Die kosmische Häufigkeit der Elemente Seminar Milchstraßensystem Stefan Kiefer 25.01.2010

Vorbetrachtung chemische Elemente 80 stabile E. (≈90% der Isotope stabil) H ... Pb 3 pseudostabile E. Bi, Th, U Rest: instabile E. unterschiedlicher Zerfallsdauer

Wo kommen die Elemente her? Stichwort Nukleosynthese primordiale Synthese 1H/2H, 3He/4He & 7Li 10-3 bis 103 s nach der kosmischen Singularität (kS) Materiezusammensetzung: 76% H, 24% He +Rest Li kosmische Kernfusion („Wasserstoffbrennen“) ab 1013 s nach kS D + T → 4He + n + 17,6 MeV Heliumreaktion („Heliumbrennen“) Bildung der Elemente 6 (12), 8 (16), 10 (20)

Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Siliciumreaktionen Bildung aller Elemente bis 56Fe Elemente mit Massenzahlen > 56Fe Bildung durch Neutroneneinfang bei Supernovaexplosionen Elemente Li, Be, B stellarphysikalisch instabile E. Zerstörung schon bei wenigen Mill. K können nicht durch Reaktionen in Sternen entstehen Bildung durch Stoßreaktion im ISM Atome 12, 16, 20 durch Stöße mit Teilchen der kosmischen Strahlung

Kosmische Elementhäufigkeit – Wie? Informationenquellen der Häufigkeit der 80 (+3) stabilen Elemente Spektrallinien der ⊙- Atmosphäre Spektrallinien heller (naher) Sterne Analyse der Elementhäufigkeit in C-Meteoriten

Häufigkeiten in der ⊙ und in Sternen (∗) Analyse des Spektrums Vorrausetzung: isolierte Linien im Spektrum keine Überlagerung Problem: praktisch nicht erfüllt für Elemente kleiner Häufigkeit Schlussfolgerung: einige Elemente, wie z.B. Edelgase (≠He) nicht bestimmtbar ca. 60 Elemente im ⊙ - Spektrum und ca. 20 im Spektrum anderer ∗ Welche Sterne eigenen sich? fast ausschließlich F/G – ∗ Problematisch: kühle K/M - ∗ aufgrund zahlreicher Molekülbanden heiße O/B - ∗ aufgrund der großen Rotationsgeschwindigkeit

G – Sterne haben große Lebensdauer alte Sterne mit geringer Metallhäufigkeit Sterne aus der Frühzeit der MS Möglichkeit die Elementhäufigkeitsentwicklung nachzuvollziehen

Edvardson et al.

G – Sterne haben große Lebensdauer alte Sterne mit geringer Metallhäufigkeit Sterne aus der Frühzeit der MS Möglichkeit die Elementhäufigkeitsentwicklung nachzuvollziehen Mg/O/Si werden (vor allem) durch SN II gebildet und mit ISM gemischt bereits in der Frühphase der MS geschehen C wird (vor allem) von A/G/B-Sternen gebildet Produktion setzt verspätet ein -> Kurvenknick Prinzipiell: Elementgehalt zu Anfang niedrig kontinuierliche Zunahme der Metallizität älteste Sterne nur 1/1000 der Metallizität der Sonne

C&N relativ zu Fe kaum Änderung in t Edvardson et al. C&N relativ zu Fe kaum Änderung in t Fe wird in SN Ia synthetisiert C und N in AGB Sternen in beiden Fällen wird Häufigkeit von der langen Lebensdauer kleiner und mittlerer Sterne in der MS dominiert Synthese der Elemente hängt von der Art der Vorgängersterne ab

Häufigkeitsentwicklung in der MS sehr gleichförmig Feststellung: Häufigkeitsentwicklung in der MS sehr gleichförmig Sterne die in gleicher Zone entstehen haben sehr ähnliche Häufigkeiten offensichtlich keine Exoten nur der Anteil der schweren Elemente gegenüber H und He ändert sich der Anteil der schweren Elemente zueinander varriert dagegen kaum Fragestellung: Ist die solare/stellare Häufigkeit eine universelle Häufigkeit? Oder: Wie kann die solare Häufigkeit überprüft werden? Lösung: Durch den Vergleich mit der meteorischen Häufigkeit!

© National Museum of Natural History (Washington)

© Washington University (St. Louis) © MPI für Chemie (Mainz)

kosmische Elementenhäufigkeit Feststellung: Übereinstimmung der Häufigkeiten geringe Abweichungen für leichtflüchtige Elemente Chondriten vom Typ C1 sind: Urmaterial in dem alle schweren Elemente auskristallisiert sind Elemente in der ⊙ die sich nicht über Spektrum bestimmen lassen: in Relation zu Si genauso häufig wie in C1 Chondriten Ergebnis: Kombination aus solarer und meteorischer Häufigkeit ergibt: kosmische Elementenhäufigkeit

Allgemeines zum Schluss: die häufigsten Elemente sind H (~75) und He (~25) (Überraschung??) die einzige Variation ist: die Veränderung der Metalle in Relation zu H und He Metalle: O, C, Fe und Ne stellen 80% der Häufigkeit Mg, Si, S und N stellen 16% der Häufigkeit alle anderen schweren Elemente gehen nur mit 4% ein Harkinsche Regel: Elemente mit gerader Kernladungszahl sind häufiger als die mit ungerader Li/Be/B – Trog: diese drei Elemente können nicht durch Kernfusion gebildet werden entstehen nur durch Kollision von kosmischer Strahlung mit schweren Atomen im ISM Eisenspitze: relative Anreicherung von Fe (-Gruppe (Cr, Mn, Co, Ni)) aufgrund großer Bindungsenergie Bleispitze: die meisten instabilen radioaktiven Elemente (schwerer als Blei) zerfallen bis zum stabilen 206/07/08Pb

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit