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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne. 2 Urpsrung der Elemente Bindungsenergie/Nukleon hat Maximum bei 56 Fe Bindungsenergie/Nukleon hat Maximum bei 56.

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1 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

2 2 Urpsrung der Elemente Bindungsenergie/Nukleon hat Maximum bei 56 Fe Bindungsenergie/Nukleon hat Maximum bei 56 Fe Aufbau schwerer Elemente erfordert Energie-Zufuhr Aufbau schwerer Elemente erfordert Energie-Zufuhr schwere Atomkerne sind für geladene Teilchen unzugänglich (Coulomb-Barriere) schwere Atomkerne sind für geladene Teilchen unzugänglich (Coulomb-Barriere) Aufbau schwerer Elemente erfolgt durch Neutronen- Prozesse Aufbau schwerer Elemente erfolgt durch Neutronen- Prozesse Bindungsenergie/Nukleon hat Maximum bei 56 Fe Bindungsenergie/Nukleon hat Maximum bei 56 Fe Aufbau schwerer Elemente erfordert Energie-Zufuhr Aufbau schwerer Elemente erfordert Energie-Zufuhr schwere Atomkerne sind für geladene Teilchen unzugänglich (Coulomb-Barriere) schwere Atomkerne sind für geladene Teilchen unzugänglich (Coulomb-Barriere) Aufbau schwerer Elemente erfolgt durch Neutronen- Prozesse Aufbau schwerer Elemente erfolgt durch Neutronen- Prozesse

3 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 3 Neutronen-Prozesse: Neutronen-Prozesse: bei Neutronenanlagerung wird Energie frei! bei Neutronenanlagerung wird Energie frei! s-Prozeß: s-Prozeß: Einfangrate kleiner als Zeitskala für -Zerfall (slow)Einfangrate kleiner als Zeitskala für -Zerfall (slow) r-Prozeß: r-Prozeß: Einfangrate größer als Zeitskala für -Zerfall (rapid)Einfangrate größer als Zeitskala für -Zerfall (rapid) Neutronen-Prozesse: Neutronen-Prozesse: bei Neutronenanlagerung wird Energie frei! bei Neutronenanlagerung wird Energie frei! s-Prozeß: s-Prozeß: Einfangrate kleiner als Zeitskala für -Zerfall (slow)Einfangrate kleiner als Zeitskala für -Zerfall (slow) r-Prozeß: r-Prozeß: Einfangrate größer als Zeitskala für -Zerfall (rapid)Einfangrate größer als Zeitskala für -Zerfall (rapid) Urpsrung der Elemente

4 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 4 Urpsrung der Elemente s-Prozeß: s-Prozeß: Aufbau der Elemente bis A=210 Aufbau der Elemente bis A=210 Sterne auf asymptotischem Riesenast Sterne auf asymptotischem Riesenast Freisetzung der Neutronen im Kern Freisetzung der Neutronen im Kern r-Prozeß: r-Prozeß: Aufbau der Elemente bis hin zu A=270 Aufbau der Elemente bis hin zu A=270 Freisetzung der Neutronen während SN Explosion Freisetzung der Neutronen während SN Explosion s-Prozeß: s-Prozeß: Aufbau der Elemente bis A=210 Aufbau der Elemente bis A=210 Sterne auf asymptotischem Riesenast Sterne auf asymptotischem Riesenast Freisetzung der Neutronen im Kern Freisetzung der Neutronen im Kern r-Prozeß: r-Prozeß: Aufbau der Elemente bis hin zu A=270 Aufbau der Elemente bis hin zu A=270 Freisetzung der Neutronen während SN Explosion Freisetzung der Neutronen während SN Explosion

5 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 5 Urpsrung der Elemente

6 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 6 Die Hauptreihe des Kugelsternhaufens NGC 6397

7 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 7 Altersbestimmung der Kugelsternhaufen

8 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 8 Altersbestimmung der Kugelsternhaufen

9 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 9 Das Alter der Sterne in Kugelsternhaufen Die ältesten Sterne sind sehr metallarm und befinden sich in Kugelsternhaufen. Altersbestimmung über den so genannten Abknickpunkt der Hauptreihe. HauptreiheHauptreihe Riesen (sterbende Sterne)

10 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 10 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries) Stern 1: kompakter weißer Zwerg Stern 1: kompakter weißer Zwerg Stern 2: entwickelter Hauptreihenstern Stern 2: entwickelter Hauptreihenstern dehnt sich aus dehnt sich aus füllt schließlich sein Roche-Volumen aus (Äquipotentialfläche innerhalb der Material an Stern 2 gebunden ist) füllt schließlich sein Roche-Volumen aus (Äquipotentialfläche innerhalb der Material an Stern 2 gebunden ist) Bei weiterem Anwachsen läuft Masse über den inneren Lagrangepunkt und wird von Stern 1 akkretiert Bei weiterem Anwachsen läuft Masse über den inneren Lagrangepunkt und wird von Stern 1 akkretiert Drehimpulsbarriere: Material sammelt sich in einer Scheibe (Akkretionsscheibe) Drehimpulsbarriere: Material sammelt sich in einer Scheibe (Akkretionsscheibe) Viskosität: Transport in der Scheibe von außen nach innen. Viskosität: Transport in der Scheibe von außen nach innen. Stern 1: kompakter weißer Zwerg Stern 1: kompakter weißer Zwerg Stern 2: entwickelter Hauptreihenstern Stern 2: entwickelter Hauptreihenstern dehnt sich aus dehnt sich aus füllt schließlich sein Roche-Volumen aus (Äquipotentialfläche innerhalb der Material an Stern 2 gebunden ist) füllt schließlich sein Roche-Volumen aus (Äquipotentialfläche innerhalb der Material an Stern 2 gebunden ist) Bei weiterem Anwachsen läuft Masse über den inneren Lagrangepunkt und wird von Stern 1 akkretiert Bei weiterem Anwachsen läuft Masse über den inneren Lagrangepunkt und wird von Stern 1 akkretiert Drehimpulsbarriere: Material sammelt sich in einer Scheibe (Akkretionsscheibe) Drehimpulsbarriere: Material sammelt sich in einer Scheibe (Akkretionsscheibe) Viskosität: Transport in der Scheibe von außen nach innen. Viskosität: Transport in der Scheibe von außen nach innen.

11 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 11 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)

12 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 12 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)

13 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 13 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries) Typische Ausdehnung des Systems wie Erde- Mond-System Typische Ausdehnung des Systems wie Erde- Mond-System Umlaufperiode ~10h Umlaufperiode ~10h Gravitationsenergie der einfallenden Masse heizt Gas Röntgenemission Gravitationsenergie der einfallenden Masse heizt Gas Röntgenemission Effektivität(0.03% mc 2 ) fast vergleichbar mit Kernfusion (0.7% mc 2 ) Effektivität(0.03% mc 2 ) fast vergleichbar mit Kernfusion (0.7% mc 2 ) Höhere Effektivitäten, wenn Primärobjekt ein Neutronenstern (10% mc 2 ) oder ein schwarzes Loch (40% mc 2 ) ist Höhere Effektivitäten, wenn Primärobjekt ein Neutronenstern (10% mc 2 ) oder ein schwarzes Loch (40% mc 2 ) ist Typische Ausdehnung des Systems wie Erde- Mond-System Typische Ausdehnung des Systems wie Erde- Mond-System Umlaufperiode ~10h Umlaufperiode ~10h Gravitationsenergie der einfallenden Masse heizt Gas Röntgenemission Gravitationsenergie der einfallenden Masse heizt Gas Röntgenemission Effektivität(0.03% mc 2 ) fast vergleichbar mit Kernfusion (0.7% mc 2 ) Effektivität(0.03% mc 2 ) fast vergleichbar mit Kernfusion (0.7% mc 2 ) Höhere Effektivitäten, wenn Primärobjekt ein Neutronenstern (10% mc 2 ) oder ein schwarzes Loch (40% mc 2 ) ist Höhere Effektivitäten, wenn Primärobjekt ein Neutronenstern (10% mc 2 ) oder ein schwarzes Loch (40% mc 2 ) ist

14 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 14 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries) Klassische Novae Klassische Novae Wasserstoff trifft auf Oberfläche des Weißen Zwerges und zündet explosionsartiges thermonukleares Brennen Wasserstoff trifft auf Oberfläche des Weißen Zwerges und zündet explosionsartiges thermonukleares Brennen Helligkeitanstieg um 10 bis 15 Magnituden (Faktor 10 4 – 10 6 ) Helligkeitanstieg um 10 bis 15 Magnituden (Faktor 10 4 – 10 6 ) Theoretisch sollten sie sich wiederholen, aber nicht direkt beobachtet (Intervall ca a) Theoretisch sollten sie sich wiederholen, aber nicht direkt beobachtet (Intervall ca a) Zwergnovae: 100 mal schwächer als klassische Novae, Wiederholungen beobachtet. Erzeugt durch Irregularitäten in der Akkretionsrate (kein Brennen) Zwergnovae: 100 mal schwächer als klassische Novae, Wiederholungen beobachtet. Erzeugt durch Irregularitäten in der Akkretionsrate (kein Brennen) Klassische Novae Klassische Novae Wasserstoff trifft auf Oberfläche des Weißen Zwerges und zündet explosionsartiges thermonukleares Brennen Wasserstoff trifft auf Oberfläche des Weißen Zwerges und zündet explosionsartiges thermonukleares Brennen Helligkeitanstieg um 10 bis 15 Magnituden (Faktor 10 4 – 10 6 ) Helligkeitanstieg um 10 bis 15 Magnituden (Faktor 10 4 – 10 6 ) Theoretisch sollten sie sich wiederholen, aber nicht direkt beobachtet (Intervall ca a) Theoretisch sollten sie sich wiederholen, aber nicht direkt beobachtet (Intervall ca a) Zwergnovae: 100 mal schwächer als klassische Novae, Wiederholungen beobachtet. Erzeugt durch Irregularitäten in der Akkretionsrate (kein Brennen) Zwergnovae: 100 mal schwächer als klassische Novae, Wiederholungen beobachtet. Erzeugt durch Irregularitäten in der Akkretionsrate (kein Brennen)

15 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 15 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries) Klassische Novae Klassische Novae

16 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 16 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries) Supernovae (Typ I) Supernovae (Typ I) Massenakkretion treibt Primärkomponente (Weißer Zwerg) über die Chandrasekharmasse (1.4 M ). Massenakkretion treibt Primärkomponente (Weißer Zwerg) über die Chandrasekharmasse (1.4 M ). Primärstern kollabiert und zündet Kohlen- /Sauerstoffbrennen im entarteten Zustand thermonukleare Explosion Primärstern kollabiert und zündet Kohlen- /Sauerstoffbrennen im entarteten Zustand thermonukleare Explosion Detonation: Brennfront propagiert supersonischDetonation: Brennfront propagiert supersonisch Deflagration: Brennfront propagiert subsonischDeflagration: Brennfront propagiert subsonisch Lichtkurve: nur 0.7 M in 56 Ni thermonukleares Brennen unvollständig Deflagration Lichtkurve: nur 0.7 M in 56 Ni thermonukleares Brennen unvollständig Deflagration Kosmologische Relevanz: Standardkerzen Kosmologische Relevanz: Standardkerzen Entscheidungskriterium Typ I oder Typ II : Falls Wasserstofflinien im Spektrum, dann Typ II Entscheidungskriterium Typ I oder Typ II : Falls Wasserstofflinien im Spektrum, dann Typ II Supernovae (Typ I) Supernovae (Typ I) Massenakkretion treibt Primärkomponente (Weißer Zwerg) über die Chandrasekharmasse (1.4 M ). Massenakkretion treibt Primärkomponente (Weißer Zwerg) über die Chandrasekharmasse (1.4 M ). Primärstern kollabiert und zündet Kohlen- /Sauerstoffbrennen im entarteten Zustand thermonukleare Explosion Primärstern kollabiert und zündet Kohlen- /Sauerstoffbrennen im entarteten Zustand thermonukleare Explosion Detonation: Brennfront propagiert supersonischDetonation: Brennfront propagiert supersonisch Deflagration: Brennfront propagiert subsonischDeflagration: Brennfront propagiert subsonisch Lichtkurve: nur 0.7 M in 56 Ni thermonukleares Brennen unvollständig Deflagration Lichtkurve: nur 0.7 M in 56 Ni thermonukleares Brennen unvollständig Deflagration Kosmologische Relevanz: Standardkerzen Kosmologische Relevanz: Standardkerzen Entscheidungskriterium Typ I oder Typ II : Falls Wasserstofflinien im Spektrum, dann Typ II Entscheidungskriterium Typ I oder Typ II : Falls Wasserstofflinien im Spektrum, dann Typ II

17 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 17 Lichtkurven der Supernovae Lichtkurve Zwei Bereiche, exponentieller Abfall auf Zeitskalen ca. 6 Tage ca. 80 Tage SN erzeugt 56 Ni

18 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 18 Lichtkurven der Supernovae Lichtkurve Zwei Bereiche, exponentieller Abfall auf Zeitskalen ca. 6 Tage ca. 80 Tage SN erzeugt 56 Ni Typ II-L Typ II-P linear Plateau

19 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 19 ~ Jahres-Energiebudget einer gesamten Galaxie Die Supernova SN1994D NGC 4526

20 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 20 Die Supernova SN1987A

21 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 21 Die Supernova SN1987A In der großen Magellanschen Wolke Erste nahe Supernova in 3 Jahrhunderten Vorläuferstern identifiziert Sandulaek M Blauer (!) Riesenstern Beobachtet optisch am Neutrinosignal detektiert am um 7h35 UTC

22 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 22 Die Supernova SN1987A Beobachtet optisch am Neutrinosignal detektiert am um 7h35 UTC 7:35h, 23. Februar, Neutrino Signal 9:30h, 23. Februar Amateur Astronom Albert Jones beobachtet Tarantula Nebula in LMC beobachtet nichts ungewöhnliches… 10:30h, 23. Februar Robert McNaught fotografiert LMC SN1987A ist auf der Platte! ca. 20 Stunden spaeter, Entdeckung durch Ian Shelton

23 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Neutrinos von der SN1987A

24 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 24 Historische Supernovae Erwartet: ca 1-2 pro Jahrhundert in der Milchstraße (Verhältnis von Typ I und Typ II etwa 1:1) Beobachtet: nur 6 im letzten Jahrtausend SN1006: beobachet von Europäern, Chinesen, Japanern und Arabern SN1054: Überrest: Krebsnebel M1; beobachet von Chinesen, Japanern, Arabern und Indianern (?), aber nicht von Europäern(?) SN1572: Brahes Supenovae SN1604: Keplers Supenovae SN1680/SN1667: Datierung durch Rückrechung der Ausdehnung des SN-Überrests. Beobachtet von Flamsted (?)

25 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 25 Beispiel: M1 (Krebsnebel) Supernova vom 4. Juli 1054 Pulsar mit Periode 0,033 sec

26 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 26 Supernovaüberreste Explosionwolke vom Neutronenstern/ Pulsar zum Leuchten angeregt (für Typ II) (v exp 1000 km/s) M1 (crab nebula) SN1987A

27 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 27 Neutronensterne und Pulsare Neutronenstern: Überrest einer Supernovaexplosion vom Typ II 1000 bekannt Strahlung pulsiert in allen Spektralbereichen (Radio … Röntgen) Perioden: bis 4.3 sec, sehr konstant (auf ) 1967: Jocelyn Bell entdeckt pulsierende (einmal pro Sekunde) Radioquellen extremer Stabilität Vorläufige Namen: LGM1 und LGM2 Interpretation: schnell rotierender Neutronenstern mit strarkem Magnetfeld Synchrotronstrahlung ist fokussiert in Richtung der magnetischen Pole. Strahl überstreicht die Erde wie das Licht eines Leuchtturms.

28 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 28 Pulsare

29 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 29 Pulsare im Röntgenlicht Pulsar anPulsar aus

30 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 30 Schwarze Löcher Übersteigt in einem massiven Stern der Kern oder in einem Binärsystem der Primärstern die Masse von ca. 2 M (1.5M - 3M ) kein hydrostatisches Gleichgewicht möglich Kollaps auf einen Punkt Singularität Ab einer gewissen Kompaktheit (Schwarzschildradius, Ereignishorizont) können selbst Photonen nicht mehr entweichen (v esc > c) schwarzes Loch

31 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 31 Schwarzschildradius Klassische Herleitung (Laplace ~1800) Fluchtgeschwindigkeit Für gegebene Masse erreicht die Fluchgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit c beim Radius

32 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 32 Schwarzschildradius Besser: allgemein relativistische Rechnung (Schwarzschild 1916) Ergebnis identisch Gekrümmte Raum-Zeit-Struktur Licht auf Umlaufbahn bei R=1.5 R S Rotierende Schwarze Löcher: Ergosphäre (alles innerhalb der ES muss rotieren) Ein Stern der Masse 1M hat einen Schwarzschildradius von 1.5 km Extreme Dichte von =2x10 16 g/cm 3 (d.h. dichter als Kernmaterie) Besser: allgemein relativistische Rechnung (Schwarzschild 1916) Ergebnis identisch Gekrümmte Raum-Zeit-Struktur Licht auf Umlaufbahn bei R=1.5 R S Rotierende Schwarze Löcher: Ergosphäre (alles innerhalb der ES muss rotieren) Ein Stern der Masse 1M hat einen Schwarzschildradius von 1.5 km Extreme Dichte von =2x10 16 g/cm 3 (d.h. dichter als Kernmaterie)

33 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 33 Verschiedene Arten Schwarzer Löcher Stellare Schwarze Löcher Stellare Schwarze Löcher Massen von wenigen Sonnenmassen Massen von wenigen Sonnenmassen (hypothetisch) bis zu 100 M für die erste Generation von Sternen (hypothetisch) bis zu 100 M für die erste Generation von Sternen Überreste der Entwicklung massiver Sterne Überreste der Entwicklung massiver Sterne Supermassive Schwarze Löcher Supermassive Schwarze Löcher In den Zentren vieler Galaxien (u.a. auch der Milchstraße) In den Zentren vieler Galaxien (u.a. auch der Milchstraße) Massen von 10 6 M bis 10 9 M Massen von 10 6 M bis 10 9 M (hypothetisch) primordiale schwarze Löcher (hypothetisch) primordiale schwarze Löcher Entstanden in den frühen Phasen des Universums Entstanden in den frühen Phasen des Universums Massen um g Massen um g Stellare Schwarze Löcher Stellare Schwarze Löcher Massen von wenigen Sonnenmassen Massen von wenigen Sonnenmassen (hypothetisch) bis zu 100 M für die erste Generation von Sternen (hypothetisch) bis zu 100 M für die erste Generation von Sternen Überreste der Entwicklung massiver Sterne Überreste der Entwicklung massiver Sterne Supermassive Schwarze Löcher Supermassive Schwarze Löcher In den Zentren vieler Galaxien (u.a. auch der Milchstraße) In den Zentren vieler Galaxien (u.a. auch der Milchstraße) Massen von 10 6 M bis 10 9 M Massen von 10 6 M bis 10 9 M (hypothetisch) primordiale schwarze Löcher (hypothetisch) primordiale schwarze Löcher Entstanden in den frühen Phasen des Universums Entstanden in den frühen Phasen des Universums Massen um g Massen um g

34 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 34 Dichte eines Schwarzen Lochs Massereichere Schwarze Löcher haben eine niedrigere Dichte z.B. supermassives Schwarzes Loch mit M=10 8 M = 2 g/cm 3 Massereichere Schwarze Löcher haben eine niedrigere Dichte z.B. supermassives Schwarzes Loch mit M=10 8 M = 2 g/cm 3

35 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 35 Nachweis von Schwarzen Löchern Stellare schwarze Löcher Binärsysteme (Radialgeschwindigkeiten) mit unsichtbarem Primärstern Masse des Primärsterns oberhalb einiger Sonnenmassen (siehe Kapitel VI, LMC-X3) Röntgenemission der Akkretionsscheibe Supermassive Schwarze Löcher Kinematik im Zentrum der Galaxien Primordiale Schwarze Löcher Hawking Strahlung (hypothetisch)

36 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne 36 Zusammenfassung M=1-8M weisser Zwerg im Doppelsternsystem evtl. Supernova Ia (Chandrasekhar-Masse 1.44M ) Neutronenstern/schwarzes Loch M=8-30M Neutronenstern (Supernova Ib, Ic oder II) M>30M schwarzes Loch


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