Sonne, Mond und Sterne: Die neue Sicht des Universum. III Physik der Sonne und der Sterne

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Sonne, Mond und Sterne: Die neue Sicht des Universum. III Physik der Sonne und der Sterne"

Otto Stieber
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Sonne, Mond und Sterne: Die neue Sicht des Universum III Physik der Sonne und der Sterne

2 Fragen: 1. Wie bilden sich Sterne? 2. Wie wird die Energie im Sterninnern erzeugt? 3. Wie gelangt die Energie aus dem Sterninnern nach außen? 4. Wie können wir in das Innere der Sonne blicken?

6 Sternentstehung

8 (Riesen) Molekül-Wolken Barnard 68 Optisch Infrarot

9 Zusammensetzung des ISM

10 Interstellarer Staub Korngröße: 1nm-100 nm Graphite, SiC, Silikate, H 2, H 2 O

11 Bok-Globulen Trifid Nebel

12 Globulen Bok Globulen: ~ Sonnenmassen

19 Vorhauptreihenentwicklung Hydrostatisches Gleichgewicht Adiabatischer Kollaps Isothermer Kollaps eines Protosterns : Gravitationskontraktion und Strahlungskühlung Bildung eines protostellaren Kerns

20 Was ist und wie bildet sich ein Stern? Kollapse unter seiner Eigenschwerkraft Dichtanstieg im Zentrum mit Kernfusion Druck im Gleichgewicht mit Schwerkraft Stern ist im hydrostatischen Gleichgewicht

22 Energietransport aus dem Sonnen/Sterninnern an die Oberfläche möglich durch: 1. Wärmestrahlung 2. Wärmeströmung (Konvektion) 3. Wärmeleitung (für die meisten Sterne unbedeutend)

23 Mikroskopisches Bild der Photonenausbreitung: random walk Entweichen Atmosphäre

25 Wie wird Energie im Sterninnern erzeugt?

26 Energieerzeugung in der Sonne (I) Heizwert von Kohle: ca kj/kg ( = ε ) Lebensdauer: M ε τ = = 5000 Jahre L Sonnenalter >>> 5000 Jahre! Keine chemische Energie!

27 Energieerzeugung in der Sonne (II) Radioaktivität? Heizwert von Uran: ca kj/kg ( = ε ) Lebensdauer: τ = M ε L = Jahre Grundsätzlich möglich, ABER Uran ist ein sehr seltenes Element! M Uran,Sonne = kg

28 Lösung des Problems: Albert Einstein E = m c 2

29 Anwendung auf Kernfusion Eddington: 4 p He 4 m p 3.97 m p Freigesetzte Energie: E = 0.03 m p c 2 Heizwert: kj/kg!!!! Effizienz der Energieerzeugung: 3 % der Ruhemasse Energiereservoir der Sonne: J Lebensdauer der Sonne: 450 Milliarden Jahre!!

30 p-p Kette 1 H + 1 H -> 2 D + e + + n e Primärer Schritt über schwache Wechselwirkung. ( 2 He nicht existent) Deswegen brennt Sonne so lange... 2 D + 1 H -> 3 He + g g Gamma-Quant 3 He + 3 He -> 4 He H + g Nettobilanz: 4 1 H -> 1 4 He + 26,2 MeV

Kernfusion Grundlegende Reaktion der Proton-Proton-Kette: 1 1 H + 1 1 H 2 1 H + e + + ν Erforderlich: p n + e + + ν Reaktion endotherm: m p = 1.

31 Kernfusion Grundlegende Reaktion der Proton-Proton-Kette: 1 1 H H 2 1 H + e + + ν Erforderlich: p n + e + + ν Reaktion endotherm: m p = g, m n = g E = MeV Aber Bindungsenergie Deuterium: MeV Wirkungsquerschnitt: σ cm 2 (at 1 MeV) Seltene Reaktion!

32 Der Beta-Zerfall schwache Kraft = schwache Wechselwirkung! Einzige Kraft, die Teilchen verwandeln kann!

34 Proton-Proton Kette Für die Sonne ist die folgende Reaktionskette der Neutrinoenergie (MeV) wichtigste Energieerzeugungsmechanismus: Reaktion Nummer Terminierung (%) p + p 2 H + e + + ν e 1 a (pp) 99.6 < p + p + e - 2 H + ν e 1 b (pep) H + p 3 He + γ He + 3 He 4 He + 2p He + 4 He 7 Be + γ Be + e - 7 Li + ν e (90%) (10%) Li + p 2 4 He Be + p 8 Bo+ γ Bo+ γ 8 Be * + e + + ν e < Zeitdauer (yrs) 8 Be * 2 4 He sofort 3 He + p 4 He + e + + ν e 10 (hep) <

Das Neutrino? W. Pauli: p n p e ν e Brief aus Zürich an die Gruppe der `Radioaktiven' bei der Gauvereins- Tagung zu Tübingen, vom 4.12.1930 ν e Liebe Radioaktive Damen und Herren!

35 Das Neutrino? W. Pauli: p n p e ν e Brief aus Zürich an die Gruppe der `Radioaktiven' bei der Gauvereins- Tagung zu Tübingen, vom ν e Liebe Radioaktive Damen und Herren!... es könnten elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutrinos nennen will, in den Kernen existieren dass mit dem Elektron jeweils noch ein Neutrino emittiert wird, derart, dass die Summe der Energien von Neutrino und Elektron konstant ist Leider kann ich nicht persönlich in Tübingen erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dezember in Zürich stattfindenden Balles hier unabkömmlich bin....

36 Neutrinos ν sehr geringe Wechselwirkung: Reichweite > 1 Lichtjahr sehr kleine Masse (< 1/ Elektronmasse) Harris/Grupen Quellen: natürliche Radioaktivität Sonne Supernovae Kernreaktoren

37 Harris/Grupen Durch unsere Körper strömen in jeder Sekunde Millionen von Neutrinos, und wir machen uns Gedanken über die Benzinpreise!

38 Woher wissen wir, das dies richtig ist? Neutrinoastronomie

39 Physik-Nobelpreis 2002 Sonne Raymond Davis, Jr. Univ.Pennsylvania Philadelphia USA Davis- Experiment Matsatoshi Koshiba Univ. of Tokjo Japan SN 1987 A

40 Nachweis solarer Neutrinos (I) Der erste erfolgreiche Nachweis solarer Neutrinos gelang mit Hilfe der Reaktion: νe + Cl e + Ar Ethr = MeV Warum Cl? Großer Wirkungsquerschnitt, relativ niedrige Schwellenergie (aber keine pp-neutrinos), Chlor billig und in großen Mengen erhältlich. Man verwendet Perchloroäthylen (C 2 Cl 4 ), das als reine Flüssigkeit erhältlich ist; % aller natürlichen Chloratome sind 37 Cl. Der in der Homestake Mine verwendete Tank enthielt 615 Tonnen C 2 Cl 4, davon waren Atome von der Sorte 37 Cl.

41 Nachweis solarer Neutrinos (II) Ein 37 Ar-Atom pro Tag wird bei einer Neutrinorate von 5.35 SNU erzeugt. Das erzeugte 37 Ar zerfällt mit einer Halbwertszeit von 35 Tagen. Der Tank mit C 2 Cl 4 wird für 1-3 Monate der solaren Neutrinostrahlung ausgesetzt. Danach wird er mit einer Tankfüllung He gespült. Die Argonatome werden durch das durchgespülte He mit 95% Effizienz entfernt und werden nach verschiedenen Sieb- und Kühlungsprozessen isoliert. Man erwartet etwa 50 (!) 37 Ar-Atome bei Gültigkeit des Standard-modells. Mit Hilfe von Proportionalzählern werden die Argonzerfälle nachgewiesen; sorgfältig muß gegen Hintergrund- Zählereignisse unterschieden werden. Das Ergebnis vieler Runs: R = 2.05 ± 0.3 SNU, erwartet waren 7.9 SNU Neutrinoproblem!

44 Ergebnis des Chlor-Neutrino-Experiments:

45 Kamiokande Nachweisreaktion ν + e - ν + e - Vorteile: 1. Richtung der Neutrinos kann gemessen werden 2. Zeitauflösung Messung der Neutrinos von SN1987A

46 Kamiokande (II):

47 Kamiokande (III):

48 Kamiokande (IV):

50 Warum sind die Sonnenmodelle richtig? HELIOSEISMOLOGIE

51 Chladni sche Klangfiguren:

55 Schwingungsmoden der Sonne

57 Schwingungsmoden der Sonne l=1, m=1 l=36, m=24

58 L=3 M=0

59 L=3 M=3

Ähnliche Dokumente

1930: Krise in in der der Physik. Oh, Oh, daran denkt man man am am besten gar gar nicht, wie wie an an die die neuen Steuern

1930: Krise in in der der Physik Oh, Oh, daran denkt man man am am besten gar gar nicht, wie wie an an die die neuen Steuern 1930: Energie-Erhaltung im im Beta-Zerfall verletzt?? Alpha-Zerfall Beta-Zerfall