu unserem sichtbaren Licht, aber mit viel kürzerer Wellenlänge
und höherer Energie. Auf der Erde wäre heute eine Atombombenexplosion erforderlich, um
größerere Mengen von Gammastrahlung zu erzeugen. Aber damals war das ganze Universum
damit ausgefüllt. Du kannst dir diese Gammastrahlen wie den „Lichtblitz“ des Urknalls
vorstellen – der Urknall erzeugte, so wie ein Feuerwerk oder eine Atombombenexplosion
einen Lichtblitz, einen Gammastrahlenblitz. Aber diese Gammastrahlen waren dann überall
im Universum. Sie füllten den Raum aus, und als das Universum sich ausdehnte, dehnten sich
die Gammastrahlen mit ihm aus.
Im ersten Moment denkt man bei der Expansion des Universums vielleicht an andere
Expansionen, von denen man eine Vorstellung hat. Wie sich etwa die Europäische Union
erweitert; oder wie eine Explosion Material in alle Richtungen schleudert. In diesen
Situationen gab es aber den Raum schon, in den sich eine Gemeinschaft erweiterte oder in die
Explosionssplitter flogen. Aber die Ausdehnung des Universums ist davon grundverschieden.
Wenn das Universum expandiert, so ist es der Raum selbst, der sich ausdehnt. Die Galaxien
bewegen sich voneinander weg, weil sich der Raum ausdehnt und so mehr Platz zwischen
ihnen schafft.
Was heißt diese Ausdehnung aber jetzt für unsere Gammastrahlen? Die Gammastrahlen sind
Energiewellen, die durch den Raum wandern. Wenn sich dieser Raum nun ausdehnt, so
müssen sich diese Wellen mit dem Raum auch ausdehnen. Wenn die Wellenlänge von
ursprünglichen Gammastrahlen größer wird, nennt man sie
Röntgenstrahlen, die eine geringere Energie darstellen und
damit eine „kühlere“ Strahlung. Als sich das Universum
weiter ausdehnte, wurden dieselben Wellen zu
ultraviolettem Licht, später sichtbares Licht, auch wenn es
damals natürlich keine Augen gab, die es sehen hätten
können. Wir können es uns auch so vorstellen: Wenn wir
den Deckel von einem Topf mit kochendem Wasser
nehmen, so dehnt sich der Wasserdampf im Raum aus und
kühlt ab. So können wir uns auch die Ausdehnung und
Abkühlung des Universums vorstellen.
WMAP Bild der kosmischen
Hintergrundstrahlung im
Mikrowellenbereich
Bildquelle: NASA/WMAP Science
Team
Heute, etwa 12 bis 15 Milliarden Jahre nach dem Urknall, hat sich das Universum bereits sehr
stark ausgedehnt. Und der Blitz des Urknalls hat sich auch zu viel größeren Wellenlängen mit
viel niedrigerer Energie ausgedehnt – Mikrowellen und andere Radiowellen. Aber, weil diese
Wellen am Anfang des Universums den ganzen Raum ausfüllten, füllen sie ihn auch heute
noch vollständig aus.
Astronomen nennen die Gesamtheit dieser langgestreckten Wellen die „Kosmische
Hintergrundstrahlung“. Ende der 1940er Jahre sagten Physiker so einen
Strahlungshintergrund voraus, da ihn damals aber niemand messen konnte, geriet es wieder in
Vergessenheit. Dann, Mitte der 1960er Jahre, entdeckten zwei Wissenschaftler der Bell
Laboratories, Arno Penzias und Robert Wilson, zufällig diese Hintergrundstrahlung, als sie
versuchten die Kommunikation mit Satelliten für die Telefongesellschaft zu verbessern.
Nachdem Astronomen mit anderen Teleskopen und Raketenexperimenten bestätigen konnten,

dass diese Strahlung tatsächlich aus jeder Richtung des Weltraums kommt, erhielten Penzias
und Wilson für den überzeugendsten Beweis des Urknalls den Nobelpreis für Physik.
Wandern durch die Kosmische Hintergrundstrahlung
Was, wirst du jetzt vielleicht fragen, hat das alles mit der Frage zu tun, wie schnell wir uns
bewegen? Nun, jetzt können die Astronomen messen, wie schnell sich die Erde verglichen
mit dieser den ganzen Raum ausfüllenden Strahlung bewegt. (Technisch gesprochen erzeugt
die Bewegung eine „Dopplerverschiebung“ in der Strahlung, auf die wir uns zu- oder von der
wir uns wegbewegen.
Anders gesagt, die Kosmische
Hintergrundstrahlung stellt einen Anhaltspunkt
auf der ganz großen Skala dar, relativ zu dem
wir unsere Bewegung messen können. Die
Messung der Gesamtgeschwindigkeit der Erde
relativ zu dem Strahlungshintergrund müssen
wir noch um die Bewegung der Erde um die
Sonne und die der Sonne in der Milchstraße
korrigieren. Die Bewegung, die überbleibt,
muss die Bewegung der Milchstraße durch das
Universum sein!
Und wie schnell bewegt sich jetzt die
Milchstraße? Es stellt sich heraus, dass die
Geschwindigkeit unvorstellbare 2.1 Millionen
km/h beträgt! Wir bewegen uns ungefähr in
jene Richtung am Himmel, in der man die
Sternbilder des Löwen und der Jungfrau sieht.
Obwohl die Gründe für diese Bewegung noch nicht vollständig verstanden sind, glauben
Astronomen, dass sich in dieser Richtung eine sehr große Massenkonzentration befindet.
Diese wird auch manchmal „Große Attraktor“ genannt, obgleich wir annehmen, dass die
Anziehungskraft nicht von einer einzelnen Gruppe von Galaxien ausgeht, sondern von
etlichen.
Das nächstemal also, wenn jemand von deiner Familie oder
deinen Freunden sagt, dass du nur faul in deinem Sessel
hockst, kannst du höflich darauf hinweisen, dass du dich
gerade mit hoher Geschwindigkeit um die Erde, um die
Sonne, um die Milchstrasse und durch das Universum
bewegst. Für so viel Bewegung braucht man doch viel
Kraft! Ich gebe zu, dass ich mit dieser Ausrede niemals für
längere Zeit die Pflichten im Haushalt aufschieben konnte,
aber vielleicht hast du mehr Glück damit.
Es wird angenommen, dass es eine große
Massenkonzentration in Richtung der
Sternbilder Löwe und Jungfrau gibt, da sich die
Galaxien in der Nähe der Milchstrasse dorthin
bewegen. Ein Teil dieses Himmelsabschnitts ist
hier dargestellt.
Bildquelle: ESO
Little Girl in Blue Armchair von
Mary Cassatt, National Gallery of
Art, Sammlung von Mr. & Mrs.
Paul Mellon
Über den Autor:
Andrew Franknoi ist Leiter des Astronomie-Departments des Foothill College und
Bildungsberater der Astronomical Society of the Pacific. Bevor er 1992 nach Foothill kam,
arbeitete er 14 Jahre als Direktor dieser Gesellschaft und war der Herausgeber des populären

Astronomie-Magazins Mercury, sowie Begründer des Newsletters für Lehrer „The Universe
in the Classroom“ (dem dieser Beitrag entnommen ist).
Franknoi ist Autor und Mitautor von 14 Büchern über Astronomie und Astronomie im
Unterricht, Herausgeber von „Universe at Your Fingertips“, einer Radiosendung in den USA,
Mitglied des Kuratoriums für das SETI-Institut und Mitglied des Committee for the Scientific
Investigation Claims of the Paranormal (CSICOP). Gemeinsam mit Sidney Wolff gibt er auch
„Astronomy Education Review“ heraus, eine Online-Zeitschrift für Lehrer im Bereich
Astronomie.
Über den Übersetzer:
Thomas Lebzelter ist Astrophysiker am Institut für Astronomie der Universität Wien.
Lernaktivität 1:
Bei dieser Übung lernen die SchülerInnen die verschiedenen Skalen des Universums und
unseren Platz darin näher kennen, indem sie einen Brief an einen Freund in einer fernen
Galaxie adressieren. Neben Hausnummer, Straße, Stadt und Land kommt noch der Platz im
Sonnensystem und in der Galaxis hinzu.
Unterlagen auf Englisch können unter diesem Link abgerufen werden. An einer
deutschsprachigen Variante wird gearbeitet. Diese Lernaktivität wurde von Lawrence Hall of
Science, University of California, Berkeley für Planetarium Activities for Student Success
(PASS; http://lhs.berkeley.edu/pass) entwickelt. Copyright 1993 by the Regents of the
University of California. Eine Anzahl von Astronomie-Aktivitäten kann kostenlos von der
PASS Webseite heruntergeladen werden.
Lernaktivität 2:
Kosmologie – die Untersuchung des Anfangs und der Entwicklung des Universums – kann
wegen der großen Zeiträume, die darin vorkommen, für Schüler oftmals sehr verwirrend
wirken. Diese Übung versucht den Zeitraum vom Anfang des Universums bis heute
anschaulich zu überbrücken.
In der Übungsaufgabe „Kosmischer Kalender“ (Material in Englisch, an einer
deutschsprachigen Variante wird gearbeitet) legen die SchülerInnen die Zeit vom Urknall bis
heute auf den Zeitraum eines Jahres um, wobei der Urknall am 1. Jänner einzutragen ist. Es
soll abgeschätzt werden, wo gewisse Ereignisse wie die Entstehung des Sonnensystems oder
das Auftauchen des Menschen einzuordnen sind. Je nach Alter der SchülerInnen können auch
Berechnungen zur Einordnung durchgeführt werden.
Diese Lernaktivität erschien in Universe at Your Fingertips und wurde von Therese Puyau
Blanchard und den Mitarbeitern des Project ASTRO geschrieben. Copyright © 1995,
Astronomical Society of the Pacific, 390 Ashton Ave., San Francisco, CA 94112.
Weiterführende Links:
Über die Coriolis Kraft: http://books.nap.edu/html/oneuniverse/motion_32-33.html
Original: „How fast are you moving when you are sitting still?”; The Universe in the
Classroom; © 2007, Astronomical Society of the Pacific, San Francisco
Link: http://www.astrosociety.org/education/publications/tnl/71/howfast.html
Copyright der deutschsprachigen Übersetzung: Thomas Lebzelter