Weiße Zwerge 10 Mrd. Diamanten in der Milchstraße. Max Camenzind Akademie HD Juni 2014

Transkript

1 Weiße Zwerge 10 Mrd. Diamanten in der Milchstraße Max Camenzind Akademie HD Juni 2014

2 Nobelpreise für Forschung an kompakten Sternen 1974 Anthony Hewish, Cambridge/UK... für seine entscheidende Rolle bei der Entdeckung der Pulsare und ihrer Deutung als rotierende Neutronensterne 1983 Subramanyan Chandrasekhar, Chicago, USA... für seine Theorie der Struktur weißer Zwerge (aus den 1930er Jahren) 1993 Russell Hulse & Joseph Taylor, Princeton, USA... für die Entdeckung des Doppelsternpulsars, der eine neue Möglichkeit für das Studium der Gravitation eröffnet hat 2002 Riccardo Giacconi, Associated Universities Inc., USA... für bahnbrechende Beiträge zur Astrophysik, die zur Entdeckung kosmischer Röntgenquellen führte (NS und stellare SL)

3 Weiße Zwerge... Uninteressant? Nein,, Subramanian Chandrasekhar ( ) Theorie entarteter Elektronensterne (1931)... denn sie haben ein interessantes Inneres: Diamanten der Milchstraße. kühlen sehr langsam aus über die Hubble-Zeit werden als Kosmochronometer verwendet.

4 Unsere Themen Weiße Zwerge in der Sonnenumgebung: Sirius B der Begleiter von Sirius A innerhalb von 20 pc gibt es mind. 129 WZ Spektraltypen: DA, DB, DC, DO, DZ Die Massenverteilung aus SDSS Die Struktur Weißer Zwerge: Quantendruck und Massen-Radius Beziehung Chandrasekhar-Grenzmasse ist fundamental Wie schnell kühlen Weiße Zwerge aus? Weiße Zwerge und Supernovae vom Typ Ia

5 Entdeckungsgeschichte

6 Entdeckungsgeschichte 1983 Erst 50 Jahre später erhielt Chandrasekhar den Nobelpreis für seine fundamentale Entdeckung.

7 Sirius spielt bei Ägyptern wichtige Rolle Die ägyptischen Pyramiden stehen nicht planlos in der Wüste, sondern bilden eine gigantische Himmelskarte, ausgerichtet nach den Gürtelsternen im Sternbild Orion. Der altägyptische Kalender richtete sich nach Sirius (genannt Sothis) - der Aufgang von Sirius kündete das Nilwasser an.

8 Sirius A Helligkeit -1,46 mag 1844 fand Friedrich Bessel Sirius: Doppelstern 1864 entdeckte Alvan Graham Clark den Partner 1927 von Fowler als Fermi-Stern erklärt (W. Zwerg) Sirius B 8,3 mag HST Aufnahme

9 Doppelstern Sirius A & B

10 Sirius A & B im Vergleich Sirius A: Temperatur: K A Stern: 2 x Sonne Radius: 1,71 R Sonne Sirius B: Temperatur: K M = 1,0 M S, R = 6000 km r = 2,2 x 10 6 g/cm³

11 CO Weiße Zwerge als Endzustand Schicksal der Sonne in 7 Mrd. Jahren Weißer Zwerg ( K) mit Helix- Nebel

12 40 Eridani: A K1-Stern; B DA-WZ

13 Das System 40 Eridani / StarObserver

14 Procyon B: Temperatur: 7740 K M = 0,60 M S, R = 8600 km r = 4,5 x 10 5 g/cm³ Alter ~ 2 Mrd. a

15 Historische Weiße Zwerge mit Hipparcos vermessen Abriss Astronomie

16 Spektralklassifikation WZ nach H, He, C etc im Spektrum DQ

17 Spektroskopische Klassifikation DA - nur Balmer Linien; kein HeI oder Metalle (75% der WZ) DB HeI Linien, kein H oder Metalle DC Continuum Spektrum, keine Linien tiefer als 5% DO starke HeII, HeI oder H-Linien im Spektrum DZ nur Metall-Linien, kein H oder He DQ Starkes Kohlenstoff-Feature

18

19 Typische DA Weiße Zwerge Hg Hb

20 Spektrum: Weißer Zwerg Eridanus B Maximum im Optischen T eff = K ~ A

21 Spektrum: Weißer Zwerg Sirius B Maximum im UV T eff = K ~ B Barstow et al. 2005

22 Spektrum: Weißer Zwerg Sirius B He Hd Hg Hb Barstow et al. 2005

23 Parameter: Weißer Zwerg Sirius B Barstow et al. 2005

24 Massenbestimmung Feldsterne Spektroskopische Methode: Linienbreiten (Wasserstoff) hängen vom Druck ab proportional zu Gravitation + Masse-Radius Relation g = GM/R 2 Masse M Photometrische Methode: Breitband Photometrie fitted an Black Body T eff und Winkeldurchmesser Kombiniert mit Parallaxe Radius R Verwende Masse-Radius Relation Masse M

25 In 20 pc 129 Weiße Zwerge Dichte = 0,0033 M S /pc³

26 Apache Point Telescope SDSS

27 Apache Point Telescope Camera

28 WZ SDSS Spektrum

29 Massenhistogramm Weiße Zwerge Der typische WZ hat ~ 0,6 Sonnenmassen SDSS DR WZ Madej et al. 2004

30 Massenverteilung WZ Daten: DR7 aus SDSS SDSS DR WZ Kleinman et al. 2012

31 Temperaturverteilung WZ Daten: DR7 aus SDSS?

32 Kühle Weiße Zwerge mit Gemini

33

34 Alte Weiße Zwerge mit HST

35 Struktur Weißer Zwerge H He C/O

36 Massenzusammensetzung

37 a Elektronen Atom- Kerne Elektronen Dx Dp > h/4p Atome so dicht gepackt, dass sie sich überlappen Dichte: 2 t / cm³ Kohlenstoff Rad ~ a 0 /36 a = 0,1 Rad a 0 = 5,29x10-11 m Elektronen bewegen sich frei Druck (Fermi-Druck) gleicht Gravitation aus

38 Elektronen schließen sich gegenseitig aus E k E j Pauli-Prinzip E i Spektrallinien

39 Fermionen sind Einzelgänger, Bosonen gesellig Vorhersage: bei tiefer Temperatur sammeln sich alle Bosonen in einem QM Zustand Bose-Einstein Kondensat BEC Niveaus gefüllt bis zur Fermi-Energie Impuls p F

40 Fermi-Stern: Fermi-Druck = Gravitation Hydrostatisches Gleichgewicht Gravitation M(r) Fermi-Druck

41 Quantendruck der Elektronen

42 Gesamtenergie der Elektronen

43 Quantendruck der Elektronen

44 Zustandsgleichung Weiße Zwerge Wenn r 0 > 2x10 6 g/cm³ die Elektronen bewegen sich relativistisch! L e = 0,38 x m

45 Ortsunschärfe eines marginal rel. e - Dx Dp > h/4p x F = p F /mc = 3L e n e 1/3 Dp ~ m e c/2 Dx > L e = 3,9x10-13 m Wenn freie Elektronen sich langsam relativistisch bewegen, benötigen sie ein Volumen mit Radius der Compton- Welllenlänge. Wenn sie sich relativistisch bewegen, benötigen sie weniger Platz. Der Sternradius wird kleiner mit Masse.

46 Polytropennäherung Chandrasekhar 1930 g = 1 + 1/n

47 P = Kr G Struktur Weißer Zwerge

48 Chandrasekhar 1930

49 Masse Radius Beziehung

50 Weiße Zwerge: Masse Dichte Sequenz n=3 Polytrope Chandrasekhar 1930 Sirius B Einstein Theorie Coulomb Korrekturen Beobachtete mittlere Masse Chandrasekhar 1930 Numerische Lösung des hydrostatischen Gleichgewichts Zentraldichte in g/cm³

51 Masse Radius Beziehung

52 Weiße Zwerge: Masse Radius Je massereicher, umso kleiner 7000 km Chandrasekhar

53 Weiße Zwerge heute kühle Diamanten > 1 Mrd Galaxis He 10-2 M S C / O Kern Kristallgitter C/O Diamant T Geburt ~ 140 Mio K T crystal ~ 16 Mio K T Debye ~ 14 Mio K T heute ~ 10 Mio K QDruck durch e - (Diamant) T < 16 Mio. K H Atmosphäre T eff > 4000 K ~ 0,0001 M S H 10-5 M S Typischer Weißer Zwerg M = 0,6 M S R = 9094 km

54 Phasendiagramm Kohlenstoff Weiße Zwerge

55 Test mit Beobachtungen?? WZ mit Atmosphäre Fe WZ CO WZ Weiße Zwerge Punkte: Hipparcos Parallaxen GAIA Projekt

56 Chandrasekhar kämpft gegen das Establishment am erst in den 60er Jahren rehabilitiert! 1983 NP Auch ein Kampf der Kulturen Chandra s Theorie absurd

57 Arthur Miller Der Krieg der Astronomen Der Krieg der Astronomen ist die Geschichte eines genialen Außenseiters, der mit einer wichtigen Entdeckung zunächst an der Ignoranz und den Vorurteilen eines berühmten Kollegen und des wissenschaftlichen Establishments scheitert.

58 Chandrasekhar Grenzmasse fundamentales Konzept Mod. Astronomie E = 0

59 Maximale Massen nach Einstein-Theorie Die Newtonsche Chandrasekhar-Masse modifiziert Maximale Dichte, wenn relativistische Instabilität auftritt Maximale Dichte, wenn Elektron- Capture auftritt Maximale Masse, wenn Elektron- Capture auftritt Berechnungen nach arxiv:

60 WZ: Innere Energie in Ionen solange Temperatur > Debye-Temperatur

61 Thermische Isolation Weißer Zwerge H He-Hülle C/O-Gitter Isotherm 12 Mio. K Thermische Isolation Normale Opazitäten ca. 50 km dick Riesige TempGrad

62 Weiße Zwerge: Kühl-Kurven Bergeron et al. Kristallisation Latente Wärme Verzögerung in Kühlung

63 Leuchtkraftfunktion WZ Kühle WZ T eff ~ 4000 K Alter ~ 10 Gyr Heiße WZ T eff ~ K Alter ~20 Mio. a Alter

64 Kataklysmische Systeme (CV) WZ + Akkretionsscheibe in Doppelsternen

65 Akkretion auf WZ SN Ia Roter Riese Weißer Zwerg M ~ M Ch Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen H fusioniert stetig zu He Bildung einer Heliumhülle Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze

66 SN Ia so hell wie Galaxie SN 1994d

67 Simulationen SN Ia t = 0s t = 0,3s Mehrfachzündungen von Flammenkugeln Hohe Temperaturen; Aschedichte niedriger als Rest Pilzform

68 Simulationen SN Ia t = 0,6s t = 2s Bildung von Substrukturen; Oberflächenvergrößerung & Verbrennungsratenerhöhung Scherströme erzeugen Verwirbelungen; Brennfront erreicht Oberfläche

69 Lichtkurven SN Ia Absolute Helligkeit: bis -19,5 mag 10 Mrd. L Radioaktiver Zerfall von 56 Ni zu 56 Fe verzögert Abkühlung 56 9 Tage Ni Tage Co 56 Fe + e + Ähnlicher Verlauf Standardkerze

70 Zusammenfassung Weiße Zwerge sind recht gut verstanden: An Sirius B wurde die Struktur entwickelt; lokale Dichte ~ 0,005 WZ/pc³; Spektraltypen DA kommen am meisten vor; Die mittlere Masse beträgt 0,6 Sonnenmassen; Die Chandrasekhar-Masse ist ein fundamentales Konzept für Fermionen-Sterne; Weiße Zwerge werden nach kurzer Zeit zu Festkörpern und kühlen über Hubble-Alter aus; Supernovae vom Typ Ia haben mit WZ zu tun.

71 Übungen Vergleichen sie den Quantendruck der Elektronen im Zentrum eines typischen Weißen Zwergs mit dem thermischen Druck der CO- Ionen (T = 100 Mio. Kelvin). Was ist spezifische Wärmekapazität C V? Wie groß ist die spezifische Wärme von Wasser? Eine Supernova vom Typ Ia explodiert in der Milchstraße im Abstand von 10 kpc. Wie hell wird diese Supernova im Maximum? m B =? Wie groß ist die gravitative Rotverschiebung z von der Oberfläche eines WZ?