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2026-07-28T19:09:00Z

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= Dunkle Energie - Physik =

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= Einleitung =

Das [[Universum]] dehnt sich aus. Seit dem Ende der 1990er-Jahre wissen Forschende außerdem: Diese Ausdehnung wird auf sehr großen Skalen '''beschleunigt'''. Der Name '''Dunkle Energie''' bezeichnet die noch unbekannte Ursache dieses Effekts. Sie ist weder sichtbar noch direkt im Labor nachgewiesen. Ihre Wirkung wird aus astronomischen Beobachtungen erschlossen.<ref>[https://science.nasa.gov/dark-energy/ NASA: What is Dark Energy?]</ref>

[[Datei:Dark Energy.jpg|500px|rahmenlos|center]]

Nach dem heute häufig verwendeten [[Lambda-CDM-Modell|ΛCDM-Modell]] entfallen ungefähr 68 % der gesamten Masse-Energie-Dichte des Universums auf Dunkle Energie, rund 27 % auf [[Dunkle Materie]] und knapp 5 % auf gewöhnliche Materie.<ref>[https://sci.esa.int/web/euclid/-/mission-science ESA: Euclid Mission Science]</ref> Diese Prozentwerte sind Modell- und Messwerte, keine direkt abgewogenen Stoffmengen.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=gvPPEykij5w |500|center}}

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= Lernziele =

Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, was mit Dunkler Energie gemeint ist, wie die beschleunigte Expansion erkannt wurde und warum Dunkle Energie nicht dasselbe wie Dunkle Materie ist. Du kannst einfache kosmologische Gleichungen deuten und aktuelle Forschungsergebnisse vorsichtig bewerten.

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= Expansion des Universums =

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== Hubble-Beziehung ==

Bei weit entfernten Galaxien gilt näherungsweise die [[Hubble-Konstante|Hubble-Beziehung]]:

<math>v = H_0 \cdot d</math>

Dabei ist <math>v</math> die Fluchtgeschwindigkeit, <math>d</math> die Entfernung und <math>H_0</math> die heutige Expansionsrate. Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto stärker ist ihr Licht im Mittel [[Rotverschiebung|rotverschoben]].

Wichtig: Galaxien fliegen nicht einfach durch einen unveränderten leeren Raum. Auf kosmischen Skalen wächst der Abstand, weil sich der Raum selbst ausdehnt. Gebundene Systeme wie Atome, Planetensysteme oder einzelne Galaxien werden dadurch nicht merklich auseinandergezogen.

[[Datei:CMB Timeline300 no WMAP.jpg|600px|rahmenlos|center]]

Die Abbildung zeigt vereinfacht die Entwicklung des Universums: Zunächst bremste die Gravitation der Materie die Expansion. Später begann die Expansion wieder schneller zu werden.

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== Skalenfaktor ==

Kosmologinnen und Kosmologen beschreiben die Größe des Universums mit dem '''Skalenfaktor''' <math>a(t)</math>. Er wächst mit der Zeit. Beschleunigte Expansion bedeutet:

<math>\ddot a(t) > 0</math>

Das heißt nicht automatisch, dass jedes Objekt lokal beschleunigt wird. Die Aussage betrifft die Entwicklung großer kosmischer Abstände.

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= Wie wurde die Beschleunigung entdeckt? =

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== Supernovae vom Typ Ia ==

[[Supernova|Supernovae]] vom Typ Ia erreichen nach geeigneter Kalibrierung eine bekannte maximale Leuchtkraft. Deshalb dienen sie als '''Standardkerzen''': Aus ihrer beobachteten Helligkeit lässt sich ihre Entfernung abschätzen. Gleichzeitig zeigt die Rotverschiebung, wie stark sich das Universum seit der Aussendung des Lichts ausgedehnt hat.

[[Datei:NGC 3021 Hubble.jpg|500px|rahmenlos|center]]

In den 1990er-Jahren beobachteten zwei Forschungsteams weit entfernte Supernovae. Sie erschienen schwächer und damit weiter entfernt, als man in einem nur durch Materie gebremsten Universum erwartet hatte. Daraus folgte: Die kosmische Expansion beschleunigt sich. Für diese Entdeckung erhielten Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam G. Riess 2011 den Nobelpreis für Physik.<ref>[https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2011/press-release/ Nobel Prize: The accelerating Universe]</ref>

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=E7y7fMW_ArI |500|center}}

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== Weitere Beobachtungen ==

Die Supernova-Daten werden durch andere Messungen ergänzt. Dazu gehören die [[Kosmische Hintergrundstrahlung]], die großräumige Verteilung von Galaxien, [[Baryonische akustische Oszillation|baryonische akustische Oszillationen]] und der [[Gravitationslinseneffekt]]. Erst die Kombination verschiedener Methoden macht das kosmologische Modell belastbar.

[[Datei:Gravitational lensing of distant galaxies (opo1104a).jpg|500px|rahmenlos|center]]

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= Woraus besteht das Universum? =

[[Datei:DMPie 2013.svg|500px|rahmenlos|center]]

Im ΛCDM-Modell wird die heutige Masse-Energie-Dichte ungefähr so aufgeteilt:

# [[Gewöhnliche Materie]]: Sterne, Planeten, Gas und Lebewesen bilden knapp 5 %.
# [[Dunkle Materie]]: Sie wirkt gravitativ und unterstützt die Bildung von Galaxien und Galaxienhaufen.
# [[Dunkle Energie]]: Sie steht für den Anteil, der mit der beschleunigten Expansion verbunden wird.

Die Grafik beruht auf Ergebnissen der ESA-Mission [[Planck-Weltraumteleskop|Planck]].<ref>[https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck/Planck_science_highlights ESA: Planck Science Highlights]</ref>

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= Dunkle Energie und Dunkle Materie =

Trotz des ähnlichen Namens sind beide Konzepte verschieden.

{| class="wikitable"
! Merkmal
! Dunkle Materie
! Dunkle Energie
|-
| Hauptwirkung
| verstärkt Gravitation in Galaxien und Haufen
| steht mit beschleunigter Expansion in Verbindung
|-
| Verteilung
| bildet Strukturen und Halos
| wird im einfachsten Modell als nahezu gleichmäßig angenommen
|-
| Direkter Nachweis
| bisher nicht gelungen
| bisher nicht gelungen
|-
| Anteil im ΛCDM-Modell
| ungefähr 27 %
| ungefähr 68 %
|}

Merksatz: '''Dunkle Materie hilft Strukturen zusammenzuhalten; Dunkle Energie beeinflusst die Expansion des Raumes.'''

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= Physikalisches Modell =

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== Kosmologische Konstante ==

Die einfachste Beschreibung verwendet Einsteins [[Kosmologische Konstante|kosmologische Konstante]] <math>\Lambda</math>. Sie entspricht einer konstanten Energiedichte des leeren Raumes. In diesem Modell ändert sich die Dichte der Dunklen Energie bei der Expansion nicht.

Die Zustandsgleichung wird häufig mit

<math>w = \frac{p}{\rho c^2}</math>

beschrieben. Dabei ist <math>p</math> der Druck und <math>\rho</math> die Energiedichte. Für eine kosmologische Konstante gilt:

<math>w = -1</math>

Der negative Druck trägt in der [[Allgemeine Relativitätstheorie|Allgemeinen Relativitätstheorie]] zur beschleunigten Expansion bei.

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== Bedingung für Beschleunigung ==

Eine vereinfachte Form der Beschleunigungsgleichung lautet:

<math>\frac{\ddot a}{a} = -\frac{4\pi G}{3}\left(\rho + \frac{3p}{c^2}\right)</math>

Damit <math>\ddot a > 0</math> wird, muss der Klammerausdruck negativ sein. Für eine dominierende Komponente bedeutet das näherungsweise:

<math>w < -\frac{1}{3}</math>

Für die Schule reicht die Deutung: Ein ausreichend negativer Druck kann die kosmische Expansion beschleunigen. Dunkle Energie ist deshalb nicht einfach eine gewöhnliche Energieform mit positivem Druck.

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= Mögliche Erklärungen =

# [[Kosmologische Konstante]]: Dunkle Energie ist eine konstante Eigenschaft des Vakuums.
# [[Quintessenz]]: Ein bisher unbekanntes Feld verändert sich mit der Zeit.
# [[Modifizierte Gravitation]]: Auf sehr großen Skalen könnte die Gravitation anders wirken als bisher angenommen.

Keine dieser Deutungen ist endgültig bestätigt. Die kosmologische Konstante ist die einfachste Variante und Bestandteil des ΛCDM-Modells. Sie wirft jedoch eine schwierige Frage auf: Theoretische Abschätzungen der Vakuumenergie passen nicht ohne Weiteres zum beobachteten Wert.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=ZVtraKhmtYo |500|center}}

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= Wie wird heute gemessen? =

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== Euclid ==

Das ESA-Weltraumteleskop [[Euclid (Weltraumteleskop)|Euclid]] untersucht die Formen, Entfernungen und Verteilung sehr vieler Galaxien. So soll eine dreidimensionale Karte der großräumigen Struktur entstehen. Besonders wichtig sind schwache Gravitationslinsen und die räumliche Verteilung von Galaxien.<ref>[https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid ESA: Euclid]</ref>

[[Datei:Euclid spacecraft ESA24912474.jpg|500px|rahmenlos|center]]

[[Datei:What Euclid will measure- weak lensing ESA24866682.png|600px|rahmenlos|center]]

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== DESI ==

Das [[Dark Energy Spectroscopic Instrument|DESI]] misst Spektren von Millionen Galaxien und Quasaren. Aus den Rotverschiebungen entsteht eine große 3D-Karte des Universums. Besonders wichtig sind baryonische akustische Oszillationen, die als kosmischer Standardmaßstab dienen.<ref>[https://www.desi.lbl.gov/ Dark Energy Spectroscopic Instrument]</ref>

Ergebnisse aus den Jahren 2025 und 2026 liefern Hinweise darauf, dass sich Dunkle Energie möglicherweise mit der Zeit verändert. Diese Hinweise sind noch kein sicherer Nachweis. Das ΛCDM-Modell bleibt deshalb ein zentraler Vergleichsmaßstab.<ref>[https://www.desi.lbl.gov/2026/04/15/desi-reaches-mapping-milestone-surpassing-expectations/ DESI: Mapping Milestone 2026]</ref>

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= Mögliche Zukunft des Universums =

Das Schicksal des Universums hängt davon ab, wie sich Dunkle Energie langfristig verhält.

# [[Big Freeze]]: Bei anhaltender Expansion entfernen sich nicht gebundene Galaxien immer weiter voneinander.
# [[Big Rip]]: Bei einer extrem stärker werdenden Form Dunkler Energie könnten später sogar gebundene Strukturen aufgelöst werden.
# [[Big Crunch]]: Falls die beschleunigende Wirkung nachlässt und Gravitation wieder dominiert, wäre theoretisch eine Umkehr der Expansion möglich.

Heute lässt sich keine dieser Zukunftsvarianten endgültig beweisen. Im ΛCDM-Modell mit konstanter Dunkler Energie ist ein langfristiger Big Freeze die naheliegende Entwicklung.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=XI9QWp5ow-c |500|center}}

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= Häufige Missverständnisse =

# '''Dunkle Energie ist nicht Dunkle Materie.''' Beide Begriffe beschreiben verschiedene Beobachtungsprobleme.
# '''Dunkle Energie ist nicht einfach eine unbekannte Strahlung.''' Ihr entscheidendes Merkmal ist ihre Wirkung auf die kosmische Expansion.
# '''Die Expansion wirkt nicht überall gleich stark.''' Lokal gebundene Systeme werden durch Gravitation oder elektromagnetische Kräfte zusammengehalten.
# '''Ein Hinweis ist keine Entdeckung.''' Neue Messdaten müssen mit unabhängigen Verfahren überprüft werden.

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= Zusammenfassung =

Dunkle Energie ist der Name für die unbekannte Ursache der beschleunigten Expansion des Universums. Der wichtigste historische Beleg stammt aus Messungen weit entfernter Supernovae vom Typ Ia. Im ΛCDM-Modell wird Dunkle Energie als kosmologische Konstante beschrieben und macht ungefähr 68 % der heutigen Masse-Energie-Dichte aus. Ihre physikalische Natur ist offen. Missionen wie Euclid und Messprogramme wie DESI prüfen, ob die kosmologische Konstante ausreicht oder ob ein neues Feld beziehungsweise eine veränderte Gravitation nötig ist.

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= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Beobachtung führte zur Entdeckung der beschleunigten Expansion?'''
(Entfernte Supernovae waren schwächer als erwartet)
(!Nahe Sterne waren heller als erwartet)
(!Planeten bewegten sich schneller um die Sonne)
(!Galaxien verloren plötzlich ihre Masse)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was beschreibt Dunkle Energie?'''
(Die unbekannte Ursache der beschleunigten kosmischen Expansion)
(!Unsichtbare Materie in Galaxienhalos)
(!Licht aus Schwarzen Löchern)
(!Wärme zwischen den Sternen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie groß ist der Anteil Dunkler Energie im ΛCDM-Modell ungefähr?'''
(Etwa 68 Prozent)
(!Etwa 5 Prozent)
(!Etwa 27 Prozent)
(!Etwa 100 Prozent)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wozu dienen Supernovae vom Typ Ia in der Kosmologie?'''
(Als Standardkerzen zur Entfernungsbestimmung)
(!Als Teilchenbeschleuniger)
(!Als Quellen der Hintergrundstrahlung)
(!Als Messgeräte für Magnetfelder)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was bedeutet beschleunigte Expansion?'''
(Der Skalenfaktor wächst mit zunehmender Rate)
(!Jede Galaxie wird lokal von einer Kraft angeschoben)
(!Die Lichtgeschwindigkeit nimmt ständig zu)
(!Alle Planetenbahnen werden größer)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welcher Wert gilt für die kosmologische Konstante beim Parameter w?'''
(Minus eins)
(!Null)
(!Plus eins)
(!Plus zwei)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage unterscheidet Dunkle Materie von Dunkler Energie?'''
(Dunkle Materie fördert gravitative Strukturbildung)
(!Dunkle Materie beschleunigt die Expansion)
(!Dunkle Energie bildet Galaxienhalos)
(!Dunkle Energie besteht aus gewöhnlichen Atomen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was misst Euclid besonders genau?'''
(Formen und Verteilung sehr vieler Galaxien)
(!Temperaturen im Erdkern)
(!Schallwellen in der Atmosphäre)
(!Magnetfelder einzelner Atome)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was ist DESI?'''
(Ein Instrument zur spektroskopischen Kartierung des Universums)
(!Ein Detektor für Erdbeben)
(!Ein Teilchen im Standardmodell)
(!Ein Teleskop zur Beobachtung der Sonne)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aussage zur Natur Dunkler Energie ist richtig?'''
(Sie ist physikalisch noch nicht geklärt)
(!Sie besteht sicher aus Photonen)
(!Sie wurde direkt im Labor erzeugt)
(!Sie ist identisch mit Dunkler Materie)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Dunkle Energie || Beschleunigte Expansion
|-
| Typ-Ia-Supernova || Standardkerze
|-
| Rotverschiebung || Kosmische Ausdehnung
|-
| Lambda || Kosmologische Konstante
|-
| Euclid || Schwache Gravitationslinsen
|-
| DESI || Galaxienspektren
|-
| Dunkle Materie || Galaxienhalo
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''Supernova'''
| Entfernungsanzeiger
|-
| '''Rotverschiebung'''
| Expansionshinweis
|-
| '''Gravitationslinse'''
| Lichtablenkung
|-
| '''Euclid'''
| Weltraummission
|-
| '''DESI'''
| Spektroskopische Kartierung

|}
{{E}}

<br>
...
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Expansion || Wie heißt die Ausdehnung des Universums?
|-
| Supernova || Welche Sternexplosion dient als Standardkerze?
|-
| Vakuumenergie || Welche Energie des leeren Raumes könnte Dunkle Energie erklären?
|-
| Lambda || Wie heißt der griechische Buchstabe der kosmologischen Konstante?
|-
| Rotverschiebung || Welcher Effekt zeigt gedehnte Lichtwellen ferner Galaxien?
|-
| Euclid || Welche ESA-Mission kartiert das dunkle Universum?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Dunkle+Energie+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Das Universum befindet sich in einer großräumigen { Expansion }. Entfernte Galaxien zeigen im Mittel eine stärkere { Rotverschiebung }. Supernovae vom Typ Ia werden als kosmische { Standardkerzen } verwendet. Die Messdaten zeigen eine { beschleunigte } Ausdehnung des Universums. Im ΛCDM-Modell wird Dunkle Energie durch die kosmologische { Konstante } beschrieben. Für diese Form gilt der Zustandsgleichungsparameter { minus eins }. Dunkle Materie unterstützt dagegen die Bildung kosmischer { Strukturen }. Die Mission Euclid untersucht unter anderem schwache { Gravitationslinsen }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Begriffsnetz]]: Erstelle ein Begriffsnetz mit Dunkler Energie, Dunkler Materie, Expansion, Supernova und Rotverschiebung.
# [[Bildanalyse]]: Beschreibe eine Medienabbildung dieses aiMOOCs in fünf eigenen Sätzen.
# [[Modellversuch]]: Markiere Punkte auf einem Luftballon, blase ihn auf und erkläre, was das Modell gut und schlecht darstellt.
# [[Erklärkarte]]: Gestalte eine Karte mit der Frage „Was ist Dunkle Energie?“ und einer Antwort für jüngere Lernende.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Datenvergleich]]: Vergleiche die drei Anteile gewöhnliche Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie in einem selbst gezeichneten Kreisdiagramm.
# [[Supernova-Modell]]: Erkläre mit einer Taschenlampen-Analogie, wie scheinbare Helligkeit zur Entfernungsmessung genutzt werden kann.
# [[Videoanalyse]]: Wähle ein eingebettetes Video und notiere drei gesicherte Aussagen sowie eine offene Forschungsfrage.
# [[Fehlercheck]]: Prüfe die Aussage „Dunkle Energie drückt jede Galaxie wie ein Motor nach außen“ und formuliere sie physikalisch genauer.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Mathematische Deutung]]: Erkläre, warum <math>w < -\frac{1}{3}</math> in der Beschleunigungsgleichung eine beschleunigte Expansion ermöglichen kann.
# [[Modellvergleich]]: Vergleiche kosmologische Konstante, Quintessenz und modifizierte Gravitation anhand selbst gewählter Kriterien.
# [[Forschungsplakat]]: Gestalte ein Plakat zu Euclid oder DESI mit Messmethode, Ziel, Daten und Unsicherheiten.
# [[Wissenschaftskommunikation]]: Produziere ein dreiminütiges Erklärvideo, das Beobachtung, Modell und offene Frage klar voneinander trennt.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Modellkritik]]: Beurteile das Luftballonmodell der Expansion. Nenne zwei Stärken und zwei Grenzen.
# [[Transfer]]: Erkläre, warum die beschleunigte Expansion nicht bedeutet, dass die Erde sich von der Sonne entfernt.
# [[Dateninterpretation]]: Eine entfernte Supernova erscheint schwächer als in einem Modell ohne Dunkle Energie erwartet. Leite eine mögliche kosmologische Deutung ab.
# [[Begriffsabgrenzung]]: Entwickle ein Beispiel, das den Unterschied zwischen Dunkler Materie und Dunkler Energie verständlich macht.
# [[Theorievergleich]]: Erläutere, welche Beobachtung eine zeitlich veränderliche Quintessenz von einer konstanten Vakuumenergie unterscheiden könnte.
# [[Urteilsbildung]]: Bewerte die Aussage „DESI hat bewiesen, dass Dunkle Energie veränderlich ist“ und begründe Dein Urteil mit dem Unterschied zwischen Hinweis und Nachweis.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du:

# die beschleunigte Expansion in eigenen Worten erklären,
# Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen deuten,
# Dunkle Energie und Dunkle Materie sicher unterscheiden,
# die Größen <math>a(t)</math>, <math>H_0</math> und <math>w</math> grundlegend einordnen,
# mindestens zwei Messmethoden nennen und erklären,
# offene Fragen und Messunsicherheiten angemessen darstellen,
# eine Transferaufgabe zu kosmologischen Modellen bearbeiten.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Dunkle_Energie </iframe>

<references/>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Dunkle Energie - Physik]]'''
# [[Kosmologie]]
# [[Expansion des Universums]]
# [[Supernova]]
# [[Rotverschiebung]]
# [[Allgemeine Relativitätstheorie]]
# [[Dunkle Materie]]
# [[Euclid]]
# [[Dark Energy Spectroscopic Instrument]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Astronomie]]
[[Kategorie:Kosmologie]]
[[Kategorie:Relativitätstheorie]]
[[Kategorie:Klasse 9-10]]
[[Kategorie:Oberstufe]]
[[Kategorie:Sekundarstufe]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Dunkle Energie - Physik - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt