Der Jojo-Effekt bei Neutronensternen
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- Bernd Sachs
- vor 8 Jahren
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Transkript
1 Der Jojo-Effekt bei Neutronensternen und wie er die Astrophysiker in Aufregung versetzt Irina Sagert Astronomie am Freitag, Physikalischer Verein, Frankfurt
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3 8-20 Sonnenmassen
4 Kollaps eines Überriesen Sonnenradius: km Marsorbit 227 Millionen km Eisenkern im Zentrum des Sterns fällt unter seinem Gravitationsdruck zusammen Eine Schockwelle entsteht, die den Stern auseinanderreist. Roter Überriese Radius: 300 Millionen km Masse: 8-20fache Sonnenmasse Jedoch: Genauer Explosionsmechanismum ist noch nicht bekannt
5 Supernova Explosion Ein- bis dreimal pro Jahrhundert in einer Galaxie Emittiert so viel Licht wie die Sonne in ihrem gesamten Leben Materie im Zentrum wird zu einem Neutronenstern komprimiert
6 Supernova Explosion Ein- bis dreimal pro Jahrhundert in einer Galaxie Emittiert so viel Licht wie die Sonne in ihrem gesamten Leben Materie im Zentrum wird zu einem Neutronenstern komprimiert
7 Neutronensterne Masse: (1-3)-mal so schwer wie die Sonne: (~ t) Radius: ~10km Ca bisher in der Milchstrasse entdeckt, tatsächlich: ca
8 Erde versus Neutronenstern Kruste: Dichte: 2 g/cm 3, Temperatur: ~ 200 C Kern: Dichte: 10 g/cm 3, Temperatur: ~ 6700 C Kruste: Dichte : 0.5 t/cm 3, Temperatur: ~ Millionen C Kern: Dichte: ~ t/cm 3
9 Messeturm im Stecknadelkopf Ein Stecknadelkopf Neutronensternmaterie wiegt so viel wie der Messeturm Die Dichte ist so hoch wie in den Kernen von Atomen
10 Im Inneren der Atome Komponenten: Neutronen und Protonen Abstossende und anziehende Kernkräften in Balance Mittlerer Abstand: Millionstel Nanometer
11 Im Inneren der Atome Komponenten: Neutronen und Protonen Abstossende und anziehende Kernkräften in Balance Mittlerer Abstand: Millionstel Nanometer Bausteine der Protonen und Neutronen: up und down Quarks GSI, Darmstadt
12 Bausteine der Materie Wir kennen 6 Quarks: up, down, charm, strange, top, bottom Leichte Quarks: up, down und strange Schwere Quarks: charm, bottom und top
13 Meet the Quarks... Wir kennen 6 Quarks: up, down, charm, strange, top, bottom Leichte Quarks: up, down und strange Schwere Quarks: charm, bottom und top
14 Meet the Quarks... strange charm down Wir kennen 6 Quarks: up, down, charm, strange, top, bottom top up Leichte Quarks: up, down und strange bottom Schwere Quarks: charm, bottom und top
15 Meet the Quarks... Wir kennen 6 Quarks: 100 MeV strange 1279 MeV charm down 5 MeV up up, down, charm, strange, top, bottom top Leichte Quarks: up, down und strange bottom 2.5 MeV Schwere Quarks: charm, bottom und top MeV 4200 MeV Ein MeV entspricht 0, (20 Nullen) g
16 Meet the Quarks... in Schwerionenkollisionen Materie auf der Erde besteht aus den leichtesten Quarks: up und down Bei höheren Energien können strange und schwere Quarks erzeugt werden
17 Meet the Quarks... im Kosmos Quarks füllten unser Universum die erste Millionstel Sekunde nach dem Urknall
18 Meet the Quarks... in Neutronensternen? Was passiert im Inneren von Neutronensternen? Nur Neutronen und Protonen? Neue Teilchen: Hyperonen? Quarkmaterie?
19 Wie kompressibel sind Atomkerne? Kompressibilität zeigt wie weit man Materie zusammendrücken kann: K= -V dp/dv Luft: K ~ 0.15 MPa Wasser: K ~ 2.2 GPa Diamant: K ~ 442 GPa Atomkerne: K > (24 Nullen) GPa
20 Die Inneren Werte zählen Image Credit: CXC, D.Berry Je steifer Materie in Neutronenstern ist umso mehr Masse können diese tragen steife Materie weiche Materie
21 Der Fingerabdruck eines Neutronensterns Jim Lattimer & Madapa Prakash, Science 23, Vol. 304, 2004 Quarkmaterie Hyperonen Jedes Modell für die Komposition von Neutronenstern-Materie liefert eine charakteristische Beziehung zwischen Masse und Radius Sterne aus Quarkmaterie oder Hyperonen sind normalerweise leicht und klein
22 Die Inneren Werte zählen Image Credit: CXC, D.Berry Wie schwer können Neutronensterne werden?? Wie wiegt man einen Neutronenstern??
23 Pulsare - Kosmische Leuchttürme Magnetfeld in Neutronensternen: 1 Billion bis 1 Billiarde Gauss (Magnetfeld auf der Erde: 0.5 Gauss) Strahlung entlang des Magnetfelds erzeugt zwei Strahlungskegel Illustration: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
24 Pulsar im Krebsnebel - eine Hörprobe Überrest der Supernova aus dem Jahr 1054 Ca Lichtjahre von der Erde entfernt Rotationsgeschwindigkeit: ca. 33 Umdrehungen pro Sekunde Verlangsamt sich um ~ Sekunden pro Jahr
25 Doppelstern-Systeme Neutronenstern & Stern Neutronenstern & Weisser Zwerg Neutronenstern & Schwarzes Loch Neutronenstern & Neutronenstern Credit: John Rowe Animation
26 Beobachtung von Effekten aus der Allgemeinen Relativitätstheorie Periheldrehung Shapiro Verzögerung: Zeitdilatation im Gravitationsfeld des Begleiters - Verkürzung der Umlaufdauer durch Abstrahlung von Gravitationswellen Je schwerer der binäre Partner umso ausgeprägter sind die Effekte
27 Pulsar B System aus Pulsar & Neutronenstern Entdeckt von Russel Hulse und Joe Taylor in 1974 am Arecibo Teleskop Zeitdilatation & Reduktion der Umlaufzeit um ca Mikrosekunden pro Jahr durch Abstrahlung von Gravitationswellen Verschmelzung in ca. 300 Mill. Jahren Massen:1.441 & Sonnenmassen
28 Everybody s Darling Jim Lattimer & Madapa Prakash, Science 23, Vol. 304, 2004 Realistische Modelle müssen die gemessenen Massen von Neutronensternen reproduzieren Die Masse des Hulse- Taylor Pulsars ist durch die meisten Modelle beschreibbar
29 Sind alle Neutronensterne Leichtgewichte? Entdeckung des Hulse-Taylor Pulsars: Russel Hulse & Joe Taylor Bis 2005 wurde kein Neutronenstern gefunden, der massiver ist als der Hulse-Taylor Pulsar 2 Sonnenmassen Ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen? Jahr
30 Pulsar J David J. Nice & Co-Autoren, ApJ 634, 2005 Neutronenstern & Weisser Zwerg Beobachtung seit 1993 (Arecibo und Effelsberg Teleskope) 3 Gravitationswellen & Zeitdilatation Masse des Neutronensterns ~ 2.1 Sonnenmassen 2 Sonnenmassen Jahr 2006
31 Was ist im Inneren eines schweren Sterns? Weiche Kernmaterie kann eine so hohe Masse nicht ausbalancieren Keine Chance für Quarkmaterie und Hyperonen?
32 EXO Feryal Özel & Co-Autoren, Nature 441, 2006 Akkretierender Neutronenstern und Weisser Zwerg Image from NASA
33 Kosmische Schwarze Witwen Credit: NASA/Dana Berry Partner: normaler Stern oder Weisser Zwerg Neutronenstern akkretiert Materie vom Partner Explosionsartige Kernfusion auf der Oberfläche Durch Beobachtung der Strahlungsausbrüche: Masse & Radius des Neutronensterns
34 Keine Quarkmaterie in Neutronensternen! Feryal Özel & Co-Autoren, Nature 441, 2006 Vermessung der Strahlungsausbrücke Masse: ~ 2.1 Sonnenmassen Radius: ~14 km
35 Keine Quarkmaterie in Neutronensternen! 3 Feryal Özel & Co-Autoren, Nature 441, 2006 Vermessung der Strahlungsausbrücke Masse: ~ 2.1 Sonnenmassen Radius: ~14 km 2 Sonnenmassen Quarkmaterie in Neutronensternen ist ausgeschlossen! Jahr
36 Lang Leben die Quarks! Mark Alford & Co-Autoren, Nature 445, 2007 Starke Wechselwirkungen zwischen den Quarks macht Quarkmaterie inkompressibel Auch Quarkmaterie kann zwei Sonnenmassen stemmen EXO schliesst Quarkmaterie nicht aus!
37 Viel Lärm um Nichts? David J. Nice & Co-Autoren, 2007 Pearson & Co-Autoren, Neue Messung von PSR J und EXO : Beide sind leichter als der Hulse-Taylor Pulsar 2 Sonnenmassen Jahr 2006
38 Viel Lärm um Nichts? David J. Nice & Co-Autoren, 2007 Pearson & Co-Autoren, PSR J : ~1.2 Sonnenmassen EXO : ~1.35 Sonnenmassen Doch ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen? 2 Sonnenmassen Jahr 2006
39 Neutronensterne sind höchstwahrscheinlich schwer P. Freire & Co-Autoren, 2008 Systeme aus Pulsar & Weißem Zwerg Gesamtmasse durch Verkürzung der Umlaufzeit (Gravitationswellen) Einzelne Massen durch statistische Analyse des Neigungswinkels der Bahnebene
40 Neutronensterne sind höchstwahrscheinlich schwer 3 P. Freire & Co-Autoren, 2008 Massen-Rekordhalter: J Sonnenmassen! 2 Sonnenmassen Jahr
41 Nichts geht mehr... Jim Lattimer & Madapa Prakash Keine Quarks! Keine Hyperonen! Auch Neutronen und Protonen haben es nicht leicht Kann Kernmaterie wirklich so steif werden?
42 J : Klein aber fein Paulo Freire, 2009 Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF Sonnenähnlicher Stern als Begleichter Elliptische Umlaufbahn erlaubt Messung der Periheldrehung Massiver Begleichtstern führt zu einer messbaren Zeitdilatation im Signal des Pulsars
43 Klein aber fein Paulo Freire, Masse: 1.67 Sonnenmassen Deutlich kleiner als 2.7 Sonnenmassen, dafür aber zuverlässiger, da er aus Effekten der Allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt ist 2 Sonnenmassen Jahr
44 Seltsame Sterne - 4U , EXO , 4U Feryal Özel & Co-Autoren, PRD 82, Binäre Systeme aus akkretierendem Neutronenstern & Weissem Zwerg Massen: ~ 1.7 Sonnemassen Radien: ~ 10 km Ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen?
45 Seltsame Sterne - 4U , EXO , 4U Feryal Özel & Co-Autoren, PRD 82, 2010 Massen: ~ 1.7 Sonnemassen Radien: ~ 10 km Ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen?
46 Seltsame Sterne - 4U , EXO , 4U Feryal Özel & Co-Autoren, PRD 82, Sonnenmassen Jahr
47 Vielleicht doch nicht so seltsam 2.5 Andrew Steiner, & Co-Autoren ApJ 722, U Neue Analyse: Massen und Radien von 4U , EXO , 4U Annahme: Strahlungsausbruch stammt nicht von der Oberfläche des Sterns sondern wird von der expandierten Photosphäre emittiert M (M ) Neue Massenwerte > Sonnenmassen R (km) 0
48 Vielleicht doch nicht so seltsam Andrew Steiner, & Co-Autoren ApJ 722, Neue Analyse: Massen und Radien von 4U , EXO , 4U Annahme: Strahlungsausbruch stammt nicht direkt von der Oberfläche des Sterns 2 Sonnenmassen Neue Massenwerte ~ Sonnenmassen Jahr
49 Vielleicht doch nicht so seltsam Andrew Steiner, & Co-Autoren ApJ 722, Neue Analyse: Massen und Radien von 4U , EXO , 4U Annahme: Strahlungsausbruch stammt nicht direkt von der Oberfläche des Sterns 2 Sonnenmassen Neue Massenwerte ~ Sonnenmassen Jahr
50 ,5? 2.0? 2 Sonnenmassen 1, ? Jahr
51 Jim Lattimer & Madapa Prakash, Science 23, Vol. 304, 2004
52 Aber... das Jahr 2010 war noch nicht vorbei...
53 And the winner is... J Neutronenstern & Weisser Zwerg Paul Demorest & Co-Autoren Nature 722, 2010 Wir blicken von der Seite auf das binäre System Sehr gute Beobachtbarkeit der Zeitdilatation Masse: 1.97 Sonnenmassen! CREDIT: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
54 ,5? 2.0? Sonnenmassen ? 1 1, Jahr 2010
55 Was wissen wir heute? Ca. 36 Jahre nach der Endeckung des Hulse- Taylor Pulsars wissen wir heute, dass Neutronensterne schwerer sein können als 1.44 Sonnenmassen Der neue Massenrekord beträgt heute ~ 1.97 Sonnenmassen Diese deutet darauf hin, dass das Innere von Neutronensternen aus steifer/inkompressibler Materie besteht Ob diese Materie nun ein Gemisch aus Protonen und Neutronen, Quarkmaterie oder Hyperonmaterie ist, lässt sich noch nicht sagen Ob die auch schwerere Neutronensterne (z.b. 2.7 Sonnenmassen) möglich sein können wird die Zukunft zeigen
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