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

Was ist eine Supernova? 87A

98dh 1a

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Klassifizierung nach Spektren

Klassifizierung nach Spektren Ia: Si/kein H Ib: He/kein H, Si Ic: kein H, Si, He II: H

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

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

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

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

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

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

Eisenkern Startpunkt: ρ~1013kg m-3 T~1010K Ab ρ~1015kg m-3 setzt Neutrinotrapping ein Bei ρ~3x1017kg m-3 ist die Dichte eines Atomkerns erreicht; der Kern kann sich nicht mehr weiter zusammen ziehen

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

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

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

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

Sterne mit 8-15Mo Der Stoß durchstößt die äußeren Schalen und zerreißt den Stern ￫ „Prompte Explosion“

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

Kurze Energierechnung Durch Gravitation freiwerdende Energie:

Kurze Energierechnung Durch Dissoziation absorbierte Energie:

Kurze Energierechnung Durch Strahlung abgegebene Energie:

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

Kurze Energierechnung Erforderliche kinetische Energie für die Schalen:

Kurze Energierechnung Gravitation: + 3.1046J Dissoziation: - 2.1045J Strahlung: - 3.1044J Bindungsenergie: - 8.1044J Kinetische Energie: - 2.1045J . Fehlbetrag: 2,5.1046J

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

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

Explosion setzt sich fort

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“

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

Verlauf des Spektrums

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)

Gamma Ray Burst Kurze (0,1-100s) Ausbrüche von Gammastrahlung Dabei wird insgesamt mehr als 1045Joules freigesetzt; 1000 Sonnen würden soviel in ihrer ganzen Existenz abstrahlen

Entstehen im ganzen Universum Gamma Ray Burst Entstehen im ganzen Universum

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

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

Beweis: GRB 030329/SN 2003dh