Typ Ia Supernovae und Kosmologie

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1 Regionale Uni Würzburg, 9. Oktober 2013 Typ Ia Supernovae und Kosmologie Julius-Maximilians-Universität Würzburg

2 Wie beschreibt man das Universum? Wie ist das Universum entstanden? Woraus besteht das Universum? Wie sind seine Bestandteile angeordnet? Wie entwickelt es sich, wie hat es sich entwickelt und wie wird es sich zukünftig weiterentwickeln? (Foto: A. Bolaños)

3 Kosmologisches Weltbild des Aristoteles Aristoteles: Περί ουρανού ( Über den Himmel, um 350 v. Chr.) imperfekte Erde im Zentrum des Universums darüber perfekte Himmelskörper, die die Erde in Sphären umkreisen Sphäre der Fixsterne unveränderlich (Peter Apian, Cosmographia, Antwerpen 1539)

4 Die Supernova von : neuer Stern im Sternbild Cassiopeia

5 Tycho Brahe ( )

6 Entfernungsmessung: Parallaxe R. Pogge, Ohio State University

7 Tycho Brahe: De Nova et nullius ævi memoria prius visa Stella (1573) SN 1572: Objekt ohne Parallaxe (Tycho Brahe), das also zur Sphäre der Fixsterne gehört, kann sich verändern! Widerspruch zum Aristotelischen Axiom der Unveränderlichkeit des Himmels. 1. Revolution des kosmologischen Weltbildes

8 Was beobachten wir? (Animation: Supernova Cosmology Project)

9 5 spektrale Wasserstoff Helium Schwefel Silizium Eisen Klassifizierung 4 Abbildung: Dan Kasen Klassifizierung von Supernovae Relativer Fluss Typ Ia 3 Typ Ic 2 Typ Ib 1 Typ II Wellenlänge (Å)

10 Häufigkeiten von Supernovae etwa 1 2 Supernovae pro Jahrhundert pro Spiralgalaxie aber etwa 10 pro Minute im Universum! Ia 24% Ibc 19% II 57%

11 Typ Ia Supernova SN 1994D

12 SN Ia als Abstandsindikatoren extrem hell in großen Entfernungen beobachtbar häufig fast uniforme max. Helligkeit Leuchttürme im Universum

13 SN Ia Kosmologie gleiches Objekt erscheint bei größerer Entfernung dunkler (Leuchtkraftentfernung) sehr weit entfernte Supernovae sogar dunkler als bei linearer Expansion des Universums erwartet beschleunigte Expansion 2. Revolution des kosmologischen Weltbildes

14 Nobelpreis für Physik 2011 "for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae" Saul Perlmutter Brian Schmidt Adam Riess

15 Expansion des Universums Messung des Abstands zu entfernten Objekten Messung ihrer Fluchtgeschwindigkeit (aus Rotverschiebung) Geschwindigkeit (km/s) Rotverschiebung mittl. Abstand zwischen Galaxien Edwin Hubble, 1929 Objekte erscheinen dunkler Entfernung (Mpc) Alter des Universums

16 Mittlerer Abstand zwischen Galaxien Rotverschiebung Das Schicksal des Universums ΩM = 0 ΩM < 1 offen Das Universum kann nicht nur aus normaler Materie ΩM > 1 und Energie bestehen. Diese wirken gravitativ anziehend geschlossen und können die beschleunigte Expansion nicht erklären! ΩM = 1 Es muß eine zusätzliche Komponente im Universum geben Milliarden Jahre heute Zeit dunkler (Foto: A. Bolaños)

17 Woraus besteht das Universum? 4% Atome 22% Dunkle Materie 74% Dunkle Energie Typ Ia supernovae können helfen zu bestimmen, worum es sich bei Dunkler Energie handelt

18 SN Ia Kosmologie Helligkeit Standardkerzen? Zeit (Tage) kalibrierbar! systematische Fehler? Evolutionseffekte?

19 Catastrophysics

20 Was ist eine Typ Ia Supernova? Energiefreisetzung: ~1051 erg Energiequelle: Kollaps zu Neutronenstern? Freisetzung gravitativer Bindungsenergie: 2 3 GM Ugrav =» 1053 erg 5 10 km ausreichend für Supernova...aber kein kompaktes Objekt in SNe Ia Überresten gefunden!

21 Was ist eine Typ Ia Supernova? Energiefreisetzung: ~1051 erg Energiequelle: nukleare Energie kein H, He in SNe Ia Spektren explodierender Stern: C+O WD Energiefreisetzung durch thermonukleares Brennen von C+O Material zu Eisengruppenelementen (56Ni) ~ 1051 erg radioaktiver Zerfall von 56Ni zu 56Fe führt zu optisch hellem Ereignis Typ Ia Supernovae produzieren etwa 2/3 des Eisens im Universum!

22 5 astronomische Wasserstoff Helium Schwefel Silizium Eisen Klassifizierung nach Spektral- 4 eigenschaften Abbildung: Dan Kasen Klassifizierung von Supernovae Relativer Fluss Typ Ia 3 Typ Ic 2 Typ Ib 1 Typ II Wellenlänge (Å)

23 5 Thermonuklear physikalische Wasserstoff Helium Schwefel Silizium Eisen Klassifizierung nach Energiequelle 4 Abbildung: Dan Kasen Klassifizierung von Supernovae Relativer Fluß Typ Ia Gravitationskollaps 3 Typ Ic 2 Typ Ib 1 Typ II Wellenlänge (Å)

24 Was ist ein Weißer Zwergstern? stabilisiert durch Elektronen-Entartung (Quantenphysikalischer Effekt) Konsequenz des Pauli-Prinzips extrem hohe Dichte Hauptreihenstern IK Pegasi A (vgl. Sonne) Weißer Zwergstern IK Pegasi B Stabilisierung bis maximal zur Chandrasekhar-Masse (1.4 Sonnenmassen)

25 Wie kann ein Weißer Zwergstern explodieren? nur in stellarem Binärsystem möglich

26 Mehrdimensionale Simulationen...benötigen Supercomputer RZ Garching Oak Ridge Nat'l Lab MareNostrum (Barcelona) FZ Jülich

27 Verzögerte Detonationen

28 Verzögerte Detonationen Vergleich mit normaler Supernova SN 2003du (Kasen, FR & Woosley, Nature 2009)

29 Wie kann ein Weißer Zwergstern explodieren? nur in stellarem Binärsystem möglich

30 Verschmelzung zweier Weißer Zwerge Lichtkurven Spektrum

31 SN Ia Kosmologie Dark Energy dominiert heutiges Universum...worum handelt es sich dabei? Einschränkungen an die Zusandsgleichung mit SNe Ia Leuchtkraftentfernung modellunabhängige Rekonstruktion von H(z) (Benitez+, 2011)

32 Zusammenfassung und Ausblick Offene Fragen Wie genau läuft eine Typ Ia Supernovaexplosion ab? Was sind die Vorläufersysteme? Kann ein besseres Verständnis der Explosionsphysik die kosmologischen Entfernungsmessungen präzisieren? Was ist Dunkle Energie? (Foto: A. Bolaños)

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