Stern- und Planetenentstehung

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1 Stern- und Planetenentstehung Wilhelm Kley Institut für Astronomie & Astrophysik Abtlg. Computational Physics 27. Mai 2003 W. Kley

2 Stern/Planeten-Entstehung Einführung Elementerzeugung beim Urknall: Nur H 75% und 4 He 25% (sowie Spuren von 2 D, 3 He, 7 Li) Höhere Elemente (Metalle): Durch Kernfusion in Sternen Sterne kondensieren aus Gaswolken Im Vortrag: Orte der Sternentstehung - Molekülwolken, Globulen Bildungsprozess - Kollaps, Scheibe, Jets Planetenbildung - Kondensation W. Kley Tübingen, 27. Mai

3 Die Milchstraße I Sternbild: Sagittarius, Schütze Richtung: Milchstraßenzentrum (D. Palmer, 1996) W. Kley Tübingen, 27. Mai

4 Die Milchstraße II ( c Lund Observatory, 1940er) W. Kley Tübingen, 27. Mai

5 Die Galaxie M74 (NGC 628) Sternbild: Fische Abstand: 35 Mio. LJ. Rot: sichtbares Licht - ältere Sterne Blau/Weiß: UV Licht - jüngere Sterne Sternentstehung in Spiralarmen (UIT, 1992) W. Kley Tübingen, 27. Mai

6 Orientierung Blick nach Süden: Anfang Januar gegen 21:00 Uhr Im Zentrum: Plejaden (M45) Links unten: Orion Dazwischen: Stier (Taurus) In rot: Himmelsäquator W. Kley Tübingen, 27. Mai

7 Die Plejaden I W. Kley Tübingen, 27. Mai

8 Die Plejaden IIa W. Kley Tübingen, 27. Mai

9 Die Plejaden IIb Kagaya: The Plejades Digital Painting Gallery (Japan) (Kagaya, 2000) W. Kley Tübingen, 27. Mai

10 Die Plejaden IIc Max Ernst: Die nahe Pubertät oder Die Plejaden Text: Die nahe Pubertät hat die Anmut unserer Plejaden noch nicht fortgenommen. Der Blick unserer Augen voller Schatten ist gerichtet auf den Stein, der fallen wird. Die Gravitationswellen existieren nicht mehr. (M. Ernst, 1921) W. Kley Tübingen, 27. Mai

11 Die Plejaden IIIa Röntgenbild: ROSAT (MPE) : Siebengestirn (Th. Preibisch, 1996) W. Kley Tübingen, 27. Mai

12 Die Plejaden IIIb Zweifarben-Diagramm oder Hertzsprung-Russell Diagramm (HRD) V: Visuell B: Blau Farben: Maß für Temperatur Sterne auf Band: Hauptreihe Obere Isochrone: 100 Mio. Jahre (Yi, et al., 2001) W. Kley Tübingen, 27. Mai

13 Prinzip Voraussetzung: Gebiet erhöhter Dichte Gravitationskraft > Druck Kollaps Jeans-Kriterium (1902) Dichtewelle in Spiralgalaxie: - Molekülwolke mit ausreichend Gas und Staub - Gravitationskraft: Kontraktion - Staub/Moleküle: Strahlungskühlung Wolke in Nähe von massereichen Sternen: - Kompression durch Strahlungsdruck - Kollaps durch Eigengravitation Zusammenstoß von Galaxien in Frühphase des Universums: - Kompression/Verdichtung von Gas - Kollaps durch Eigengravitation W. Kley Tübingen, 27. Mai

14 Molekülwolken Masse: Gesamt: 10 5 bis 10 6 Sonnenmassen (M ) In Klumpen: 10 3 bis 10 4 M junge Sternhaufen Ausdehnung: LJ. Temperatur/Dichte: K, 1000 Atome/cm 3 Moleküle (organische und anorganische): u.a. H 2 (molekular Wasserstoff), CO (Kohlenmonoxyd), NH 3 (Ammoniak), H 2 CO (Formaldehyd), HC 3 N (Azetylcyan) Staub (etwa 1%): u.a. Silikate, Kohlenstoffhaltige Mineralien Bok-Globulen: Klein/isoliert: LJ., M, 10 5 in Milchstraße W. Kley Tübingen, 27. Mai

15 Die Dunkelwolke Barnard 68 W. Kley Tübingen, 27. Mai

16 Die Dunkelwolke Barnard 68 W. Kley Tübingen, 27. Mai

17 Simulation eines Kollaps Masse: 50 M Durchmesser: 1.2 LJ = 76,000 AE Temperatur: 10 K (M. Bate, 2002) W. Kley Tübingen, 27. Mai

18 Der Rosetten-Nebel Junger Sternhaufen Reflexionsnebel Sternbild: Einhorn Durchmesser: 5 Vollmonde Abstand: 3000 LJ. Masse: 10,000 M Alter: 8 Mio. Jahre (T.A. Rector et al., 2000) W. Kley Tübingen, 27. Mai

19 Im Adlernebel: M16 Junger Sternhaufen Reflexionsnebel Sternbild: Schlange Durchmesser: 1 Vollmond Abstand: 6500 LJ. Masse: ca. 100 Sterne Alter: 6 Mio. Jahre (HST, 1995) W. Kley Tübingen, 27. Mai

20 Im Adlernebel: M16, Detail W. Kley Tübingen, 27. Mai

21 Sterne aus Globulen I UV Strahlung von nahen, heißen Sternen verdampft die Oberfläche der Wolke. Dichtere Globulen werden freigelegt. W. Kley Tübingen, 27. Mai

22 Sterne aus Globulen II Der Schatten der Globule schützt dahinter liegende Bereiche. Der Protostern bildet sich an der Spitze der Globule. W. Kley Tübingen, 27. Mai

23 Scheiben um junge Sterne (HST) Im Trapez-Haufen Sternbild: Orion Abstand: 1300 LJ. Masse: ca Sterne Alter: um 1 Mio. Jahre W. Kley Tübingen, 27. Mai

24 Scheiben um junge Sterne (HST) W. Kley Tübingen, 27. Mai

25 Jets I W. Kley Tübingen, 27. Mai

26 Jets II Ursprung: Stern, innere Scheibe Länge: Lichtjahre Geschwindigkeit: 800,000 km/std Bündelung: Magnetfelder Bugstoßwelle: Wechselwirkung mit Interstellarem Medium Knoten W. Kley Tübingen, 27. Mai

27 Überblick I Dunkle Molekülwolkenkerne Gravitations-Kollaps 1 pc AE (nach Hogerheijde, 2001) t = 0 J. J. Eingebetteter Protostern, T Tauri Stern, Akkretions-Scheibe, Ausstrom Akkretions-Scheibe, Ausstrom W. Kley Tübingen, 27. Mai

28 1 pc AE Überblick II t = 0 J. Eingebetteter Protostern, Akkretionsscheibe, Ausstrom T Tauri Stern, Akkretionsscheibe, Ausstrom Huelle ~ 8000 AE Akkretions-Scheibe ~ 80 AE 100 AE (Hogerheijde, 2001) t J. t J. W. Kley Tübingen, 27. Mai

29 Vorhauptreihen-Stern, Scheibenentwicklung Überblick III Hauptreihen-Stern, Planetensystem 100 AE 50 AE (Hogerheijde, 2001) t J. t > 10 7 J. W. Kley Tübingen, 27. Mai

30 Stern/Planeten-Entstehung T Tauri Stern W. Kley Tübingen, 27. Mai

31 Planetenentstehung Zur Kosmogonie Die Kosmogonie ist nämlich von jeher der Tummelplatz von Menschen gewesen, die zwar phantasiebegabt sind, denen aber die wissenschaftliche Bildung gänzlich mangelt, und die aus diesem Grunde nicht beurteilen können, ob ihre Ideen mit den Gesetzen der Mechanik und den Beobachtungstatsachen übereinstimmen. (Karl Schwarzschild, ) W. Kley Tübingen, 27. Mai

32 Planetenentstehung Das Sonnensystem I W. Kley Tübingen, 27. Mai

33 Planetenentstehung Das Sonnensystem II 8 Planeten: Merkur bis Neptun koplanare, kreisförmige, gleichförmige Orbits prograde Rotation (mit Ausnahmen) 99% der Masse in Sonne 99% des Drehimpulses in Planeten Alter ca. 4.5 Mia. Jahre Gleichzeitige Entstehung von Sonne und Planeten Kant-Laplace-Nebularhypothese W. Kley Tübingen, 27. Mai

34 Planetenentstehung Innere Planeten Protostern Gas Staub Scheibe Äquator hilf Wachstum: Staub Planeten (µm 1000km) Massenwachstum um 35 Größenordnungen Bildung durch Hierarchie von Kollisionen In Scheibe: Gravitative Sedimentation Teilchen Mittelebene Nicht gravitatives Haften: Staub (µm) Felsbrocken (km) Gravitationsanziehung: Mondgröße (in 10 5 Jahren) Inelastische Kollisionen: Erdgröße (10 7 bis 10 8 Jahre) W. Kley Tübingen, 27. Mai

35 Planetenentstehung Äußere Planeten Beobachtungen durch Satelliten: Kern von etwa 5-15 Erdmassen Zwei Entstehungs-Szenarien: Kern-Instabiltäts-Modell: - Zunächst wie terrestrische Planeten Embryos 10 M Erde - Schnelle Gas-Akkretion Jupiter-Masse (in 10 5 Jahren) - Verdampfen der Scheibe Ende des Wachstums Gravitations-Instabilität: - Direkte Kondensation aus protoplanetarer Scheibe - Nur bei sehr massereicher Scheibe ( 0.1 M ) W. Kley Tübingen, 27. Mai

36 Planetenentstehung Planet-Scheibe-Modell Hydrodynamik: M p = 1 M Jup, a p = 5.2 AE (W. Kley, 2001) W. Kley Tübingen, 27. Mai

37 Planetenentstehung Planet-Scheibe-Modell Hydrodynamisches Scheiben-Modell Oberflächendichte nach 200 Orbits stationärer Zustand m p = 1 M Jup a p = 5.2 AE (W. Kley, 2001) W. Kley Tübingen, 27. Mai

38 Planetenentstehung Strömungsfeld Oberflächendichte nach 200 Orbits Blauer Punkt: Planet Blaue Linie: Roche-Radius (W. Kley, 2000) W. Kley Tübingen, 27. Mai

39 Planetenentstehung Gravitativer Kollaps Hydrodynamik: M Star = 1 M, M Disk = 0.1 M (L. Mayer, 2002) W. Kley Tübingen, 27. Mai

40 Stern/Planeten-Entstehung Zusammenfassung (MPIA, 1997) W. Kley Tübingen, 27. Mai

41 Stern/Planeten-Entstehung End The End W. Kley Tübingen, 27. Mai