Das Interstellare Medium Der Stoff zwischen den Sternen

Transkript

1 Das Interstellare Medium Der Stoff zwischen den Sternen

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5 Lord of the Rings

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7 Sonne Roter Überriese

8 Nördliche Hemisphäre

9 Nördliche Hemisphäre Südliche Hemisphäre

10

11 Die 150 nächsten Sterne 60 Lichtjahre

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13 NGC 4565

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15

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17 Der Pfeifenkopfnebel

18 Reflexionsnebel Plejaden Witchhead Nebula Zoom in die Plejaden

19 Sichtbares Licht

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21 Erdatmosphäre 1cm 1cm cm

22 Interstellares Gas 1cm 1cm 1 1cm

23 Aufbau des ISM 70% der Materie ist H Der Rest ist größtenteils He 3 verschiedene Zustände von H: H H I H II 2

24 Die Milchstrasse

25 Relativistische Elektronen Die Milchstrasse

26 Neutrales Gas Die Milchstrasse

27 Kaltes Sterne bildendes Gas Die Milchstrasse

28 Staubkörner Die Milchstrasse

29 Die Milchstrasse Sterne

30 Die Milchstrasse Dunkle Staubfilamente

31 Die Milchstrasse Sterne und heißes Gas

32 Die Milchstrasse Zerfall von Pionen

33 Der atomare Wasserstoff und die 21 cm Linie Aufgrund der geringen Dichte im ISM haben die Teilchen eine große mittlere freie Weglänge: λ = n σ n / cm H c H 3 cm Stoßquerschnitt : σ 10 cm c 15 2

34 Die typische Geschwindigkeit v der Teilchen ist: 3 m v 2 H = k T B 2 T = 10 K v = 0.2 km / s 4 T = 10 K v = 7.6 km / s v v 200 km / s Da rot befindet sich HI in einer dünnen Scheibe in der Milchstraße. Die Stoßzeitskala: 1/ 2 1 1/ 2 λ 3mH 1 3 n H T c ( H c ) 3 v 2kBT cm K τ = = n σ = Jahre 3 Β ei T = 100 Κ und nh = 1cm findet 1 Stoß im Mittel alle 500 Jahren statt.

35 Kinetische Energie des HI-Atoms: T = 100 K J K Ekin = kbt = T = J 19 1eV = J Beim Stoß steht eine Energie von 0.01 ev zur Verfügung Die Anregungsenergie von H beträgt jedoch 10eV. Nahezu alle H-Atome sind im Grundzustand.

36 21 cm Srahlung wird erzeugt, wenn sich der Spin des Elektrons, relativ zum Proton im Atomkern umdreht (verbotene Hyperfeinstruktur) Emission p e p e Drehimpuls: F = 1 F = 0 Statistisches Gewicht: g = 3 g = 1 + γ 6 (6 10 ev) ν = (30) GHz λ = cm Verbotener Übergang: Lebensdauer des angeregten Zustands = 11 Million Jahre. Auf der Erde hat selbst das beste Vakuum Gasdichten, die so hoch sind, dass alle Atome durch Stöße abgeregt werden, bevor sie 21 cm Strahlung emittieren. Im ISM sind die Stoßzeitskalen jedoch lang genug, dass viele H Atome 21 cm Strahlung emittieren. Beachte: Obwohl das H-Atom im ISM sehr häufig ist führt die Tatsache, dass die 21 cm Emission nur selten stattfindet dazu, dass diese Linie optisch dünn bleibt.

37 Dame et al v r Dame et al galaktische Länge l

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39 Zusammenfassung der Beobachtungen Das HI kommt in 2 Phasen vor: 50% warme Phase: 50% kalte Phase: T 8000 Κ n 0.25 cm 3 T 100 Κ n 25 cm 3 Warme und kalte HI-Strukturen sind häufig geklumpt Wolken Man findet auch HI bei großen gal. Breiten, das mit km/s in die Scheibe fällt: sog. high-velocity clouds.

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41 Heizungs- und Kühlungsprozesse im ISM Heizung beginnt mit der Ablösung eines freien Elektrons von einem interstellaren Teilchen (z.b. Gasatom, Molekül oder Staubkorn) durch energiereiche Teilchen oder Photonen. Photon Elektron Thermalisierung durch elastische Stöße Thermalisierungszeitskala: τ 500 Jahre Heizrate: Γ n n n PE γ H H lineare Abhängigkeit n Staub n H

42 Kühlung erfolgt durch elastische Streuung zwischen einem leichten Teilchen (H,p,e,...) und einem schweren Teilchen geringere Geschwindigkeit nach dem Stoß Thermalisierung durch elastische Stöße Abstrahlung Kühlrate: Λ n n n 2 H C H

43 Kühlung erfolgt durch elastische Streuung zwischen einem leichten Teilchen (H,p,e,...) und einem schweren Teilchen geringere Geschwindigkeit nach dem Stoß Thermalisierung durch elastische Stöße Abstrahlung Heizungsrate: Kühlrate: Γ : Energiegewinn pro Volumen und Zeit Λ : Energieverlust pro Volumen und Zeit Thermisches Gleichgewicht: Γ = Λ

44 T = K 2 6 n cm 3

45 Die Kühlungsinstabilität Kühlrate: 2 Λ n H Heizrate: Γ n H

46 CO, 2.64 mm M 300 LJ M H 2 Infrarot CO

47 Das Orion-Sternentstehungsgebiet Orion Nebel

48 Sichtbar Infrarot 2.5 LJ

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50 HST

51 Im Orion-Nebel

52 Radius: 1km Masse: 40,000 t

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54 Radius : 0.1µ m

55 Radius : 0.1µ m Gravitationskraft: F GM R G 2 2 Druckkraft pro Volumen: F P R ρt R P 2 2 M T R

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57 Der Adlernebel

58 Matthias Gritschneder

59

60 Die Supernova-Explosion von 1054 AD

61 Der chemische Zyklus Supernovae ISM, heiß und ionisiert Sternentstehung Kühlung und Kondensation in Molekülwolken Die Chemie des Menschen (H,C,N,O) entspricht den Abfallprodukten explodierender Sterne (Sternenstaub).