Supernovae Typ Ia. Seminar zur Einführung in die Astronomie am Stefan Walter Universität Würzburg

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1 Supernovae Typ Ia Seminar zur Einführung in die Astronomie am Stefan Walter Universität Würzburg

2 0.Inhalt 1. Historisches 2. Klassifikation 3. Modell und Theorie einer SN Ia Beobachtung, Anwendung und Befunde 1. Spektrum einer SN Ia 2. Lichtkurven 3. Anwendung der SN Ia als Standkerze 4. Wie beobachtet man eine SN Ia? 5. Befunde Aktuelle Forschung 1. Simulation am Computer 2. Warum sind einige SNe Ia heller als andere - Off Center Explosion

3 1.Historisches Kurzer Überblick : Tycho Brahe entdeckt im Sternbild Cassiopeia einen neuen Stern der heller als alle anderen leuchtet Zitat: ein Wunder, wie es seit Anbeginn der Welt nicht gesehen wurde 1885: (ca. 1/10 Ludovic Gully und Ernst Hartwig endeckten erste Supernova außerhalb der Milchstrasse im Zentrum des Andromedar Nebels der Helligkeit des Nebels selbst) Fritz Zwicky prägt den Begriff Supernova erste Theorie über den Verlauf der SN im Crab-Nebel (von Walter Baade entdeckt) 1940: Rudolf Minkowski Einteilung in zwei Klassen Tycho Brahe 1933: Fritz Zwicky

4 2.Definition Klassifikation Zwei Typen von Supernovae Klassifikation nach dem Spektrum SN I SN II kein Wasserstoff Silizium Kein Silizium Wasserstoff Helium Wasserstoff dominiert dominiert Normale SN II SN Ia SN Ib SN Ic Viel Helium Wenig Helium SN IIb SN II L Helligkeit nimmt linear ab SN II P Helligkeit durchläuft Plateauphase

5 3.Modell und Theorie einer SN Ia Wie kommt es zu einer SN Ia Einiges vorweg: Modell geht auf Hoyle und Fowler (1960) zurück Supernova Ia ist eine thermonukleare Explosion eines C+O Weißer Zwerge (WZ) Eigenschaften eines WZ: Entstadion eines leichten bis mittel schweren Sterns 50% C und 50% O M~M Sonne d~1/3 d Erde ist stabil durch Gas aus entarteten Elektronen im Kern Warum dann Explosion? Denn der WZ würde ewig weiter existieren, weil keine Kernfusion nötig für seine Stabilität ist! Wie explodiert der WZ dann? Er befindet sich in einem Doppelsternsystem

6 3.Modell und Theorie einer SN Ia Wie kommt es zu einer SN Ia

7 3.Modell und Theorie einer SN Ia Wie kommt es zu einer SN Ia Der Prozess: WZ befindet sich mit Partnerstern in einem engen Doppelsternsystem WZ akkretiert Masse von seinem Partner bis hin zur Chandrasekar Masse (Mch~ 1.4MSonne) Dichte ~1010 g/cm3 und Temperatur (T~109 K) so hoch, dass Fusion von C und O zu höherern Elementen (Ni, Si, Ca, am Ende auch Fe) zünden kann C und O

8 3.Modell und Theorie einer SN Ia Wie kommt es zu einer SN Ia Der Prozess: Weitere Temperaturerhöhung (T~1010 K) Keine Kühlung durch Expansion möglich (wg Entartung) Brennen breitet sich als Deflagration aus (Wärmediffusion, unterschall) C/O Ni C/O Turbulenzen erhöhen die Flammenoberfläche Die thermonukleare Detonation beginnt Kein Überrest nach Explosion O/Si Mg/S/Ca Ni

9 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Spektrum einer SN Ia Spektrum Licht entsteht überwiegend aus Zerfall von Nickel Ni 56Co 56Fe 56 Fusion nicht immer bis zum höchst gebundenen Atom, da z.b. Si im frühen Spektrum Theorie stimmt mit gemessenem Spektrum überein

10 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Beispiele einiger SNe Ia SN1994D heller Punkt unten links

11 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Beispiele einiger SNe Ia SN1998ba

12 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Lichtkurven Zeitliche Entwicklung der Helligkeit einer Supernova Lichtkurve erreicht in ca. zwei Wochen sehr schnell ihr Maximum Sie fällt innerhalb einiger Monate ab Helligkeit Zeit ~ 20 Tage ~ Monat mehrere Monate

13 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Lichtkurven t t s= t m m+α s 1 =m ' ' Messungen zeigen: So einfach ist es doch nicht! Deshalb: Eichung der Lichtkurven durch Beziehung zw. max. Helligkeit und Breite der Kurve Stretch (Phillips-Relation): ' t t s=t ' m m+α s 1 =m Perlmutter et al, 1997

14 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde SN Ia als Standardkerze Mit den geeichten Lichtkurven lässt sich die SN Ia jetzt als Standardkerze verwenden: ' ' absolute Helligkeit des Maximums bekannt (nahe SN Ia bei bekanntem Abstand zur Bestimmung von Mmax, M = ±0.2 mag) M = 19 mag t t s= t m m+α s 1 =m max Bestimmung des Maximums der scheinbaren Helligkeit aus Messungen mmax Entfernung d aus Entfernungsmodul mmax M max = 5 log d ABER: Verschiedene Fehler Korrekturen nötig

15 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde SN Ia als Standardkerze Korrekturen: Stretch-Faktor Anpassung der Lichtkurven versch. SNe K-Korrektur SNe mit versch. z werden mit versch. Bandfiltern untersucht um ganzes Spekrum zu bekommen versch. Bandfilter versch. Teile des Spektrums Extinktion (Staub, Absorption, Streuung) Ausgleich durch Messung in versch. Wellenlängenbereichen < 0.06 mag

16 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Wie beobachtet man eine SN Ia eine SN pro Jahrhundert in unserer Galaxie sehr viele SN in kürzester Zeit im beobachtbaren Universum Beobachten mehrer Galaxien gleichzeitig Supernova Cosmology Project Perlmutter et al, Berkley High-z Supernova Search Team Garnavich, Riess, Schmidt et al.

17 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Wie beobachtet man eine SN Ia Perlmutter et al, 1997

18 4.Beobachtung, Anwedung und Befunde Befunde Messungen von SNe bei z~1 zeigen: weit entfernte SNe zu leucht schwach (0.25 mag) um konsistent mit Materie dominiertem Universum zu sein SNe weiter entfernt als angenommen muss 0 sein beschleunigt expandierendes Universum Perlmutter et al, 1997

19 5.Aktuelle Forschung Computer Simulationen t = 0s t = 0,3s Mehrere statistisch verteilte Zündungen im Inneren Dichte im Zentrum niedriger als Dichte des Materials vor der Flamme Blasenbildung

20 5.Aktuelle Forschung Computer Simulationen t = 0,6s t = 2s Oberflächenvergrößerung durch Turbulenzen und somit Erhöhung der Verbrennungsrate Verwirbelungen, Brennfront erreicht Oberfläche

21 5.Aktuelle Forschung Off-Center SNe Warum sind einige SNe Ia heller als andere? WZ mit höhere Masse als Chandrasekhar-Masse? Möglich, aber nur dann wenn WZ schnell rotiert wenn SNe durch Verschmelzen zweier WZ entsteht Jetzt: Neues Modell keine zentrale Zündung und damit symmetrische Ausbreitung der Flammen im Innernen des Sterns sondern eine dezentrale Zündung und damit asymmetrische Ausbreitung der Flammen

22 5.Aktuelle Forschung Off-Center SNe anisotrope Verteilung der ausgeworfenen Materie niedriger Ni-Anteil hoher Ni-Anteil unverbranntes Material aus unterschiedlichen Blickrichtungen, erscheint die SN mit versch. Helligkeiten

23 4.Aktuelle Forschung Off-Center SNe Quellen: Spektum der Wissenschaft 07/2005 Rätselhafte Supernova W. Hillebrandt and J. Niemeyer Type Ia Supernova Explosion Models W. Hillebrandt et al. Off-center explosions of Chandrasekhar-mass white dwarfs: an explanation of super-bright type Ia supernovae? A&A 465, L17-L20 (2007)

24 2.Definition Was ist eine Supernova Eine Supernova ist ein mögliches Entstadium einer Sternentwicklung seltenes Ereigniss in unserer Galaxie (1 pro Jhd.) starke Helligkeitszunahme bis zu 20mag (manchmal heller als eine ganze Galaxie)