Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

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1 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

2 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Urpsrung der Elemente Bindungsenergie/Nukleon hat Maximum bei 56Fe Aufbau schwerer Elemente erfordert Energie-Zufuhr schwere Atomkerne sind für geladene Teilchen unzugänglich (Coulomb-Barriere) Aufbau schwerer Elemente erfolgt durch Neutronen-Prozesse Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

3 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Urpsrung der Elemente Neutronen-Prozesse: bei Neutronenanlagerung wird Energie frei! s-Prozeß: Einfangrate kleiner als Zeitskala für b-Zerfall (slow) r-Prozeß: Einfangrate größer als Zeitskala für b-Zerfall (rapid) Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

4 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Urpsrung der Elemente s-Prozeß: Aufbau der Elemente bis A=210 Sterne auf asymptotischem Riesenast Freisetzung der Neutronen im Kern r-Prozeß: Aufbau der Elemente bis hin zu A=270 Freisetzung der Neutronen während SN Explosion Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

5 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Urpsrung der Elemente Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

6 Die Hauptreihe des Kugelsternhaufens NGC 6397
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

7 Altersbestimmung der Kugelsternhaufen
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

8 Altersbestimmung der Kugelsternhaufen
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

9 Das Alter der Sterne in Kugelsternhaufen
Riesen (sterbende Sterne) Die ältesten Sterne sind sehr metallarm und befinden sich in Kugelsternhaufen. Altersbestimmung über den so genannten Abknickpunkt der Hauptreihe. Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Hauptreihe

10 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)
Stern 1: kompakter weißer Zwerg Stern 2: entwickelter Hauptreihenstern dehnt sich aus füllt schließlich sein Roche-Volumen aus (Äquipotentialfläche innerhalb der Material an Stern 2 gebunden ist) Bei weiterem Anwachsen läuft Masse über den inneren Lagrangepunkt und wird von Stern 1 akkretiert Drehimpulsbarriere: Material sammelt sich in einer Scheibe (Akkretionsscheibe) Viskosität: Transport in der Scheibe von außen nach innen. Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

11 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

12 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

13 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)
Typische Ausdehnung des Systems wie Erde-Mond-System Umlaufperiode ~10h Gravitationsenergie der einfallenden Masse heizt Gas  Röntgenemission Effektivität(0.03% mc2) fast vergleichbar mit Kernfusion (0.7% mc2) Höhere Effektivitäten, wenn Primärobjekt ein Neutronenstern (10% mc2) oder ein schwarzes Loch (40% mc2) ist Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

14 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)
Klassische Novae Wasserstoff trifft auf Oberfläche des Weißen Zwerges und zündet explosionsartiges thermonukleares Brennen Helligkeitanstieg um 10 bis 15 Magnituden (Faktor 104 – 106) Theoretisch sollten sie sich wiederholen, aber nicht direkt beobachtet (Intervall ca. 104 a) Zwergnovae: 100 mal schwächer als klassische Novae, Wiederholungen beobachtet. Erzeugt durch Irregularitäten in der Akkretionsrate (kein Brennen) Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

15 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)
Klassische Novae Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

16 Entwicklung von engen Binärsystemen (cataclysmic binaries)
Supernovae (Typ I) Massenakkretion treibt Primärkomponente (Weißer Zwerg) über die Chandrasekharmasse (1.4 M). Primärstern kollabiert und zündet Kohlen-/Sauerstoffbrennen im entarteten Zustand  thermonukleare Explosion Detonation: Brennfront propagiert supersonisch Deflagration: Brennfront propagiert subsonisch Lichtkurve: nur 0.7 M in 56Ni  thermonukleares Brennen unvollständig  Deflagration Kosmologische Relevanz: Standardkerzen Entscheidungskriterium Typ I oder Typ II : Falls Wasserstofflinien im Spektrum, dann Typ II Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

17 Lichtkurven der Supernovae
Zwei Bereiche, exponentieller Abfall auf Zeitskalen ca. 6 Tage ca. 80 Tage SN erzeugt 56Ni Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

18 Lichtkurven der Supernovae
Zwei Bereiche, exponentieller Abfall auf Zeitskalen ca. 6 Tage ca. 80 Tage SN erzeugt 56Ni linear Typ II-L Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Plateau Typ II-P

19 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Die Supernova SN1994D NGC 4526 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne ~ Jahres-Energiebudget einer gesamten Galaxie

20 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Die Supernova SN1987A Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

21 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Die Supernova SN1987A In der großen Magellanschen Wolke Erste „nahe“ Supernova in 3 Jahrhunderten Vorläuferstern identifiziert Sandulaek 15-18 M Blauer (!) Riesenstern Beobachtet optisch am Neutrinosignal detektiert am um 7h35 UTC Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

22 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Die Supernova SN1987A Beobachtet optisch am Neutrinosignal detektiert am um 7h35 UTC 7:35h, 23. Februar, Neutrino Signal 9:30h, 23. Februar Amateur Astronom Albert Jones beobachtet Tarantula Nebula in LMC -> beobachtet nichts ungewöhnliches… 10:30h, 23. Februar Robert McNaught fotografiert LMC -> SN1987A ist auf der Platte! ca. 20 Stunden spaeter, Entdeckung durch Ian Shelton Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

23 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
20 Neutrinos von der SN1987A Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

24 Historische Supernovae
Erwartet: ca 1-2 pro Jahrhundert in der Milchstraße (Verhältnis von Typ I und Typ II etwa 1:1) Beobachtet: nur 6 im letzten Jahrtausend SN1006: beobachet von Europäern, Chinesen, Japanern und Arabern SN1054: Überrest: Krebsnebel M1; beobachet von Chinesen, Japanern, Arabern und Indianern (?), aber nicht von Europäern(?) SN1572: Brahes Supenovae SN1604: Keplers Supenovae SN1680/SN1667: Datierung durch Rückrechung der Ausdehnung des SN-Überrests. Beobachtet von Flamsted (?) Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

25 Beispiel: M1 (Krebsnebel)
Supernova vom 4. Juli 1054 Pulsar mit Periode 0,033 sec Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

26 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Supernovaüberreste Explosionwolke vom Neutronenstern/ Pulsar zum Leuchten angeregt (für Typ II) (vexp≈1000 km/s) Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne M1 (crab nebula) SN1987A

27 Neutronensterne und Pulsare
Neutronenstern: Überrest einer Supernovaexplosion vom Typ II ≥ 1000 bekannt Strahlung pulsiert in allen Spektralbereichen (Radio … Röntgen) Perioden: bis 4.3 sec, sehr konstant (auf 10-9) 1967: Jocelyn Bell entdeckt pulsierende (einmal pro Sekunde) Radioquellen extremer Stabilität Vorläufige Namen: LGM1 und LGM2 Interpretation: schnell rotierender Neutronenstern mit strarkem Magnetfeld Synchrotronstrahlung ist fokussiert in Richtung der magnetischen Pole. Strahl überstreicht die Erde wie das Licht eines Leuchtturms. Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

28 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Pulsare Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

29 Pulsare im Röntgenlicht
Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne Pulsar an Pulsar aus

30 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Schwarze Löcher Übersteigt in einem massiven Stern der Kern oder in einem Binärsystem der Primärstern die Masse von ca. 2 M (1.5M - 3M) kein hydrostatisches Gleichgewicht möglich Kollaps auf einen „Punkt“ → Singularität Ab einer gewissen Kompaktheit (Schwarzschildradius, Ereignishorizont) können selbst Photonen nicht mehr entweichen (vesc > c)  schwarzes Loch Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

31 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Schwarzschildradius Klassische Herleitung (Laplace ~1800) Fluchtgeschwindigkeit Für gegebene Masse erreicht die Fluchgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit c beim Radius Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

32 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Schwarzschildradius Besser: allgemein relativistische Rechnung (Schwarzschild 1916) Ergebnis identisch Gekrümmte Raum-Zeit-Struktur Licht auf Umlaufbahn bei R=1.5 RS Rotierende Schwarze Löcher: Ergosphäre (alles innerhalb der ES muss rotieren) Ein Stern der Masse 1M hat einen Schwarzschildradius von 1.5 km Extreme „Dichte“ von r=2x1016 g/cm3 (d.h. dichter als Kernmaterie) Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

33 Verschiedene Arten Schwarzer Löcher
Stellare Schwarze Löcher Massen von wenigen Sonnenmassen (hypothetisch) bis zu 100 M für die erste Generation von Sternen Überreste der Entwicklung massiver Sterne Supermassive Schwarze Löcher In den Zentren vieler Galaxien (u.a. auch der Milchstraße) Massen von 106 M bis 109 M (hypothetisch) primordiale schwarze Löcher Entstanden in den frühen Phasen des Universums Massen um 1015 g Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

34 Dichte eines Schwarzen Lochs
Massereichere Schwarze Löcher haben eine niedrigere Dichte z.B. supermassives Schwarzes Loch mit M=108 M ⇒ r = 2 g/cm3 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

35 Nachweis von Schwarzen Löchern
Stellare schwarze Löcher Binärsysteme (Radialgeschwindigkeiten) mit unsichtbarem Primärstern Masse des Primärsterns oberhalb einiger Sonnenmassen (siehe Kapitel VI, LMC-X3) Röntgenemission der Akkretionsscheibe Supermassive Schwarze Löcher Kinematik im Zentrum der Galaxien Primordiale Schwarze Löcher Hawking Strahlung (hypothetisch) Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne

36 Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne
Zusammenfassung M=1-8M weisser Zwerg im Doppelsternsystem evtl. Supernova Ia (Chandrasekhar-Masse 1.44M) -> Neutronenstern/schwarzes Loch M=8-30M Neutronenstern (Supernova Ib, Ic oder II) M>30M schwarzes Loch Kapitel VII: Leben und Tod der Sterne