Endstadien der Sternentwicklung. Max Camenzind ZAH /LSW SS 2012

Transkript

1 Endstadien der Sternentwicklung Max Camenzind ZAH /LSW SS 2012

2 Übersicht M in < 8 Sonnenmassen Weiße Zwerge (>1 Mrd. in Galaxis, in Kugelsternhaufen) 8 < M in < 25 Sonnenmassen Neutronensterne (>100 Mio. in Galaxis) M in > 25 Sonnenmassen Schwarze Löcher (~ in Galaxis) Weiße Zwerge und Planetarische Nebel Struktur Weißer Zwerge, Masse-Radius Bez. Die Chandrasekhar Masse - Nobelpreis SN Ia über Akkretion auf Chandra WZ. Neutronensterne und Schwarze Löcher

3 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)

4 Zustandsdiagramm der Sterne Masse C/O Weißer Zwerg He WZ Core-Kollaps Fe/Ni Core NStern Schwarzes Loch Si-burn pre- MS Sonne heute Kovetz et al Stern-Entwicklung auf dem Computer

5 Leben der Sterne: M = 0,25-9 M Sonne Pop I Z = 0,01 Y = 0,28 Pop II Z = 0,001 Y = 0,24 Kovetz et al. 2008

6 Endphasen Sternentwicklung 0.08 < M < 8 8 < M < 25 M > 25 Sonnen Planetarische Supernova- SNR Nebel Überreste (SNR)

7 Brennphasen auf dem Weg zum Kompakten Objekt

8 M in < 8 Sonnenmassen

9 Der berühmteste WZ im Doppelstern Sirius A + B Von Bessel 1838 als Doppelstern postuliert; 1862 findet Alvan Clark den Begleiter Sirius B; Rätsel: sehr hell, aber sehr klein Zwerg!

10 Sirius A vs Sonne Sirius A: 2,1 Sonnenmassen T eff = K Spektraltyp A1 Radius = 1,7 x Sonne Alter: 238 Mio. Jahre (sehr junges System!)

11 Doppelsternsystem Sirius A + B

12 Ein planetarischer Nebel entsteht, wenn ein Stern wie unsere Sonne in seiner letzten Lebensphase seine äußere Hülle ins ISM abbläst und dieses Material dann durch die intensive Strahlung des Sterns zu leuchten beginnt. Dies macht sie mit zu den schönsten Objekten in der Milchstraße. Planetarischer Nebel / HST (Ringnebel M57) + Weißer Zwerg Etwa sind in unserer Milchstraße katalogisiert, geschätzt wird ihre Gesamtzahl auf etwa

13 Endphase: Planetarische Nebel + Weißer Zwerg Eskimo Nebel mit HST

14 Eskimo-Nebel von Herschel 1787 entdeckt Vergleich mit Amateuraufnahmen NGC2392 gehört zur Familie der hellen Mini-PNs. Mit 47 ~ Planet Jupiter. hohe Vergrößerungen sinnvoll und hohe Brennweiten zweckmäßig. Aufnahme mit 12 Zoll 1:4 Newton + Barlowlinse.

15 Spirograph Nebel / HST + Weißer Zwerg Typische Planetarische Nebel sind zu etwa 70 % Wasserstoff und 28 % Helium zusammengesetzt. Den restlichen Anteil bilden hauptsächlich Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff sowie Spuren anderer Elemente. Der Stern im Zentrum heizt durch seine Strahlung die Gase auf eine Temperatur von rund K auf.

16 Sanduhr-Nebel + Weißer Zwerg HST Aufnahme

17 Alte Weiße Zwerge mit HST

18 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.

19 Elektronen Atom- Kerne Kohlenstoff Elektronen Dx Dp > h Atome so dicht gepackt, dass sie sich überlappen Dichte: 2 t / cm³ Elektronen bewegen sich frei Druck (Fermi-Druck) gleicht Gravitation aus

20 Weiße Zwerge kühle Diamanten He 10-2 M S C / O Core Kristallgitter C/O Diamant T initial ~ 140 Mio K T crystal ~ 16 Mio K T Debye ~ 14 Mio K T heute ~ 10 Mio K Druck durch e - (Diamant) T < 6 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

21 10 Mrd. Weiße Zwerge in der Galaxis

22 Elektronenentartung

23 Modelle Weiße Zwerge

24

25 g = 1 + 1/n Polytropennäherung

26 Hydrostatisches Gleichgewicht ART (1939)

27 P = Kr G Struktur Weißer Zwerge

28 Chandrasekhar 1930

29 Masse Radius Beziehung

30 Weiße Zwerge: Masse Dichte Sequenz n=3 Polytrope Chandrasekhar Einstein Theorie Coulomb Korrekturen Beobachtete Mittlere Masse Numerische Lösung des Hydrostatischen Gleichgewichts

31 Weiße Zwerge: Masse Radius

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

33 Kataklysmische Systeme (CV) WZ + Akkretionsscheibe in Doppelsternen

34 Novae

35 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

36 SN Ia so hell wie Galaxie SN 1994d

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

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

39 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

40 Ersetze Elektronen durch Neutronen 1932 Chadwick entdeckt das Neutron (Fermion) Chandrasekhar Grenzmasse für Weiße Zwerge: erste dokumentiere Spekulation über kompakte Objekte, die selbst das Licht vollständig anziehen Lev Landau spekuliert über Neutronen: da Neutronen auch Fermi-Teilchen Sterne? 1933 Zwicky und Baade Bildung NSterne in Supernovae 1939 Tolman, Oppenheimer & Volkoff (Einstein) Struktur der Neutronensterne kann nur geometrisch im Rahmen von Raum und Zeit verstanden werden NSterne werden als Radiopulsare entdeckt Rotierender NStern mit Dipolmagnetosphäre; Pulsar im Krebsnebel 1970 NSterne werden als Röntgenpulsare entdeckt - Akkretierende NSterne in Doppelsternsystemen

41 Erfinder der NeutronenSterne Lev Landau 1930 es könnte NS geben Fritz Zwicky 1933 NS entstehen in Supernova

42 Atomkerne dicht gepackt Kruste der NSterne

43 Anatomie eines Neutronensterns Der typische Neutronen- Stern (1,4 M S ) im Querschnitt - hat ein komplexes Innenleben und feste Oberfläche mit T eff = Mio K - Radius (~10 km) = 2,5 x Schwarzschild Zentraldichte ~ 3 8 Kerndichte Neutronen- Flüssigkeit n p e µ 9 11 km Photon erleidet gravitative Rotversch. von 35%! Kruste 1-2 km aus schweren Kernen

44 Neutronen-Flüssigkeit 1-fache Kerndichte: Neutronen dicht gepackt wie in Atomkernen Flüssigkeit

45 Kaltes Quark-Gluon Plasma > 3-fache Kerndichte: Neutronen überlappen Quarks bewegen sich frei QG Plasma

46 Masse-Radius Beziehung 2 Lösungen: z = 0,35 ist gravitative Rotverschiebung - N Stern 1,7 M S - unwahrscheinlich - N Stern mit Quark-Core: 1,4 Sonnenmassen

47 Entdeckung der Pulsare 1967 Nobelpreis 1974 an Ryle & Hewish Tony Hewish and Jocelyn Bell Bonn, August 1980

48 Pulsare Leuchtturm historisch nicht erwartet!

49 Pulsar Diagramm B S T T T /s T 1 2 P T Camenzind 2007

50 Millisek-Pulsare 1 ms < P < 20 ms Normale Pulsare P > 20 ms Online Pulsar Katalog: Web-Seite ATNF Pulsar Camenzind 2007

51 Ein isoliertes Schwarzes Loch ist ein echtes Loch im Raum, Durch Horizont begrenzt Gravitation ist so stark, dass auch Photonen nicht entweichen Ausdehnung gleich Masse ~ 10 x Sonne

52 RaumZeit Sternkollaps Core eines massereichen Sterns kollabiert auf SL in ms

53 RaumZeit Sternkollaps Alle Unregelmässigkeiten, außer Masse und Drehimpuls, werden als GWellen abgestrahlt

54 Schwarze Löcher haben nur 2 Haare Schwarzschild (1916) {Masse M} Reissner-Nordstrom {M, Ladung Q} Kerr (1963) {Masse M, Spin a} Kerr-Newman {M,a,Ladung Q} X J.A. Wheeler 1967: Glatzen-Satz, No Hair

55 Die wahren Pioniere der SL Karl Schwarzschild 1916 Roy Kerr 1963

56 Die Kerr Lösung BL Koordinaten Horizont r = const Fläche D(r) = 0:

57 Anatomie eines Kerr Lochs Schwarzschild Ring- Singularität Vakuum Vakuum Alles mitrotieren R g = GM/c² = 1,5 km M/M S Quadrupolmoment Q = M a²

58 Schwarze Löcher ~ Seifenblasen erzeugen nur GWellen! 2 Horizonte verschmelzen

59 BH-BH Head-on Collision Simulation: CalTech-Cornell

60 Lichtablenkung Schwarzes Loch

61 Andromeda ohne Schwarzes Loch

62 Schwarzes Loch vor Andromeda Einstein Ring & Photonorbit

63 Glatzen-Ebene der SL Camenzind 2006

64 µquasare Remillard & McClintock 2006; Camenzind 2007 Objekt Bahn Periode Donor Stern Masse des BH Spin a GRS d K/M III 14 +/ V404 Cyg d K0 IV 12 +/- 2 - Cyg X d O9.7ab 8 +/ LMC X d Orosz08 O9 IIIa / / M33 X d Orosz07 O7 III / /-0.05 LMC X d B3 V 7.6 +/ GRO J d F3 IV 6.3 +/ XTEJ d B9 III 7.1 +/ IC 10 X h W He GX d B0 V > /-0.04 Suz XTEJ d G8 IV 9.6 +/ U d A2 V 9.4 +/ H d K3 V 6 +/- 2 - GS d K3 V 7.0 +/ GS d K3 V 7.5 +/ A d K4 V 11 +/- 2 - XTEJ d K4 V 3.8 +/ GRS d K7 V 5.2 +/ GROJ d M2 V 4 +/- 1 -

65 Blauer Überriese mit 70 Sonnenmassen bedeckt periodisch die Röntgenquelle Messier 33 Quelle X-7 : Periode: 3,45 d 2007 identifiziert 15,7 Sonnenmassen SL ~ wie Cyg X-1 System entwickelt sich zu DoppelSL-System Merging GW

66 Zusammenfassung Struktur der Weißen Zwerge ist geklärt, als Kosmochronometer eingesetzt. ~ 10 Mrd. WZ SNIa entstehen in Weißen Zwergen M~M C. Weiße Zwerge sind Endprodukt der Entwicklung massearmer Sterne (M < 8 Sonnenmassen). Bekannteste Weiße Zwerg: Sirius A (1,0 M S ). Kühle Weiße Zwerge sind Diamanten mit H- und He-Hülle. Massereiche Weiße Zwerge sind Vorgänger zu Supernovae Typ Ia. Spielen seit 1997 eine wichtige Rolle in Distanzmessung im expandierenden Universum.