Nukleosynthese: Wie bildeten sich die Elemente? und was kann man mit INTEGRAL dazu lernen. Roland Diehl MPE

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1 Nukleosynthese: Wie bildeten sich die Elemente? und was kann man mit INTEGRAL dazu lernen MPE

2 Periodensystem der Elemente Periodensystem : Chemische Elemente, Anordnung nach Eigenschaften der Elektronenhülle (1869, Mendelejew/Meyer)

3 Atomkern-Vielfalt: Isotope Anzahl Protonen im Kern Anzahl Neutronen im Kern M atom =N m p + Z m n (+ Z m e ) Stabile & Radioaktive Isotope (300/2400)

4 Elemente im Universum: Welche, Wieviel? Standard-Häufigkeiten Häufigkeit (log N, H=12) H Li He Be C B N O F Ne Si S Ar Ca Sc Ti V Fe Ni Zn Ge Kr Sr Element (Z) Ba Eu Dy Pt Pb Bi Th

5 Element-Häufigkeiten: Kernstruktur Häufigkeit (log N, H=12) H Li He Be C B N O F α Elemente Ne... Si S Ar Ca Sc Ti V Fe Ni fragile Elemente Fe Gruppe (maximale Bindung) Zn Ge Kr Sr Element (Z) Ba Relative Bindungs-Maxima (abgeschlossene Schalen) Eu Dy Pt Pb Bi Th

6 Element-Häufigkeiten: Kosmische Quellen Häufigkeit (log N, H=12) H Li He Be Urknall C B N O Supernovae Typ II F Ne... Supernovae Typ Ia Si S Ar Ca Sc Ti V Fe Ni Zn Ge Kosmische Strahlung Kr Sr?? Riesensterne, Inneres von Supernovae Typ II? Element (Z) Ba Eu Dy Pt Pb Bi Th

7 Studium der Element-Häufigkeiten Abundance (log N, H=12) H Li He Be O C Ne B N F α elements... Si S Ar Ca Sc Ti V Fe Ni fragile elements Zn Standard Abundances Fe group elements (most tightly bound) Ge Kr Sr Ba tighter-bound elements (closed shells) Eu Dy Pt Pb Bi R.Diehl_696_abundnc Th Häufigkeitsunterschiede umfassen 12 Dekaden! Charakteristische Muster -> spezifische, unterschiedliche Entstehungsprozesse Welche Prozesse in der Natur sind dafür verantwortlich? Element (Z)

8 Astro-Physik kosmischer Nukleosynthese Kern-Struktur, Nukleonen-WW Coulomb-Kraft Starke WW Kollektive WW Reaktions-Pfade abseits stabiler Elemente Keine Kernphysik-Daten Kernphysikalische Lektionen aus astronomischen Messungen Kosmische Kernreaktoren Explosive Heizung, Brennzonen-Verdünnung Langzeit-Misch/Entwicklungs-Prozesse Nukleare Astrophysik

9 Messmöglichkeiten zur Nukleosynthese??? Gammastrahllung & Meteoriten- Einschlüsse: -> Isotope; direkt???.... ISM? Alternativen: Absorptions- und Emissions-Linien (=Atomhülle) -> Elemente; indirekt Element- Häufigkeiten aus atomaren Strahlungsprozessen (Opt/UV/X) hilfreich Nukleo- Synthese HFS-Effekte in IR R schwerer zu messen

10 Elemente & Isotope Atome: Elektronen-Hülle Chemische Eigenschaften & Bindungsmöglichkeiten e.m. Strahlung / charakteristische Farben (optisch.röntgen) Atomkern Nukleonen: Protonen, Neutronen Radioaktivität, Umwandlungs-Eigenschaften e.m. Strahlung / charakteristische Farben (Gamma-Strahlung) rod0895 photons Gamma-Strahlung Röntgen- Strahlung optisch Ultraviolett Infrarot- Strahlung Radio-Strahlung λ

11 Gammastrahlung kosmischer Isotope Mg* Al Radioaktiver Zerfall -> angeregter Kern -> Gamma-Emission γ Isotope Mean Lifetime Decay Chain γ -Ray Energy (kev) 7 Be 77 d 7 Be 7 Li* Ni 111 d 56 Ni 56 Co* 56 Fe*+e + 158, 812; 847, 1238 Mg 57 Ni 390 d 57 Co 57 Fe* Na 3.8 y 22 Na 22 Ne* + e Ti 89 y 44 Ti 44 Sc* 44 Ca*+e + 78, 68; Al y 26 Al 26 Mg* + e Fe y 60 Fe 60 Co* 60 Ni* 59, 1173, 1332 e y e + +e - Ps γγ.. 511, <511

12 Gamma-Astronomie und Nukleosynthese Isotope Mean Lifetime Decay Chain γ -Ray Energy (kev) 7 Be 77 d 7 Be 7 Li* Ni 111 d 56 Ni 56 Co* 56 Fe*+e + 158, 812; 847, Ni 390 d 57 Co 57 Fe* Na 3.8 y 22 Na 22 Ne* + e Ti 89 y 44 Ti 44 Sc* 44 Ca*+e + 78, 68; Al y 26 Al 26 Mg* + e Fe y 60 Fe 60 Co* 60 Ni* 59, 1173, 1332 e y e + +e - Ps γγ.. 511, < kev, 7 Be -> Novae -> p- Anlagerungen, Antimaterie -> Fluor! 26 Al -> Reaktionspfad-Details in Sternen/SNe, neutrino-prozess -> Leichtmetalle (Al, Mg) / Sand am Meer (Si) 44 Ti, 56 Ni -> stabilste Isotope 56 Ni/ 4 He, Ausfrieren eines Kernfusions-Ofens -> Leichtmetalle/Eisen

13 Beispiel: 26 Al Synthese Balance von p-einfangs-produktion und n/p-zerstörung 26 Si 27 Si 28 Si β + β + 26 Al m SN Modell 25 Al β + (7.2s) (p,α) 26 Al (n,p) 9.2 s β y 27 Al (p,α) 23 Na 24 Mg 25 Mg 26 Mg

14 Gamma-Strahlung und Nukleosynthese Isotope Mean Lifetime Decay Chain γ -Ray Energy (kev) 7 Be 77 d 7 Be 7 Li* Ni 111 d 56 Ni 56 Co* 56 Fe*+e + 158, 812; 847, Ni 390 d 57 Co 57 Fe* Na 3.8 y 22 Na 22 Ne* + e Ti 89 y 44 Ti 44 Sc* 44 Ca*+e + 78, 68; Al y 26 Al 26 Mg* + e Fe y 60 Fe 60 Co* 60 Ni* 59, 1173, 1332 e y e + +e - Ps γγ.. 511, < kev, 7 Be -> Novae -> p- Anlagerungen, Antimaterie -> Fluor! 26 Al -> Reaktionspfad-Details in Sternen/SNe, neutrino-prozess -> Leichtmetalle (Al, Mg) / Sand am Meer (Si) 44 Ti, 56 Ni -> stabilste Isotope 56 Ni/ 4 He, Ausfrieren eines Kernfusions-Ofens -> Leichtmetalle/Eisen

15 INTEGRAL/SPI: Gamma-Linien Linien-Spektroskopie Comptel Cas A 27Al (3004) Broad 12 C line: γ-ray Narrow 16 O line: nucleus slows emission during down before emitting γ-rays flight 1000 kev SPI Solar Flare Event Spektrale Auflösung nun < Linienbreite! (~2 kev)

16 INTEGRAL s erste Beiträge Diffuse Emission aus der inneren Galaxie Antimaterie - Annihilation (e + ) 511 kev Linie 26 Al Radioaktivität (τ~10 6 Jahre) 1809 kev Linie

17 SPI: e + Annihilation aus der Galaxie INTEGRAL/SPI: 6.1+/-1.1 x 10-4 cm -2 s -1 CGRO/OSSE: 6.5+/-1.5 x 10-4 cm -2 s -1 Antimaterie aus der inneren Galaxie Annihilations-Linie bei 511 kev, ~ wie erwartet Ausgedehntes aber eher gleichförmiges Quellgebiet

18 SPI: 26 Al Nukleosynthese in der Galaxie SPI (Diehl et al. 2003) COMPTEL (Plüschke 2001) GRIS (Naya 1996) 26 Al Messung mit SPI: Entsprechend Erwartungen (COMPTEL etc.) Keine verbreiterte Linie

19 INTEGRAL s Beiträge Resultate der ersten Monate: Antimaterie in der inneren Galaxie Ausgedehnte, aber eher gleichförmige Annihilation (Nukleosynthese, Pulsare, BH Jets ) 26 Al in der inneren Galaxie Nukleosynthese-Gebiete massereicher Sterne, Zerfall im ISM (v<100 km/s) zu erwarten: Grossräumig-galaktische Verteilung massereicher Sterne (-> 26 Al v/l Profil wie von CO, Hα) Einblicke in dunkle Sternen-Nester ( 44 Ti) Studien einzelner / prominenter Quell- Objekte (SN,OB Ass., ) Line energy longitude

20 Nukleosynthese & INTEGRAL 26Si 27Si 28Si β + β + 26Al m 25Al 26Al (n,p) 27Al (p,α) β + (7.2s) (p,α) 9.2 s β y 23Na 24Mg 25Mg 26Mg Hohe spektrale Auflösung -> neue Messpunkte für kosmische Nukleosynthesemodelle