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Kosmische Strahlung in unserer Galaxie

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Präsentation zum Thema: "Kosmische Strahlung in unserer Galaxie"—  Präsentation transkript:

1 Kosmische Strahlung in unserer Galaxie
Das Interstellare Medium Gas Staub Sternentstehung und -entwicklung Interstellares Photonenfeld Wechselwirkung von kosmischer Strahlung Photonen geladene Komponente

2 Interstellares Medium

3 Komponenten des Interstellaren Mediums
Gas (direkt und indirekt) Proton-Proton (Kern) WW Ionisation Anregung von Gasatomen Fragmentation von schweren Kernen CoulombWW mit ionisiertem Gas Absorption von ionisierenden Photonen Photonenemission (s.u.) Staub (indirekt) Rötung von Sternenlicht „Verdeckt“ Sterne im optischen Photonenfelder (direkt) Photon-Proton (Kern) WW Photon-Photon Paarerzeugung Sternen (optischen und nah Infraroten ~0.1-1mm) Staub (nah und fernes Infrarot (~1-100mm) Gas (Linien und kont. Emission UV bis Infrarot) Synchrotronemission von rel. Elektronen (Radiobereich) Magnetfelder (direkt) Synchrotronverluste Ablenkung Diffusion Abhängig vom Weg des Teilchens !

4 Interstellares Gas - Überblick
Phasenmodell: Druckgleichgewicht Thermische Instabilitäten Sagt 2 stabile Phasen voraus 8000K 80K Annahme Strahlungsverluste, optisch dünn Erweiterung kann auch Koronales Gas erklären Longair Table 17.1

5 Verteilung in der Milchstrasse
Longair Abb.17.2

6 Komplexes Wechselspiel

7 Emission unserer Galaxie
Rel. Elektronen Neutrales Gas Molekülwolken Staub Sterne + Staub Sterne Heisses Gas (siehe nächste Woche)

8 Interstellares Photonenfeld
Sternen (im Optischen und nahen Infrarot ~0.1-1mm) Staub (nah und fernes Infrarot (~1-100mm) Gas (Linien und kont. Emission UV bis Infrarot) Synchrotronemission rel. Elektronen (Radiobereich) Offener Sternhaufen, Pleiaden

9 Annahmen Energiebereich: UV bis fernen Infrarot
Ohne Kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung Energie stammt aus Sternen durch Kernfusion Photonen werden durch Staub und Gas gestreut, absorbiert und emittiert Betrachtung von Kontinuumsemission, keine Linien

10 Vorgehen Beschreibung von Sternen Sternentstehung Sternentwicklung
Absorption durch Gas und Staub Reemission durch Gas und Staub Abhängig vom Ort in der Milchstrasse

11 Physikalische Größen Gesamtleuchtkraft Spektrale Energieverteilung
Variabilität ? Abstand zum Beobachtungsort M, R, r, T, M (L), m,… Alter des Sterns (Entwicklung) Protostern (Jets, Scheibe, Staubtorus) Hauptreihenstern Riesenstern Stern am Ende seiner Entwicklung Ort des Sterns Scheibe, Halo, … Haufen Art des Sterns Einzelstern, Binärsystem

12 Spektralklassen Licht aus Photosphäre durchdringt dünnere Atmosphärenschichten des Sterns Elemente absorbieren charakteristische Wellenlängen Bei Rekombination ändert sich Richtung und Wellenlänge des emittierten Lichts Aufschluss über chemische Zusammensetzung und Temperatur der Sternatmosphäre Das aus der Photosphäre austretende Licht durchdringt die dünneren Atmosphärenschichten des Sterns. Die darin enthaltenen Elemente absorbieren charakteristische Wellenlängen. Die absorbierte Energie führt zu höheren Anregungszuständen in den Elektronenhüllen der Elemente. Gehen die angeregten Elektronen wieder in niedrigere Energieniveaus zurück, so wird Strahlung emittiert. Da Aussendung nicht nur in Beobachtungsrichtung erfolgt und nicht unbedingt in der absorbierten Wellenlänge (Zwischenniveaus sind möglich), sind derartige Prozesse die Ursache für schwarze Absorptionslinien innerhalb des Spektrums (es gibt bei einigen Objekten auch Emissionslinien). Kennt man die Wellenlängen, kann man daraus auf die chemische Zusammensetzung der Sternatmosphähren schließen.

13 Spektralklassen Klasse O B A F G K M Farbe blau blau-weiß weiß
weiß-gelb gelb orange rot-orange Temperatur (K) 50000 28000 9900 7400 6000 4900 3500 Leuchtkraft L* 100000 1000 20 4 1 0,2 0,01 Durchmesser d* 10 5 1,7 1,3 0,8 0,3 Masse m* 50 2 1,5 0,7 Lebensdauer (a) 107 108 109 5·109 1010 5·1010 1011 Beispiel Alnilam Rigel Sirius Procyon Sonne Aldebaran Beteigeuze Charakteristische Absorptionslinien He II He I MG II Balmer (H I) H I, Ca II Ca II Ca I

14 Spektralklassen

15 Merken ! Massereiche (M > 10 Msun) Sterne (O, B)
Kurze Lebensdauer (<108a) Emission im UV (T > 104 K) Hohe Gesamtleuchtkraft auf kurze Zeit Massearme (M < 1 Msun) Sterne (Sonne) Lange Lebensdauer (>1010a) Emission im Optischen/NIR (T < 103 K) Niedrige Gesamtleuchtkraft auf lange Zeit

16 Anfangsmassenverteilung (IMF)
Salpeter IMF f(m) dm ~ m-a, a=2.35

17 Sternentstehung

18 Große Molekulare Wolken
Molekulare Wolke bei 2.6 mm J=10 Übergang von CO Msun Individuelle „Klumpen“ Msun Radien von 2-5 pc nH = 3x108m-3 „Klumpen“ haben Kerne 1 Msun 0.1pc nH=1010m-3 Noch dichtere „Klumpen“ Msun Radien von pc nH=109m-3 Kerne 1012m-3 (Blitz & Thadeus 1980 ApJ, 241, 676)

19 Probleme beim Kollaps Kollaps von H2-Gasdichten nH = 109 m-3 zu Dichte in einem Stern nstar = 1039 m-3 Energie-problem: Kollaps braucht instabilen Zustand Heiz-problem: Temperatur erhöht sich bei Kollaps Drehimpuls-problem: Drehimpulserhöhung bei kleiner werdenden Radii Drehimpulserhaltung Magnetfeld-problem: Feldstärke des Magnetfeldes in der molekulare Wolke erhöht sich

20 Jeans‘ Kriterium Virial Theorem: Ekin = -½ Epot
Späherische GMW Masse M, Temperatur T, Radius R, Dichte r, Molekular-Gewicht m Jeans‘ Masse Jeans‘ Länge

21 Freie Fall Zeit  Berechne mit typischen Werten für HI Wolken
und Molekularen Wolken zum Vergleich

22 Verlauf des Kollaps Wolkenradius R ist Lösung von

23 Massenverteilung

24 Ende des Kollaps: Mjmin
Energie Eth muss in der Zeit tff abgestrahlt werden, um aufheizen zu verhindern Eth = -½ Epot Energie wird max. als Schwarzkörper abgestrahlt

25 Ende des Kollaps: Mjmin
Dies kann (numerisch ) gelöst werden. Daraus ergibt sich T=20K, m=2: MJmin=5x10-3 h-1/2 Msun

26 Sternentstehung

27 Protosterne HH47 HH30 T-Tauri-Sterne (TTS) sind junge Sterne in einem Alter von weniger als einer Million Jahre, welche die Spektralklasse F bis M und eine Masse zwischen 0,07 und 3 Sonnenmassen besitzen. Sie befinden sich oberhalb der Hauptreihe und damit in einer frühen Phase ihrer Entwicklung, in welcher sie noch kontrahieren. In ihren Kernen finden noch keine oder erst seit kurzem thermonukleare Reaktionen statt. Ein solcher Stern befindet sich noch nicht im hydrostatischen Gleichgewicht, wodurch sie zu mehr oder weniger heftigen Ausbrüchen neigen. Starke bipolare Strömungen treten mit einigen hundert Kilometern pro Sekunde aus ihrem Innern aus; dort, wo diese Jets Schockfronten bilden und das interstellare Gas erhitzen, können leuchtende Nebel, sogenannte Herbig-Haro-Objekte, beobachtet werden.

28 Vorhauptreihenentwicklung

29 Sternentwicklung Hauptreihe  Wasserstoffbrennen
Zeit auf der Hauptreihe tMS ~M1-a Leuchtkraft L~Ma

30 Entwicklung einer einfachen Sternpopulation
Kneiske et al. (2002)

31 Sternbildungsrate SpT SFR Timescale Burst Single Burst -- E
Exponential            1    Gyr S0            2    Gyr Sa          3   Gyr Sb          5  Gyr Sc           15   Gyr Sd           30   Gyr Im Constant :Evolution of the SEDs of different spectral types computed using the spectral evolutionary models of Bruzual & Charlot (1993), with Miller & Scalo IMF, solar metallicity and characteristics of the SFR as shown in Table 1.

32 Sternpopulationen - Metallhäufigkeit
Population I Metallreiche Sterne, Sonne, Scheibe, Spiralarme, Zs=0.02 jüngste Population Population II Metallarme Sterne, Halo, Z=10-4 Zs alte Sternenpopulation Population III „Allerersten Sterne“ mit primordialer Zusammensetzung

33 Metallizität

34 Staubmodell Extinktionskurve E(B-V) Reemission als Schwarzkörper

35 Koordinatensystem

36 Staub und Gas Verteilung

37 Verteilung in der Galaxie

38 Lokales Photonenfeld

39 Änderung entlang der galaktischen Ebene

40 Zusammenfassung Verteilung von Gas Verteilung von Staub
Interstellares Photonenfeld in unserer Galaxie  Wechselwirkung von geladener kosmischer Strahlung  Wechselwirkung von Gammaphotonen


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