Entstehen bei Gamma-Ray Bursts wirklich Schwarze Löcher?

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1 Entstehen bei Gamma-Ray Bursts wirklich Schwarze Löcher? Jochen Greiner Max-Planck Institut für extraterrestrische Physik Garching

2 Die stärksten Explosionen im Universum 6 Supernovae / Sekunde 1 Gammablitz / Minute

3 Supernova so hell wie ganze Galaxie Supernova 1994D in NGC 4526 SN 1987A in der Grossen Magellanschen Wolke

4 Endprodukt einer Supernova Ein Supernova Typ ist durch Kollaps eines massereichen Sternes; es bleibt übrig entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch Der andere Supernova-Typ hinterlässt nichts ausser Gas/Staub GRB bei Explosion eines massereichen Sternes Schwarzes Loch

5 Inhalt Gammablitze Supernova Klassen Neue Beobachtungen Konsistentes Bild? Jochen Greiner - 5

6 Grundlegende Beobachtungen >ms Tage Wochen Leuchtkraft Entfernung ISM, IGM GRB ~1000 Ereignisse/Jahr isotrop, inhomogen Maximum ~ kev 10-3 s~10 3 s : kurz/hart, lang/weich Nachleuchten Röntgen Optisch Radio Time

7 Energie / Wellenlänge / Frequenz Licht verschiedener Wellenlängen jedes trägt spezifische Information kev nm MeV

8 Gamma-Ray Bursts / Gammablitze Prompte Emission Nachleuchten Die X/g Lichtkurve enthält Information über den inneren Motor. Das Nachleuchten enthält Information über die Umgebung und den Vorläuferstern

9 Schock-Kollisionen erzeugen Gammablitz Sonnenradius: 7x10 10 cm Erde-Mond: 3x10 10 cm Erde Sonne: 1.5x10 13 cm Sonne-Pluto: 4.5x10 14 cm Nächster Stern 4.5x10 18 cm

10 GRB und Nachleuchten Einstein s Spezielle Relativitätstheorie in Aktion Nachleuchten Die Abbremsung dauert Monate, aber weil die Schockwelle ihrem eigenen Licht nachjagt, sehen wir den Prozess in High-Speed in wenigen Tagen ablaufen. Schockwelle Ein Jet schiesst aus dem explodierenden Stern mit mehr als 99.99% der Lichtgeschwindigleit, und wird durch die Kollision mit dem ISM abgebremst. Die dabei resultierende Schockwelle erzeugt das Nachleuchten.

11 Zwei Klassen von GRBs Kurz/Hart H = kev Fluss kev Fluss Lang/Weich

12 Mehrere Optionen Bisheriger Stand: Kurze/harte GRBs von Verschmelzung zweier kompakter Objekte Lange/weiche GRBs von Kollaps eines massereichen Sterns

13 GRB Supernova 1998bw (Type Ic) z =

14 GRB-SN Verbindung: rsprung in massereichem Stern Lange GRBs hängen mit der Explosion massereicher Sterne zusammen Stern muss vor seiner Explosion seine Wasserstoffhülle verloren haben Nur seltene sub-typen von SN Ibc produzieren GRBs GRBs markieren die Entwicklung der

15 GRBs und Kernkollaps-Supernovae... GRB Nachleuchten darf nicht zu hell sein und Supernova überstrahlen GRB Muttergalaxie darf nicht zu hell sein und Supernova überstrahlen GRB muss nah genug sein, um die Supernova noch zu entdecken

16 Das favorisierte Modell für lange GRBs: Schocks in relativistischen Jets, die aus einem kollabierenden massereichen Stern mit Torus ausbrechen.

17 Viele offene Fragen Statistik: von 600 GRBs mit optischem Nachleuchten nur 18 spektroskopisch bestätigte GRB/SN Weiteres Dutzend mit photometrischen Hinweisen Vorläufer Typ? Verschiedene Unterklassen, z.b. Schwarze Löcher vs. Magnetare? Welcher Parameter bestimmt die Erzeugung eines GRB(/Jet) in einem von ~300 SN? Sind GRB-SNe Standard Kerzen? Warum sind die meisten bisher bekannten GRB/SN weniger leuchtkräftig als typische GRBs? Asphärische Explosionen? Wie wirkt sich der Jet auf die SN aus?

18 Inhalt Gammablitze Supernova Klassen Neue Beobachtungen Konsistentes Bild? Jochen Greiner - 18

19 SUPERNOVA Explosion am Lebensende eines Sterns Erzeugt die schweren Elemente von denen Planeten und das uns bekannte Leben abhängen Heizt interstellare Gas und fördert Sternbildung Produziert exotische kompakte Objekte: Neutronensterne und Schwarze Löcher Dient als Entfernungsmesser im Universum

20 Supernova Klassifikation Frühe Spektren: Kein H / H Typ I Spektren nach 3 Monaten: Si/ kein Si Typ II He dominant / H dominant SN Ia He arm / He reich Normal SNII Lichtkurve: Linear/Plateau SN Ic SN Ib SN IIb SNIIL SNIIP Detonation of Core Collapse, outer layers stripped. Core collapse Core collapse of Accreting WD H&He removed H mantle removed Most H removed massive progenitor Das ist ein auf Beobachtungen (nicht Astrophysik) basierendes Schema

21 Supernova (Űberrest): Evolutions-Stadien 1987A Cas A Crab, 1006, Vela Log L SN: Optical, ~X, ~g( 57 Co) g-rays 44 Ti (t~90y) X-ray Radio, ~nonthermal X, g-rays optical g-rays 26 Al (t~10 6 y) SNR Age (years)

22 GRB-SN SN Ic

23 Physik der Supernova Lichtkurve Beziehung: Mehr 56 Ni Höhere Temperatur Höhere Opazität Höhere Opazität fängt Strahlung effektiver ein, und lässt sie auch später entweichen -> breitere Lichtkurven = Hellere/Länger andauernde SN Lichtkurve bestimmt durch: 56 Ni Masse Opazität Kinetische Energie mehr 56 Ni = massereicherer Vorläufer

24 Sternentwicklung: Abhängig von Massenverlust Neutronenstern M<21 M~50 (hohes dm/dt) Schwarzes Loch M>21, wenig Massenverlust

25 Inhalt Gammablitze Supernova Klassen Neue Beobachtungen Konsistentes Bild? Jochen Greiner - 25

26 Ultra-Lange Gammablitze Kurz/Hart H = kev Fluss kev Fluss 4 GRBs mit Dauer >10 4 s Lang/Weich

27 GRB A Swift Konus-Wind Ultra-lange GRBs werden nur von Satelliten ausserhalb der Erdumlaufbahn entdeckt

28 Ultra-lange GRBs 4 GRBs mit Dauer >10 4 s Trigger Swift/BAT wie normale GRBs (manchmal mehrmals) Werden als ultra-lange GRBs durch Konus/WIND erkannt Im Vergleich zu normalen GRBs, haben sie ähnliche Prompte Emissions- Spektren Nachleuchten Muttergalaxien Evans+2014 Trotzdem Ideen für alternativen Ursprung: Von Blauem Riesen Zerreissen eines Sterns durch Gezeiten- Kräfte

29 GROND=GRB Optical/NIR Detector Abbildung in 7 Kanälen gleichzeitig: g, r, i, z, J, H, K am 2.2m MPG Teleskop La Silla (ESO/Chile) Sensitivity (AB): 4 min 1 hr g r 21.5 mag 24.5 mag i z 21.0 mag 24.0 mag J/H/K 19/18/17 mag 22/21/20 mag r g K z i H J Jochen Greiner -

30 X-shooter Spektrum Ultra-langer GRB A mit SN 7-Kanal Beobachtungen über 70 Tage Zusätzliche Swift/UVOT + öffentliche HST Daten Nachleuchten Supernova SN 2011kl Mutter- Galaxie

31 SN 2011kl Spektrum SN 2011kl X-shooter Spektrum ähnlich zu SuperLuminous SN Spektrum ist sehr blau und (fast) keine Absorptionslinien: wenig Materie ausgeworfen hohe Geschwindigleit Glattes Spektrum durch Linien- Űberlagerung (v ph ~ 20,000 km/s) Im Modell nur ~0.4 M über der Photosphäre Keine Spuren von frisch synthetisiertem Material, im Gegensatz zu GRB-SNe

32 SN 2011kl Lichtkurve Bolometrische Lichtkurve: heller als bisherige GRB/SN, aber schwächer als superluminous SN Leuchtkraft impliziert 1M 56 Ni, ist inkompatibel mit blauem UV Spektrum Brauchen andere Erklärung: nehmen das von SLSN: Magnetar Dies kann auch die ultra-lange Dauer der prompten Emission erklären

33 Energie für SuperLuminous SNe? Wechselwirkung 56 Ni Magnetar Margutti in prep. Höhere Effizienz Mehr normalen Brennstoff X-rays Optical Xrays+Opticl Extra Energie Quelle

34 Magnetar Energie von sich abbremsenden stark magnetischem (B~10 14 G) und schnell rotierendem Neutronenstern (P i 2 20 ms) Vermutlich als zusätzliche Energie zu 56 Ni: dadurch hellere Lichtkurve GRB A / SN 2011kl: P i ~ 12 ms und B ~ (6-9)*10 14 G (für M ej =2-3 M und E kin = (2-9)*10 51 erg)

35 Inhalt Gammablitze Supernova Klassen Neue Beobachtungen Konsistentes Bild? Jochen Greiner - 35

36 Schwarzes Loch oder Neutronstern Neue Rechnungen zu explodierenden massereichen Sternen zeigen mehr Vielfalt: Kein klarer Schnitt mehr zwischen BH and NS Z 10-4 Z Derzeit keine Vorhersage möglich, bei welcher Masse des Vorgängers sich welches kompakte Objekt bildet Z=0 Jochen Greiner - 36

37 Ein konsistentes Bild?

38 Entstehen bei Gamma-Ray Bursts wirklich Schwarze Löcher? wohl nicht (immer)