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Veröffentlicht von:Elli Weisberger Geändert vor über 10 Jahren
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Hauptreihensterne Voraussetzung Nukleares, thermisches und hydrostatisches Gleichgewicht „Null-Alter“: homogene chemische Komposition (überwiegend Wasserstoff) Freier Parameter: Masse M Resultat Masse-Leuchtkraft-Relation Hauptreihe im HR Diagram Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Energieproduktion (T≲20×106K)
Proton-Proton Kette: 1. p + p 2D + e+ + ne 2. 2D + p 3He + g 3. 3He + 3He 4He + p + p Total: 4 p 4He + 2 e+ + 2ne Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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CNO-Zyklus (T≳20×106K) (Bethe-Weizsäcker-Zyklus)
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Temperaturabhängigkeit von pp und CNO-Zyklus
T (106 K) 5 10 15 20 25 30 log [ ( / X2)/ m3 W kg2] 35 PP T4 CNO T19.9 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne CNO braucht höhere Temperaturen um die Coulomb-Abstoßung des Kohlenstoffs zu überwinden
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Hauptreihensterne Eigenschaften H-Brennen im Zentralgebiet (inner 10% in R) p-p-Zyklus für M≲1.5M⊙ CNO-Zyklus für M≳1.5M⊙ Konvektionszone äußere Bereiche für M≲1.5M⊙ im wesentlichen wegen H-Rekombination konvektiver für M≳1.5M⊙ wegen steilem Temperaturgradienten beim CNO-Zyklus Unsicherheiten: Konvektionstheorie Overshooting in angrenzende stabile Schichten Mischungsweg der Konvektion Semi-Konvektion in marginal instabilen Schichten, die durch chemischen Gradienten stabilisiert werden Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Was passiert, wenn H im Zentrum verbraucht ist ?
Wasserstoff-Schalenbrennen He-Kern kontrahiert Hülle expandiert Entwicklung mit Lconst. Für massereiche Sterne nimmt L gar ab, da die Ausdehnung der Hülle Energie verbaucht. Da Lconst. und R T Ausdehnung (Bewegung nach rechts im HR Diagramm), bis die sogenannte Hayashi-Grenze erreicht ist Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Das Hayashi-Limit Wenn der Stern nicht im energetischen GGW Entwicklung auf Kelvin-Helmholtz-Zeitskala (siehe Kapitel IV) Energiegewinn durch Kontraktion steilerer Temperatur- gradient größere Ausdehnung der Konvektionszone Maximal: vollkonvektiver Stern Aufbaugleichungen Grenzlinie im HR-Diagram bei 3500K Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Verbotene Zone
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Sternentwicklung Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Eigenschaften Roter Riesen
Sonne Betelgeuze Masse 1 16 Radius 700,000 km 500,000,000 km Oberflächen-temperatur 5,800 K 3,600 K Zentral-temperature 15,000,000 K 160,000,000 K Leuchtkraft 46,000 Alter 4.5 Milliarden Jahre 10 Millionen Jahre Dichte 1.4 g/cm3 1.3x10-7 g/cm3 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Größenvergleich Xi Cygni Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Sun d Bootis
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Was passiert, wenn H im Zentrum verbraucht ist ?
Nach Erreichen der Hayashi-Grenze H-Schalenquelle frisst sich nach außen Leuchtkraft steigt He-Kern wächst, Zentraltemperatur nimmt zu Bei T≃108K He-Brennen zündet M<2.3M⊙ He-Kern entartet T-Erhöhung hat keine P-Erhöhung zur Folge (kein Thermostat) explosives Brennen Erheblicher Teil der äußeren Massenschalen geht durch Sternwind verloren Wenn He erschöpft: CO-Kern + He-Schalenquelle + H-Schalenquelle „in jedem Roten Riesen sitzt ein Weißer Zwerg“ Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Helium-Brennen (triple-)
Problem: es gibt keinen stabilen Atomkern mit 8 Nukleonen Ausweg: triple--Reaktion (im wesentlichen Dreierstoß Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Temperaturabhängigkeit des Heliumbrennens
PP T4 Tthreshold CNO T19.9 Tthreshold T41 3 Tthreshold T (106 K) 10 20 30 40 50 60 log [ ( / X2)/ m3 W kg2] 70 80 90 100 110 120 130 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Starke Temperaturabhängigkeit oft explosionsartig Helium-flash
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Entwicklung eines massearmen Sterns
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Entwicklung eines 1 M⊙-Sterns
Stadium Aufenthaltsdauer Tempe-ratur Leuchtkraft Durch-messer Haupt-reihe 11×109 a 6000 K 1 Roter Riese 1.3×109 a 3100 K 2300 165 Helium- fusion 100×106 a 4800 K 50 10 Riese 20×106 a 5200 180 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Sternentwicklung Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Entwicklung sehr massereicher Sterne
Nukleosynthese: Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Entwicklung sehr massereicher Sterne
Weitere Fusion schwerer Elemente Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Entwicklung eines 5M⊙- Sterns
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Sternentwicklung im Vergleich
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Innerer Aufbau eines fortgeschrittenen 15 M⊙-Sterns
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Innerer Aufbau eines fortgeschrittenen 15 M⊙-Sterns
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Elementverteilung in einem fortgeschrittenen 15 M⊙-Stern
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Entwicklung eines 25M⊙-Sterns
Brennstoff zentrale Temperatur Aufenthalts-dauer [a] Hydrogen 4x107 K 7×106 Helium 2x108 K 5 ×105 Kohlenstoff 6x108 K 600 Neon 1.2x109 K 1 Sauerstoff 1.5x109 K 0.5 Silizium 2.7x109 K 1 d Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Kürzer als Kelvin-Helmholtz-Zeitskala Wir können von außen nicht erkennen, in welchem dieser Brennstadien sich der Stern aufhält !
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Häufigkeit der Elemente
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Vielfache von He besonders häufig !
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Bindungsenergie der Elemente
Energie durch Fusion nur bis 56Fe Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Fusion schwererer Elemente energetisch deutlich ineffizienter als Wasserstoffbrennen kürzere Lebensphasen
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Wo kommen die Elemente her ?
H, D, He, Be, B, Li wurden im Urknall erzeugt (primordiale Nukleosynthese) Rest massereiche Sterne sind zwar selten erzeugen aber viele Elemente via Supernova effizient, diese auch ins interstellare Medium zu injizieren und so künftigen Sterngenerationen zur Verfügung zu stellen Elemente in der Sonne: Ergebnis von 5 Zyklen aus Sternentstehung, Sternentwicklung und Supernovaexplosion Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Endstadien der Sternentwicklung
Sterne bis zu einer Anfangsmasse von MZASM 8 M⊙ Brennen erlischt je nach Masse nach H, He oder C-O Brennen Im Kern ein weißer Zwerg (größtenteils CO) mit M 1.4 M⊙ (Chandrasekhar-Masse) (typisch M 0.6 M⊙) Elektronen entartet, R 0,01 R⊙ Langsames Auskühlen (Altersbestimmung Milchstraße) Massiver Massenverlust (verliert äußere Hülle) Ionisierende Strahlung des Weißen Zwerges regt frühe abgestoßene Hülle zum Leuchten an planetarische Nebel Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Planetarische Nebel Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Planetarische Nebel Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Endstadien der Sternentwicklung
Sterne bis zu einer Anfangsmasse von MZASM > 8 M⊙ weißer Zwerg im Zentrum übersteigt MChand. Kern kontrahiert, weitere Brennprozesse Ab Tc≃109K: endotherme Prozesse Gravitationskollaps des Kerns (innerhalb von 1 sec) Elektronen und Protonen reagieren zu Neutronen Coulomb-Barriere kann überwunden werden Entartete Neutronen stoppen Kollaps bei R≈15km (bis zu MNS ~ 2M⊙) Neutronenstern (Pulsar) Ansonsten: Bildung eines schwarzen Lochs Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
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Endstadien der Sternentwicklung
Sterne bis zu einer Anfangsmasse von MZASM > 8 M⊙ Nachstürzende Materie prallt an der harten Oberfläche des Neutronensterns ab Schockwelle propagiert nach außen: Supernovaexplosion (Typ II) Problem (via Computersimulationen): Stoßwelle läuft sich schon im Stern tot. Ausweg: Stoßwelle wird durch Neutrinoheizen aufrecht gehalten Energieproduktion: 1053 erg 99% Neutrinos 1% mechanische Energie 0,01% Licht Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Jahresenergiebudget einer ganzen Galaxie
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