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Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen.

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1 Kernkollaps-Supernovae Gehalten am von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen

2 Was ist eine Supernova? 87A

3 98dh 1a

4 87A

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9 Klassifizierung nach Spektren

10 I -Ia: Si/kein H -Ib: He/kein H, Si -Ic: kein H, Si, He II: H

11 Klassifizierung durch Mechanismus Ia : Thermonukleare Explosion eines weißen Zwerges (keine Überreste) Ib, Ic, II : Kernkollaps (Neutronenstern /schwarzes Loch)

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13 Eisenkern Es existieren drei Kräfte: -Gravitationskraft (anziehend) -Kraft, die durch die Entartung des Elektronengases hervorgerufen wird / Elektronendruck (abstoßend) -Thermische Bewegung (abstoßend)

14 Eisenkern Ab ca. 1,5 M o wird die eigene Gravitation so hoch, dass der Kern sich von innen her zusammenzieht Dichte steigt Temperatur steigt

15 Eisenkern Temperatur steigt Eisen dissoziert Weniger Thermische Energie Druck sinkt Kern zieht sich schneller zusammen

16 Eisenkern Dichte steigt Elektronen werden von Kernen Eingefangen Elektronendruck sinkt Kern zieht sich schneller zusammen

17 Eisenkern Bei höheren Temperaturen und Dichten dissoziert auch das Helium: und der Elektroneneinfang geschieht durch freie Protonen:

18 Eisenkern Startpunkt: ρ ~10 13 kg m -3 T~10 10 K Ab ρ ~10 15 kg m -3 setzt Neutrinotrapping ein Bei ρ ~3x10 17 kg m -3 ist die Dichte eines Atomkerns erreicht; der Kern kann sich nicht mehr weiter zusammen ziehen

19 Was ist nun da? Kurze Bestandsaufnahme: In der Mitte (Radius wenige 10 km): -gefangene Neutrinos (durch Paarerzeugung/vernichtung und Elektroneneinfang entstanden; wechselwirken mit Materie) -ein sehr dichtes, heißes Plasma entstehender Neutronenstern Eine starke Gravitationskraft Die einzelnen Schalen

20 Die Materie weiter außen prallt mit Überschallgeschwindigkeit auf den Kern, der schwingt zurück, und es bildet sich eine Stoßfront

21 Stoßfront Die Stoßfront propagiert durch den Stern nach außen Währenddessen stürzt weiterhin Materie nach innen Energieabgabe an einfallende Materie Elemente werden aufgebrochen r

22 Stoßfront Dichte ist nun so gering, dass Neutrinos entweichen Neutrinoblitz (e - -Einfang)

23 Sterne mit 8-15M o Der Stoß durchstößt die äußeren Schalen und zerreißt den Stern Prompte Explosion

24 Sterne über 15M o Energieverlust so stark, dass Stoßfront nach 100 bis 300km zum stehen kommt

25 Kurze Energierechnung Durch Gravitation freiwerdende Energie:

26 Kurze Energierechnung Durch Dissoziation absorbierte Energie:

27 Kurze Energierechnung Durch Strahlung abgegebene Energie:

28 Kurze Energierechnung Erforderliche Energie, um die Schalen vom sich bildenden Neutronenstern zu lösen:

29 Kurze Energierechnung Erforderliche kinetische Energie für die Schalen:

30 Kurze Energierechnung Gravitation: J Dissoziation: J Strahlung: J Bindungsenergie: J Kinetische Energie: J. Fehlbetrag: 2, J

31 Genauere Rechnungen zeigen: Fast 99% der freiwerdenden Energie steckt in Neutrinos

32 Sterne über 15M o Neutrinos wechselwirken mit der Materie: Energieübertrag Wirkungsquerschnitt ist zwar klein, aber so viele Neutrinos, dass es reicht den Stoß wiederzubeleben

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37 Explosion setzt sich fort

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46 Mechanismus des Kernkollapses (Typ II) Eisenkern Druck sinkt (e - - Einfang, Dissoziation) Atomkerndichte Überschallschneller Einfall Entstehung einer Schockfront -Schockfront durchstößt die Sternenhülle Prompte Explosion -Schockfront bleibt stehen -Schockfront wird durch Neutrinos und Konvektion wiederbelebt Verzögerte Explosion

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49 Verlauf des Spektrums 56 Nickel zerfällt nach 6 Tagen in Cobalt 56 Cobalt hat eine Halbwertszeit von 77 Tagen

50 Verlauf des Spektrums

51 Abweichungen vom Typ II Ib : Vorläuferstern hat vor der Supernova Wasserstoffhülle komplett abgestoßen (möglich bei massereichen Sternen) Ic : Vorläuferstern hat vor der Supernova Wasserstoff- und Heliumhülle komplett abgestoßen (möglich bei sehr massereichen Sternen)

52 Gamma Ray Burst Kurze (0,1-100s) Ausbrüche von Gammastrahlung Dabei wird insgesamt mehr als Joules freigesetzt; 1000 Sonnen würden soviel in ihrer ganzen Existenz abstrahlen

53 Gamma Ray Burst Entstehen im ganzen Universum

54 Gamma Ray Burst Aufteilung: -Short and hard (t<2s) Entstehen in binären Systemen -Long and soft (t>2s) Entstehen durch Supernovae

55 Long and soft Während einer Supernova wird ein Teil der Materie mit fast Lichtgeschwindigkeit in einem Jet ausgeworfen Diese wird durch interstellares Medium abgebremst Bremsstrahlung

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57 Beweis: GRB /SN 2003dh

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