Highlights der Astronomie. APOD vom : Aurora über Wisconsin Thema: Magnetfelder

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1 Highlights der Astronomie APOD vom : Aurora über Wisconsin Thema: Magnetfelder

2 Was ist zu sehen? großflächige Erscheinung am Himmel Farben des Spektrums Streifenstruktur hinter den Wolken, daher mindestens obere Atmosphäre oder Weltraum

3 weitere Auroren und über Quebec (9.11.) Aurora über Missouri (12.11.)

4 und noch mehr... nochmals Quebec (30.7.) und über Island, mit aktivem Vulkan Hekla (1991)

5 mehr zu Auroren immer farbig zeitlich veränderlich (Sekunden) Dauer: Stunden bis Tage Vorkommen: bevorzugt hohe Breiten (anderer Name: Nordlicht), manchmal auch bis 40 orangener Ring: vollständige Aurora Erscheinungsformen: unterschiedlich Häufigkeit: ungleichmäßig Ort: Atmosphäre in Höhen von 100 km oder mehr Korrelation mit solarer Aktivität

6 Ursprung und Mechanismus Auroren entstehen durch hochenergetische Teilchen, die aus der Magnetosphäre in die Atmosphäre eindringen dort kollidieren sie mit Molekülen der Atmosphäre, und regen diese dadurch an kehren die Moleküle in ihren Grundzustand zurück, senden sie Licht aus hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff Licht im sichtbaren Bereich, falls Elektronen (Standard) im UV, falls Protonen (selten) Filmchen: fuv_movie.mpeg

7 Die Magnetosphäre das bekannte irdische Magnetfeld (Kompass!) existiert nicht nur an der Oberfläche, sondern ragt weit über die Atmsophäre hinaus Gauß zeigte schon 1838, dass 95% des Feldes im Innern der Erde stecken muss in erster Näherung ein Dipolfeld, allerdings mit weiteren Multipolen entsteht im Wesentlichen durch elektrische Ströme im äußeren Erdkern (flüssig) im Detail unklare Wirkung von Rotation und Konvektion (Dynamo) Stärke (magnetische Flussdichte, magnetische Induktion) um 50,000 nt = 0.5 Gauss (1 T = 1 V s m 2 = 104 Gauss)

8 Magnetfeld der Erde Rotations und Magnetfeldachsen Simulation des Erdmagnetfeldes der Geodynamo Magnetfeld im Kern (gelb: innen)

9 Magnetfeld und interplanetarer Raum das Magnetfeld der Erde reicht in den interplanetaren Raum in der Ionosphäre geladene Teilchen dadurch kann ein zusätzliches externes Feld aufgebaut werden variabel, bis zu hunderten von nt (magnetischer Sturm) weiter außen treffen geladene Teilchen des Sonnenwindes auf das Feld und verformen es dadurch in Zeiten höherer Sonnenaktivität steigt Intensität und Geschwindigkeit des Sonnenwindes

10 van Allen Gürtel Strahlungsgürtel in km und km Höhe energiereiche kosmische Teilchen Protonen (dominieren im inneren Gürtel) und Elektronen (im äußeren) in Magnetfeld der Erde gefangen pendeln zwischen den Polen auf Spiralbahnen schützt uns vor schädlichem Bombardement wird verformt bei starkem Sonnenwind (Ausbrüchen)

11 Magnetfeld der Sonne Feld in der Korona (Yohkoh Satellit) 3d Feldlinien aufgrund einer Analyse der Oberflächenwerte Feld an der Oberfläche wie links, nur Blick von Seite

12 Sonnen Magnetfeld Im Gegensatz zur Erde nicht ein Nord/Südpol, sondern viele ersichtlich aus Beobachtungen des heißen Gases, das in diesen Loops (Bögen) gefangen ist und entlangströmt

13 Erzeugung des solaren Magnetfelds durch die Wechselwirkung des Magnet Dipolfeldes mit differentieller Rotation ergibt ein Aufwickeln der Magnetfeldlinien (Omega Effekt) und ein Verdrehen (Alpha Effekt) die Schleifen haben wegen magnetischem Druck weniger Dichte und steigen auf, resultieren in Sonnenflecken und vielen anderen Oberflächenphänomenen 11 Jahre Zyklus mit Umpolung; Grund noch weitgehend unbekannt

14 Messung des Magnetfeldes Zeeman Effekt: die Aufspaltung von Spektrallinien (atomare Energieniveaus) in einem äußeren Magnetfeld Bahndrehimpuls L, Aufspaltung in 2L+1 Niveaus (L=0: s, L=1: p, etc.) Effekt ~ B außerdem Polarisation, wodurch nur 2 der 3 Linien beobachtbar sein können

15 Sonnenflecken dunkle Flecken auf der Sonne klassische Indikatoren der Sonnenaktivität sind 1700 K kühler als Umgebung Magnetfeld bis zu 1000 mal stärker als Durchschnitt (5 Gauss) erscheinen paarweise (magn. N/S Pol) bis 700 km tiefer als Umgebung 1 Gauss = 10 4 Tesla

16 Magnetogramme...eines Sonnenflecks: Feld lininen kommen aus den schwarzen Bereichen aus der Oberfläche und verschwinden in ihr in den weißen... under ganzen Sonne mit viel und wenig Aktivität

17 Sonnenwind die meiste heiße (106 K), koronale Materie bleibt in den magnetischen Loops gefangen von Zeit zu Zeit (vor allem bei hoher Aktivität) reißen die Magnetfeldlinien auf, und die Materie kann von der Sonne abströmen diese Massenauswürfe ergeben insgesamt den Sonnenwind mit seinen Störungen koronaler Massenauswurf mit Geschwindigkeiten bis 7 Mio km/h coronal streamer

18 Magnetfelder in Sternen auch andere Sterne haben Magnetfelder viele besitzen aber ein stationäres Dipolfeld dazu zählen die Ap Sterne (bis 10 M ) magnetische Weiße Zwerge (105 Gauß) Neutronensterne (1012 Gauß) Ursprung 2 Theorien: Dynamo, im Stern selbst erzeugt eingefangene und verstärkte fossile Felder allerdings schwer, für die letzeren überhaupt eine stabile Konfiguration zu finden

19 3d Simulationen fanden kürzlich stabile Konfigurationen (Braithwaite und Spruit, MPI Astrophysik) Torus aus blauen Feldlinien hilft, den Dipol (rot) lange Zeit stabil zu halten

20 Veränderliche Sterne Sterne wie die Ap Sterne zeigen Helligkeitsveränderungen man nimmt an, dass diese im Prinzip auf dieselbe photosphärische Aktivität wie auf der Sonne zurück zu führen sind wegen der höheren Magnetfeldstärken sind aber mehr und größere Flecken zu erwarten, die bis über 50% der Stern Oberfläche bedecken können und mit der Rotation über unser Gesichtsfeld wandern dafür spricht die Tatsache, dass die Variabilität dieser Sterne mit der Rotationsgeschwindigkeit wächst (auch Effekt eines verstärkten Dynamo)

21 Pekuliäre Sterne Ap Sterne zeigen auch Variationen in den Elementen (normalerweise ist die Oberflächen Zusammensetzung von Sternen stabil und in etwa immer dieselbe) Erklärung: Wechselwirkung Magnetfeld und Sternwind Sternwind: Strahlungsdruck auf geladene Teilchen (unterschiedlich je nach Ladungszahl!) Magnetfeld: erschwert Abströmen, zwingt geladene Teilchen auf Spiralbahnen an den Magnetpolen: leichteres Abströmen gegen Äquator: Festhalten der Materie Ergebnis: asphärische Wolke um Sterne; sind Rotations und Magnetfeld Dipolachse nicht kollinear, ergeben sich Aspekt Effekte

22 Modell eines Ap Sternes an den Polen können insbesondere die schwereren Elemente (viele Absorptionslinien, gutes Ankoppeln an Strahlungsfeld) den Stern verlassen, der dort metallarm erscheint. Dagegen sammeln sich diese Elemente eher in der Äquatorebene, die metallreich (supersolar) wirkt.

23 Neutronensterne sind eine Endphase von Sternen, entstehen als Teil einer Supernova Explosion der ehemaligekern eines massereichen Sterns kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft durch die hohen Dichten (nukleare Dichten, etwa 1015 gm/cm3) werden die Elektronen aus dem Fermi See in die Protonen gedrückt, so dass fast nur noch Neutronen vorhanden sind (Neutronisation) Masse: 1 5 M, Radius: 30 km, also nur R einfache Annahme der Erhaltung der Magnetfeldenergie ergibt einen Faktor in der Magnetfeldstärke normales solares Magnetfeld würde die beobachtete Magnetfeldstärke eines Neutronensterns ergeben

24 Pulsare Pulsare wurden von Bell (1967) und Hewish (Nobelpreis) entdeckt senden extrem regelmäßige Radio signale aus Gangenauigkeit ns/tag wurden daher zunächst für Signale außerirdischer Zivilisationen ge halten sind aber tatsächlich Signale von schnell rotierenden Neutronensternen Bild zeigt den Crab Pulsar (SN 1054) mit wirbelnden Materiewolken

25 Pulsarmechanismus Elektronen werden im Magnetfeld stark beschleunigt: relativistisch beschreiben Spiralbahnen um Magnetfeldlinien entsteht Synchrotonstrahlung (bei thermischen Geschwindig keiten heißt sie Cyclotron Strahlung) Vorwärtsemission aus Pol Feldlinien im Radio, bei Crab und Vela auch im Sichtbaren, Röntgen,... da Neutronenstern rotiert, überstreicht der enge Lichtkegel den Beobachter einmal bei jeder Umdrehung Leuchtturmeffekt Pulsarperiode = Rotationsperiode

26 PSR von Joseph Taylor und Russell Hulse entdeckt ein Pulsar und ein Neutronenstern in einem Doppelsternsystem 8 Stunden Umlaufzeit wegen hoher Masse undgeringem Abstand allgemein relativistische Effekte Theorie sagt Abstrahlung von Gravitationswellen voraus, Verlust von Bahnenergie, schnellere Bahnperiode verändert auch Periastron Timing, bei dem Pulsar Signal doppler verschoben ist gemessen!... Nobelpreis 1993

27 Magnetfelder in Galaxien auch Galaxien als Ganzes weisen Magnetfelder auf werden gefunden durch Radiobeobachtungen wieder Synchroton Effekt und Polarisation Bewegungsrichtung der Elektronen plus Magnetfeldrichtung bestimmen Polarisation daraus Magnetfeldrichtung Intensität ist Maß für Magnetfeldstärke 6cm Radiokarte des Andromeda Nebels

28 Aktive Galaktische Kerne viele Galaxien haben im Kern ein Schwarzes Loch, das zu allerlei hochenergetischen Phänomenen führt z.b. zum Ausstoßen von relativistisch beschleunigten Elektronen und Protonen, sogenannten Jets da AGNs aber auch über großräumige Magnetfelder verfügen, die entlang des Materieausflusses konzentriert sind, bleiben die Jets auch über galaktische Distanzenhinweg kollimiert und können gut im Radiobereich beobachtet werden die Abbildungen zeigen die elliptische Galaxie M87 mit dem Jet im Optischen (HST) und Radio Bereich (NRAO)

29 Magnetare Neutronensterne mit 1015 Gauss Magnetfeld Ausbrüche (Soft Gamma Ray Repeaters und Anomalous X ray Pulsars): Magnetfeld rearrangiert sich (wie Sonne), dabei wird die Neutronensternkruste aufgebrochen und Energie freigesetzt ein Ausbruch in 20,000 LJ Entfernung führte zu Gamma Strahlen Schauern, die noch die irdische Ionosphäre beeinflussten APOD vom : Magnetare vor der IR Galaxis

30 Schlussfolgerung nicht nur die Erde hat ein Magnetfeld, das zu den schönen Polarlichtern führt auch andere Planeten, die Sonne, viele Sterne besitzen Magnetfelder ebenso Galaxien, Galaxienhaufen, vielleicht sogar das ganze Universum eigentlich überall, wo Plasmen existieren Entstehung und Stabilität oft unklar primordial oder durch Dynamo Effekte? Messung durch Zeeman Aufspaltung und Synchroton Strahlung

31 ... und das nächste Mal APOD vom : die kollidierenden Galaxien NGC 2207 und IC 2163 Wechselwirkende Galaxien und Galaxienentwicklung