Einfuehrung in die Astron. & Astrophysik I

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1 Einfuehrung in die Astron. & Astrophysik I Wintersemester 2009/2010: Henrik Beuther & Christian Fendt Einfuehrung: Ueberblick und Geschichte (H.B.) Grundlagen: Koordinatensys., Sternpositionen, Erde/Mond (C.F.) Grundlagen: Teleskope und Instrumentierung (H.B.) Grundlagen: Strahlung, Strahlungstransport (C.F.) Planetensystem(e) und Keplergesetze (H.B.) Sonne & Sterne, Typen, Klassifikationen, HR-Diagramm (C.F.) Sternaufbau und Sternentwicklung (C.F.) Sternentstehung, Akkretionsscheiben und Jets (H.B.) Kompakte Objekte: Schwarze Loecher, Neutronensterne, W. Zw. (C.F.) Interstellare Materie: Chemie und Materiekreislauf (H.B.) und Mehrfachsysteme und Sternhaufen, Dynamik (C.F.) Exoplaneten und Astrobiologie (H.B.) Die Milchstrasse (H.B.) Zusammenfassung (C.F. & H.B.) Pruefung (C.F. & H.B.) beuther@mpia.de, fendt@mpia.de

2 Themen heute 10.1 Die Hauptelemente des ISM 10.2 Grundlegendes ueber Molekuele im All 10.3 Physikalische Verteilungen im ISM 10.4 Heiz- und Kuehlprozesse 10.5 Staub

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4 Historische Modelle des ISM (I) 1.) Einfaches 2-Phasen Model (Field et al. 1969) Idee: Gleichgewicht: Heizrate Γ(n,T ) = Kuehlrate Λ(n,T ) Daraus folgt Beziehung zwischen Dichte n und Temperatur T (des Gases), also eine Zustandsgleichung Druckgleichgewicht zwischen Phasen erlaubt unterschiedliche Kombinationen (ideales Gas: p = nkt). Allerdings sind nur gewisse Kombinationen thermisch stabil abhaenging von Verhalten mit Dichte von Γ(n,T ) von Λ(n,T ). 2 Phasen: a.) n < 0.3 cm -3, T K (thin, warm, ionised) b.) n 50 cm -3, T K (dense, cold, neutral) Aber: Kosmische Strahlung reicht nicht zum Heizen auf K. Ionisationsrate von s -1 notwendig, aber nur s -1 beobachtet (Copernicus UV Satellit). Auch wurde warmes Zwischenwolkengas so nicht beobachtet.

5 Historische Modelle des ISM (II) 2.) 3-Phasen Model (McKee & Ostriker 1977) Beinhaltet heisse Komponente und Supernova Explosionen. Dynamischer und gekoppelt an Entstehung und Ende massereicher Sterne.

6 Historische Modelle des ISM (III) 2.) 3-Phase Model (McKee & Ostriker 1977) Limitationen des Originalmodels: - SN Raten und Leuchtkraefte ueberschaetzt. - Kerne nicht rund sondern oftmals filamentartig. - Beobachtungen sprechen fuer grossen Teil gleichmaessig verteiltes warmes HI Gas. Allgemeine Kommentare: - Model nimmt immer noch Druckgleichgewicht an zwischen Phasen. - Eine wichtige Phase fehlt MOLEKUELWOLKEN (T ~ 10K, n > 300 cm -3 ) Phasenuebergaenge sind moeglich (z.b. durch Heiz- und Kuehlprozesse) Diffuse Wolken Molekuelwolken Sterne

7 Ueberblick ueber die Komponenten Phase n [cm -3 ] T [K] ƒ M [10 9 M ] Hot ionised medium Warm neutral medium Warm ionised medium Diffuse HI clouds Molecular clouds > HII regions ƒ als Volumenfuellfaktor der Galaktischen Scheibe

8 Ueberblick ueber die Komponenten Phase n [cm -3 ] T [K] ƒ M [10 9 M ] Hot ionised medium Warm neutral medium Warm ionised medium Diffuse HI clouds Molecular clouds > HII regions ƒ als Volumenfuellfaktor der Galaktischen Scheibe

9 Der kosmische Zyklus

10 Themen heute 10.1 Die Hauptelemente des ISM 10.2 Grundlegendes ueber Molekuele im All 10.3 Physikalische Verteilungen im ISM 10.4 Heiz- und Kuehlprozesse 10.5 Staub

11 Basics I Neutrales und ionisiertes Meium Sterne entstehen in dichten Kernen aus Gas und Staub Die wichtigsten astrophysikalischen Untersuchungsmethoden: Spektrallinien der unterschiedlichen Molekuele Absorbtion und Emission von thermischen Staub

12 Basics II - Hohe Staubsaeulendichten absorbieren optische und UV Strahlung in Kernen. wichtig, dass Moelkuele ueberhaupt entstehen und ueberleben koennen. - Geschichte: 30ger Jahre: CH, CH + und CN werden in diffusen Wolken ueber Absorbtionsspektren gegen Hintergrundsterne gemessen 60ger: OH, NH 3 und H 2 O werden bei Radiowellenlaengen entdeckt. - Entstehung von Moelkuelen Energieproblem. 2 Atome mit positiver Gesamtenergie naehern sich. Wuerden sich also auch wieder abstossen, falls Energie nicht anderweitig abgegeben werden koennte Moeglichkeiten: - Kollision mit drittem Atom, dass Energien aufnimmt unwahrscheinlich bei den geringen Dichten - Bildung des Molekuels in angeregtem Zustand, dann Abstrahlung. Ebenso geringe Wahrscheinlichkeit fuer solche Strahlungsprozesse. - Ionen-Molekuel or Ionen-Atom Reaktionen koennen Energieproblem loesen. - Neutral-neutral Reaktionen auf Stauboberflaechen als Katalysator wichtig.

13 Basics III Ionen induzieren Dipolmoment in Atomen oder Molekuelen, die dann eine Elektrostatische Anziehung zwischen beiden bewirkt Effektiver Wirkungsquesrschnitt wird erhoeht gegenueber dem geometrischen. Schon bei geringen T koennen solche Reaktionen fuer einen grossen Anteil and interstellaren Molekuelen verantworlich sein. Aber es sich nicht genuegend Ionen vorhanden um H 2 Hauefigkeiten zu erklaeren Stauboberflaechenchemie wichtig! Einfache Molekuele wie CO oder CS lassen sich mit Ionen-Molekuelchemie erklaeren. Fuer komplexere Molekuele wiederum Gasoberflaechenchemie. Keine groesseren anorganischen Spezies als NH 3. Dafuer gibt es grosse Kohelnestoffketten Kohlenstoffverbing sehr wichtig! CO haeufigstes Molekuel nach H 2. Meiste Information ueber Molekuelwolken aus CO Beobachtungen +

14 Molekuele im All atoms H2 C3 c-c3h C5 C5H C6H CH3C3N CH3C4H CH3C5N? HC9N CH3OC2H5 HC11N AlF C2H l-c3h C4H l-h2c4 CH2CHCN HCOOCH3 CH3CH2CN (CH3)2CO AlCl C2O C3N C4Si C2H4 CH3C2H CH3COOH? (CH3)2O NH2CH2COOH? C2 C2S C3O l-c3h2 CH3CN HC5N C7H CH3CH2OH CH3CH2CHO CH CH2 C3S c-c3h2 CH3NC HCOCH3 H2C6 HC7N CH+ HCN C2H2 CH2CN CH3OH NH2CH3 CH2OHCHO C8H CN HCO CH2D+? CH4 CH3SH c-c2h4o CH2CHCHO CO HCO+ HCCN HC3N HC3NH+ CH2CHOH CO+ HCS+ HCNH+ HC2NC HC2CHO CP HOC+ HNCO HCOOH NH2CHO CSi H2O HNCS H2CHN C5N HCl H2S HOCO+ H2C2O HC4N KCl HNC H2CO H2NCN NH HNO H2CN HNC3 NO MgCN H2CS SiH4 NS MgNC H3O+ H2COH+ NaCl N2H+ NH3 OH N2O SiC3 PN NaCN C4 SO OCS SO+ SO2 SiN c-sic2 SiO CO2 SiS NH2 CS H3+ HF SiCN SH AlNC FeO(?) SiNC Ueber 150 detektierte interstellare Molekuele (April 2009) ( 36 (+2 tentative) Molekueldetektionen in extragalaktischen Systemen.

15 Ein paar besonders wichtige Molekuele Mol. Trans. Abund. Crit. Dens. Comments [cm -3 ] H S(1) 1 8x10 7 Shock tracer CO J=1-0 8x10-5 3x10 3 Low-density probe OH 2 Π 3/2 ;J=3/2 3x10-7 1x10 0 Magnetic field probe (Zeeman) NH 3 J,K=1,1 2x10-8 2x10 4 Temperature probe CS J=2-1 1x10-8 4x10 5 High-density probe SiO J=2-1 6x10 5 Outflow shock tracer H 2 O x10 3 Maser H 2 O <7x10-8 2x10 7 Warm gas probe CH 3 OH 7-6 1x10-7 1x10 5 Dense gas/temperature probe CH 3 CN x10-8 2x10 7 Temperature probe in Hot Cores

16 Molekularer Wasserstoff (H 2 ) - H 2 besteht aus 2 identischen Atomen kein Dipolmoment und rotationsangeregtes H 2 muss ueber energetisch hoehere Quadrupoluebergaenge mit T>500K strahlen kalte Wolken muessen anderweitig beobachtet werden z.b. CO - H 2 kann in heissem Gas detektiert werden. Rotationsenergie: Klassische Mechanik: E rot = J 2 /2I (J: Drehimpuls; I: Traegheitsmoment) Quantenmechanik:: E rot = h 2 /2I x J(J+1) = BhI x J(J+1) (J: Rotationsquantenzahl; B: Rotationskonstante) - Kleines Traegheitsmoment Grosser Abstand der Energielevel Erlaubte Uebergaenge ΔJ = 2 niedrigster Rotationsuebergang J=2-0 hat Energiedifferenz 510 K

17 Kohlenmonoxid (CO) - Entsteht ueber Gasphasenreaktionen. - Starke Bindungsenergie (11.1 ev) verhindert schnelle Zerstoerung (self-shielding). - Permanentes Dipolmoment starke Emission bei (sub)mm Wellenlaengen. - Groesseres Traegheitsmoment als H 2. engere Rotationsleiter, J=1 Level bei 4.8x10-4 ev oder 5.5K - In Molekuelwolken Anregung hauptsaechlich ueber Stoesse mit H 2. - Kritische Dichte fuer thermodynamisches Gleichgewicht mit H 2 n crit = A/γ ~ 3x10 3 cm -3. (A: Einstein A coefficient; γ: Kollisionsrate mit H 2 ) - Levelverteilung folgt Boltzmann: n J+1 /n J = g J+1 /g J exp(-δe/k B T ex ) (fuer CO, statistische Gewichte g J = 2J + 1) Die Anregungstemperatur T ex is ein Mass fuer die Levelverteilung und entspricht der kinetischen Temperatur bei Dichten > n crit.

18 Anwendung: Galaktische Gasstruktur

19 Ammoniak (NH 3 ) - Entsteht auch durch Gasphasenreaktionen. - Symmetric-top molecule. - E rot = J 2 A /2I A + J2 B /2I B + J2 C /2I C nuetzliche Uebergaenge nur bei hohen Frequenzen - Beste Uebergaenge allerdings bei 24GHz Tunneln der Energiebarriere - Weitere Effekte wie nicht-sphaerische Ladungsverteilung, Quadrupolmoment, magnetische Effekte zwischen Spins, verursachen weitere Hyperfeinaufspaltung Energy barrier

20 Anwendung: Temperaturabschaetzungen mit NH 3 T kin = T rot (τ 11 τ 22 T 11 T 22 )

21 Themen heute 10.1 Die Hauptelemente des ISM 10.2 Grundlegendes ueber Molekuele im All 10.3 Physikalische Verteilungen im ISM 10.4 Heiz- und Kuehlprozesse 10.5 Staub

22 Physikalische Bedingungen : Micro-Level Ein Medium in hydrostatischen Gleichgewicht kann mit 4 Verteilungen beschrieben werden: 1.) MAXWELL Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten (kinetische Energie) 2.) BOLTZMANN Verteilung der Energielevelbesetzungszahlen: 3.) PLANCK Strahlung (Verteilung der Photonenenergien): 4.) SAHA Gleichung (Verteilung der Ionisationslevel im Plasma): V : Teilchengeschwindigkeit Energien der oberen (o) und unteren (u) Level. Entsprechende statistische Gewichte V : Photonenfrequenz N j+1, N j - Anzahldichte der (j+1)-fach und j-fach ionisierten Teilchen N e - Elektronendichte χ j,j+1 - Ionisationsenergie um vom Level j nach j+1 zu gelangen U j+1, U j - Zustandsfunktionen beider Zustaende

23 Physikalische Bedingungen : Micro-Level Wie sehr sind diese Verteilungen im ISM gueltig? Generell: Zeitskalen, die zu Gleichgewicht fuehren, sind vergleichbar kurz im Gegensatz zu denen die Gleichgewicht zerstoeren. 1. Beispiel : Stoesse zwischen H-Atomen bei T = 100 K und einem mittleren v ~ 1 km/s Wirkungsquerschnitt σ = π R 2 H ~ π (0.1 nm) 2 Mittlere Zeit zwischen Stoessen τ s = (v σ n H ) -1 Bei HI Dichte von 1 cm -3 folgt τ s ~ 1000 yrs vergleichbar kurz zu anderen interstellaren Prozessen (ausser Shocks) Maxwell-Verteilung gueltig, Einfuehrung einer kinetischen Temperatur sinnvoll. 2. Beispiel : Gleichgewicht der Energielevelverteilung im ISM: Korrekturfaktor fuer Boltzmann: (A 21 / (n Q 21 )) Reine Boltzmannverteilung nur wenn (n Q 21 ) >> A 21 Im wenig dichten ISM sind Kollisionsraten gering (see 1.). Fuer erlaubte Uebergaenge A 21 [s -1 ] Einstein coefficient for spontaneous radiative decay Q 21 [m 3 s -1 ] collision rate n [m -3 ] number density (A 21 ~ 10 8 s -1 ) werden die Korrekturfaktoren gross fast alle Teilchen im Grundzustand. Fuer verbotenen Uebrgaenge (A 21 ~ 10-2 s -1 ) naehern sich Verteilungen Boltzmann. Fuer dichte Kerne: Z.B.. CO(1-0) bei Dichte 10 5 cm -3 : A 21 =7.2x10-8 s -1, Q 21 =3.3x10-11 cm 3 s -1 A 21 / (n Q 21 ) ~ 0.02 Boltzmannverteilung gueltig in dichten Kernen!

24 Physikalische Bedingungen : Micro-Level Wie sehr sind diese Verteilungen im ISM gueltig? 3. Beispiel : Interstellares Strahlungsfeld (ISRF) : Summe aller Beitraege der Emittierenden Objekte (Sterne, Staub, Gas) in der Umgebung der Gaswolke ISRF kann nicht mit Planck genaehert werden ISRF nicht im theromodynamischen Gleichgewicht. Aber wiederum koennen dichte Kerne recht gut mit einfachen oder auch multiplen Planck- Funktionen genaehert werden. mm FIR IR Power spectrum of the ISRF as reported by Black 1987 in: Interstellar Processes (ed. Hollenbach), Dordrecht, Reidel Publ.,

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26 Heizprozesse UV Strahlung der Sterne Energie der Supernovae Eneregie von Ausstroemungen und Jets Kosmische Strahlung reagiert mit HI and H 2 (besteht hauptsaechlich aus relativistischen Protonen, die in magnetisierten Shocks bei Supernova < -- > Molekuelwolken Stoessen entstehen. p + + H 2 --> H e - + p + (Dissoziation: Ionen auch fuer Ionen-Molekuelchemie wichtig) Interstellare Strahlung (Diffuses Feld im interstellaren Raum) Dissoziiert hauptsaechlich Kohlenstoff (geringeres Ionisationspotential als H 2 ) C + hν --> C + + e - Elektron verteilt Energie dann an Umgebungsatome durch Stoesse Photoelectrische Heizung: - Heizt Staub, der Strahlung wieder im IR abgibt. - UV Photonen schlagen e - aus Staub, und diese e - wiederum heizen Gas ueber Stoesse.

27 Kuehlprozesse - Hauptbestandteil H & H 2 haben kein Dipolmoment koennen nicht effizient kuehlen Andere Mechanismen erfordert. Wasserstoff stoesst mit Atomen/Molekuelen/Staub und regt diese an. Kuehlung findet dann via Sekundaermechanismen statt. O + H --> O + H + hν Kollisionsanregung (FIR) C + + H --> C + + H + hν Feinstrukturanregung (FIR) CO + H 2 --> CO + H 2 + hν Rotationsanregung (radio/(sub)mm) - Bei hoeheren Dichten werden auch andere Molekuele wichtig, z.b. H 2 O. - Die niedrigen-j CO Linien sind optisch dick. Strahlung diffundiert von Region zu Region und entkommt von Oberflaeche. Hoehere-J Uebergaenge koennen auch direkt abstrahlen. CO wichtigste Kuehllinie in Molekuelwolken. - Kollisonen mit Gas koennen auch Gittervibrationen auf Stauboberflaeche ausloesen. Diese strahlen wiederum IR Photonen ab. Da Staub auch von Strahlung geheizt wird, sind Staub- und Gastemperaturen ueblicherweise nicht gleich.

28 Kuehlprozesse - Hauptbestandteil H & H 2 haben kein Dipolmoment koennen nicht effizient kuehlen Andere Mechanismen erfordert. Wasserstoff stoesst mit Atomen/Molekuelen/Staub und regt diese an. Kuehlung findet dann via Sekundaermechanismen statt. O + H --> O + H + hν Kollisionsanregung (FIR) C + + H --> C + + H + hν Feinstrukturanregung (FIR) CO + H 2 --> CO + H 2 + hν Rotationsanregung (radio/(sub)mm) - Bei hoeheren Dichten werden auch andere Molekuele wichtig, z.b. H 2 O. - Die niedrigen-j CO Linien sind optisch dick. Strahlung diffundiert von Region zu Region und entkommt von Oberflaeche. Hoehere-J Uebergaenge koennen auch direkt abstrahlen. CO wichtigste Kuehllinie in Molekuelwolken. - Kollisonen mit Gas koennen auch Gittervibrationen auf Stauboberflaeche ausloesen. Diese strahlen wiederum IR Photonen ab. Da Staub auch von Strahlung geheizt wird, sind Staub- und Gastemperaturen ueblicherweise nicht gleich.

29 Dust and gas cooling Mainly atomic envelopes Cosmic ray heating more sensitive to density than CO cooling. Hence T g rises again. Γ heating rate Mainly molecular core Λ Cooling rate - At low densities gas and dust de-coupled, at high densities coupled. - In absence of UV radiation (dense cores) gas heating mainly via CRs, and dust heating at high densities mainly via gas-dust collisions. - Low densities gas cooling mainly CO; high densities via CO & dust. - At very high densities gas and dust temperatures approach each other (CO cooling becomes insignificant then)!

30 Themen heute 10.1 Die Hauptelemente des ISM 10.2 Grundlegendes ueber Molekuele im All 10.3 Physikalische Verteilungen im ISM 10.4 Heiz- und Kuehlprozesse 10.5 Staub

31 Dust within the big circle of matter Dust composition: Graphite C Silicon carbide SiC Enstatite (Fe,Mg)SiO 3 Olivine (Fe,Mg) 2 SiO 4 Iron Fe Magnetite Fe 3 O 4 Size distribution: Between and 1µm n(a) ~ a -3.5 (a: size) (Mathis, Rumpl, Nordsieck 1977) The main producers of dust are old stars in the last stages of their evolution: outer atmospheres of Red Giants, Planetary Nebulae (PN), Novae, and Supernovae (SN). However, dust forms also in ISM directly. Gas to dust mass ratio: Canonical 1:100 Recent work suggests 1:186 (Draine et al. 2007)

32 Interstellar dust: Extinction at shorter wavelengths Optical Near-Infrared Lyman continuum edge (91.2 nm corresponding to 13.6eV ionization potential of H) MIR NIR Optical X-ray Extinction dims and reddens the light

33 Dust in action: An example - IRDCs IRAS Grey: Spitzer IRAC Contours: 1.2mm Infrared Dark Clouds that only show cold dust emission are seen in direct neighborhood with more evolved massive star-forming regions exhibiting cold and warm dust emission.

34 Dust can do more a chemical catalyst! Effects of quantum tunneling, especially for migration on grain surface Sketch of the principle processes during grain-surface reactions. Note that this path of molecule formation is of utmost importance for the formation of H 2 molecules. In the gas phase, H 2 could only be formed at large gas densities and high temperatures (as it was probably for the formation of the first stars in the universe). In typical ISM clouds nowadays, these conditions are not matched.

35 Dust incarnations Although the grains in the ISM are thought to be small and compact, the case is different for denser environments (e.g., circumstellar disks) where the dust grains start to coagulate. Figures: Simulations of dust grain cluster growth for different initial parameters (gas and dust density, temperature, stickyness, grain charge, coagulation time ). (From Dorschner & Henning 1995)

36 Zusammenfassung 10.1 Die Hauptelemente des ISM 10.2 Grundlegendes ueber Molekuele im All 10.3 Physikalische Verteilungen im ISM 10.4 Heiz- und Kuehlprozesse 10.5 Staub

37 Einfuehrung in die Astron. & Astrophysik I Wintersemester 2009/2010: Henrik Beuther & Christian Fendt Einfuehrung: Ueberblick und Geschichte (H.B.) Grundlagen: Koordinatensys., Sternpositionen, Erde/Mond (C.F.) Grundlagen: Teleskope und Instrumentierung (H.B.) Grundlagen: Strahlung, Strahlungstransport (C.F.) Planetensystem(e) und Keplergesetze (H.B.) Sonne & Sterne, Typen, Klassifikationen, HR-Diagramm (C.F.) Sternaufbau und Sternentwicklung (C.F.) Sternentstehung, Akkretionsscheiben und Jets (H.B.) Kompakte Objekte: Schwarze Loecher, Neutronensterne, W. Zw. (C.F.) Interstellare Materie: Chemie und Materiekreislauf (H.B.) und Mehrfachsysteme und Sternhaufen, Dynamik (C.F.) Exoplaneten und Astrobiologie (H.B.) Die Milchstrasse (H.B.) Zusammenfassung (C.F. & H.B.) Pruefung (C.F. & H.B.) beuther@mpia.de, fendt@mpia.de