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Hauptseminar Astroteilchenphysik und kosmische Strahlung Endstadien von Sternen - Supernovae und die Bildung schwerer Elemente von Manuel Rainer Dries.

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Präsentation zum Thema: "Hauptseminar Astroteilchenphysik und kosmische Strahlung Endstadien von Sternen - Supernovae und die Bildung schwerer Elemente von Manuel Rainer Dries."—  Präsentation transkript:

1 Hauptseminar Astroteilchenphysik und kosmische Strahlung Endstadien von Sternen - Supernovae und die Bildung schwerer Elemente von Manuel Rainer Dries

2 Inhalt: 1. Supernova 2. Die Endstadien von Sternen 3. Die Bildung schwerer Elemente 3.1 Die solare Häufigkeitsverteilung 3.2 Der s-Prozess 3.3 Der r-Prozess 3.4 Der p-Prozess

3 1. Supernova Zwei Typen von Supernovae Klassifikation: Anhand der Wasserstofflinien im Spektrum Zahlreiche Untergruppen Klassifikation: Anhand weiterer Merkmale im Spektrum Anhand der Lichtkurven Typ ITyp IITyp IIb Keine -linieDominante -linie Typ Ia Typ Ib Typ Ic Typ IILTyp IIP

4 Supernova vom Typ I Ausschließlich in engen Doppelsternsystemen Lagrange-Punkt: Ausgleich von Rotation und Gravitationswechselwirkung Rochesche Grenzfläche: Äquipotentialfläche des Doppelsternsystems Beide Komponenten auf Hauptreihe

5 Massereiche Komponente verlässt Hauptreihe Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche Masseverlust über Lagrange-Punkt Massearmer Unterriese und massereicher Hauptreihenstern

6 Weißer Zwerg und Hauptreihenstern Massereiche Komponente verlässt Hauptreihe Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche Masseverlust über Lagrange-Punkt Ausbildung einer rotierenden Akkretionsscheibe Ausschüttung von Materie auf Oberfläche Nova

7 Überschreitung der Chandrasekhar-Masse Gravitationskollaps des Weißen Zwerges Explosives Einsetzen des Kohlenstoffbrennens Supernova vom Typ I Vollständige Vernichtung des Weißen Zwerges Runaway-Stern

8 Supernova vom Typ II Explosives Einsetzen des Kohlenstoff- / Sauerstoffbrennens Supernova vom Typ II Vollständige Vernichtung des Sterns Abstoßung äußerer Bereiche am Ende des Riesenstadiums Weißer Zwerg Planetarischer Nebel

9 Kette nuklearer Reaktionen endet im Kern mit Überschreitung der Chandrasekhar-Masse Gravitationskollaps des Kerns Unterstützt und beschleunigt durch: Photodissoziation von Inversen Betazerfall: Entartungsdruck der Neutronen beendet Gravitationskollaps des Kerns

10 Einstürzen äußerer Bereiche auf den Kern Nach außen laufende Schallwellen Verdichtung des Kerns bis zur dichtesten Kugelpackung von Kernteilchen Rückprall des Kerns Nach außen laufende Schallwellen Bildung nach außen laufender Stoßwellen im Schallpunkt Energieverlust der Stoßwellen bei Dissoziation von

11 Verlassen des Kerns von Energiegewinn bei Fusionsreaktionen Durchlaufen äußerer Bereiche von Supernova vom Typ II Neutronenstern oder Schwarzes Loch Versiegen im Kern von Neutrinoheizung Wechselwirkung zuvor eingeschlossener Erneutes Anregen Durchlaufen äußerer Bereiche von Supernova vom Typ II Neutronenstern oder Schwarzes Loch

12 2. Die Endstadien von Sternen Entartungsdruck der Fermionen: Folge des Pauli-Prinzips: Zwei Fermionen können nicht gleichzeitig einen Zustand mit denselben Quantenzahlen besetzen. Folge der Unschärferelation: Verringerung des Volumens Vergrößerung der Abstände der Energieniveaus Notwendigkeit der Energiezuführung Entartungsdruck der Fermionen

13 Weiße Zwerge: Ursprung: Sterne mit Abstoßung äußerer Bereiche am Ende des Riesenstadiums Weißer Zwerg Planetarischer Nebel Effektivtemperatur: Masse: Durchmesser: Einige tausend bis zehntausend Kilometer Dichte:

14 Substanz: Entarteter Kohlenstoff und Sauerstoff Stabilisierung: Entartungsdruck der Elektronen Grenzmasse: Endzustand: Vernichtung innerhalb einer Supernova vom Typ I Langsames Abkühlen und Erlöschen Schwarzer Zwerg

15 Neutronensterne: Ursprung: Supernovae vom Typ II bei Sternen mit Zentraltemperatur: Masse: Durchmesser: Dichte: Rotationsfrequenz: bis Magnetfeld: bis

16 Aufbau: Oberfläche: Dicke: Dichte: Substanz: Kristallgitter zunehmend neutronenreicher Eisenisotope Innere Kruste: Dicke: Dichte: Substanz: Zunehmend Neutronen Innerer Bereich: Substanz: Überwiegend Neutronen Zentrum: Dichte: Substanz: Eventuell Pionen, Kaonen, Quarks

17 Stabilisierung: Entartungsdruck der Neutronen Grenzmasse: Endzustand: Abkühlen unter Abstrahlung von Pulsare: Neigung der Achse des Magnetfeldes gegen Rotationsachse Wechselwirkung mit geladenen Teilchen Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von: Radiowellen Sichtbarem Licht Röntgenwellen

18 Schwarze Löcher Bereich, den weder Materie noch Licht verlassen kann Begrenzt durch Ereignishorizont oder Schwarzschildradius Sieben Typen von Schwarzen Löchern Unter anderem: Stellare Schwarze Löcher: Ursprung: Supernovae vom Typ II bei Sternen mit Masse: bis Supermassereiche Schwarze Löcher: Masse: Schwarze Löcher in Galaxiezentren Auch im Zentrum der Milchstraße hinter Sagittarius A*: Masse:

19 Hawking Strahlung: Folge des Casimir-Effekts: Bildung virtueller Teilchen-Antiteilchen-Paare im Vakuum - Vakuumfluktuation Folge der Unschärferelation: Vakuumfluktuation am Ereignishorizont Überschreitung des Ereignishorizonts durch Teilchen Entweichen eines Teilchens Hawking Strahlung Energie- und Masseverlust Schwarzer Löcher Lebensdauer Schwarzer Löcher

20 Zusammenfassung: Entwicklung eines Weißen Zwerges Entwicklung eines Neutronensterns Entwicklung eines Schwarzen Lochs

21 3. Die Bildung schwerer Elemente 3.1 Die solare Häufigkeitsverteilung Erste vollständige Darstellung anhand spezieller Meteoriten Verbesserung und Ergänzung anhand des Sonnenspektrums Übereinstimmung einer Mehrzahl der Hauptreihensterne Standard-Verteilung Urknall:,,,, Fusionsreaktionen: bis Neutronenreaktionen

22 3.2 Der s-Prozess slow neutron capture Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang größer als -Zerfallszeit Stabiler Produktkern: Instabiler Produktkern: Bildungspfad verläuft im Stabilitätstal

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24 Abhängigkeit der resultierenden Häufigkeitsverteilung vom Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang: Kleiner Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang Große Häufigkeiten Großer Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang Kleine Häufigkeiten Kleiner Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang bei Isotopen magischer Neutronenzahlen Maxima der resultierenden Häufigkeitsverteilung bei und

25 Voraussetzung - Neutronen in Roten Riesen Zwei Reaktionen zur Bildung von Neutronen Sternmodell: Kern: Kohlenstoff und Sauerstoff Heliumschale Konvektive Hülle: Wasserstoff Während des Heliumbrennens: Neutronenfluss Schwache Komponente von bis

26 Periodisches Heliumbrennen: Wasserstoffbrennen Ansammeln von in Heliumschale Heliumbrennen Ausdehnung der konvektiven Heliumbrennzone Erfassung eines Teils der erloschenen Heliumbrennzone durch konvektive Hülle Verteilung gebildeter schwerer Elemente

27 Während des Wasserstoffbrennens: Protonen durchdringen Grenze zur Heliumschale Schwacher Neutronenfluss auf kleinen Bereich Während des anschließenden Heliumbrennens: Erneuter Neutronenfluss Signifikante Beeinflussung der zuvor entstandenen Häufigkeitsverteilung Hauptkomponente von bis

28 Der klassische s-Prozess Empirisch gefunden Reproduktion der Hauptkomponente von bis bei geeigneter Neutronenexposition eines Bruchteils der vorhandenen Häufigkeit Annahmen: Unter anderem: Temperatur konstant Neutronendichte konstant Bestimmung der stellaren Wirkungsquerschnitte für den Neutroneneinfang Anpassung der Parameter und

29 Verzweigungen Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang gleicht -Zerfallszeit Definition: Verzweigungsverhältnis Allgemein: Abhängigkeit der Neutroneneinfangrate von der Neutronendichte Abhängigkeit der -Zerfallsrate von der Temperatur Abhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses von der Neutronendichte und der Temperatur

30 Verzweigungen - Am Beispiel der,, Isotope Keine Abhängigkeit der -Zerfallsrate von der Temperatur in den Verzweigungspunkten Abhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses von der Neutronendichte Klassischer s-Prozess Neutronendichte Analyse anderer Verzweigungspunkte Abschätzung der -Zerfallszeit Temperatur

31 3.3 Der r-Prozess rapid neutron capture Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang kürzer als -Zerfallszeit Bindungsenergie größer Bindungsenergie kleiner Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - Waiting Point Versiegen des Neutronenflusses: Rückkehr ins Stabilitätstal durch Kette von -Zerfällen Bildung neutronenreicher Isotope mit Vorgängern kleiner -Zerfallszeit

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33 Abhängigkeit der resultierenden Häufigkeitsverteilung von -Zerfallszeiten der Isotope am Waiting Point: Kleine -Zerfallszeiten Kleine Häufigkeiten Große -Zerfallzeiten Große Häufigkeiten Große -Zerfallszeiten bei Isotopen magischer Neutronenzahlen Bevorzugt Isotope magischer Neutronenzahlen am Waiting Point Maxima der resultierenden Häufigkeitsverteilung bei und

34 Voraussetzung - Supernova vom Typ II Hohe Temperatur Hoher Neutronenfluss Supernova vom Typ II Neutronenreiche Materie in Stoßwelle Überlagerung von s-Prozess und r-Prozess Solare Häufigkeitsverteilung Existenz reiner r-Kerne Aufgrund von Vorgängern kleiner -Zerfallszeit Existenz reiner s-Kerne Aufgrund der Abschirmung gegen -Zerfall

35 3.4 Der p-Prozess Kleine Häufigkeiten von p-Kernen Ähnlicher Verlauf der Häufigkeiten von reinen s-Kernen, reinen r-Kernen und p-Kernen Reine s-Kerne und reine r-Kerne als Basis des p-Prozess

36 Lebensdauer bezüglich Protoneneinfang / Neutroneneinfang kürzer als / -Zerfallszeit Kleine Massen: Bindungsenergie überschreitet kritischen Wert Bindungsenergie unterschreitet kritischen Wert Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - Waiting Point

37 Große Massen: Bindungsenergie überschreitet kritischen Wert Bindungsenergie unterschreitet kritischen Wert Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - Waiting Point Protoneneinfang und -Teilcheneinfang Versiegen des Protonenflusses und Neutronenflusses: Rückkehr ins Stabilitätstal durch Kette von -Zerfällen Bildung protonenreicher Kerne

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39 Supernova vom Typ II Nova Supernova vom Typ I Verdichtung der von Neutronensternen / Schwarzen Löchern akkretierten Materie Doppelsternsysteme aus Neutronenstern und Rotem Riesen Voraussetzung Hohe Temperatur

40 Literatur: Hannu Karttunen - Astronomie - Eine Einführung Paul A. Tipler - Physik FZK Nachrichten - Spätstadien der Sternentwicklung: Die Botschaft der Roten Riesen - FZK Institut für Kernphysik - Die freie Enzyklopädie - Suchmaschine


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