Endstadien der Sternentwicklung: Weisse Zwerge, Neutronensterne ...

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Endstadien der Sternentwicklung: Weisse Zwerge, Neutronensterne ...

Endstadien

der Sternentwicklung

Max Camenzind

ZAH /LSW

TUDA @ SS 2012


Übersicht

• M in < 8 Sonnenmassen Weiße Zwerge

(>1 Mrd. in Galaxis, 10.000 in Kugelsternhaufen)

• 8 < M in < 25 Sonnenmassen

Neutronensterne (>100 Mio. in Galaxis)

• M in > 25 Sonnenmassen

Schwarze Löcher (~ 100.000 in Galaxis)

• Weiße Zwerge und Planetarische Nebel

• Struktur Weißer Zwerge, Masse-Radius Bez.

• Die Chandrasekhar Masse - Nobelpreis

• SN Ia über Akkretion auf Chandra WZ.

Neutronensterne und Schwarze Löcher


Nobelpreise für Forschung an

kompakten Sternen

1974 Anthony Hewish, Cambridge/UK

.... für seine entscheidende Rolle bei der Entdeckung der

Pulsare und ihrer Deutung als rotierende Neutronensterne

1983 Subramanyan Chandrasekhar, Chicago, USA

.... für seine Theorie der Struktur weißer Zwerge

(aus den 1930er Jahren)

1993 Russell Hulse & Joseph Taylor, Princeton, USA

.... für die Entdeckung des Doppelsternpulsars, der eine neue

Möglichkeit für das Studium der Gravitation eröffnet hat

2002 Riccardo Giacconi, Associated Universities Inc., USA

.... für bahnbrechende Beiträge zur Astrophysik, die zur Entdeckung

kosmischer Röntgenquellen führte (NS und stellare SL)


Zustandsdiagramm der Sterne

Masse

pre-

MS

C/O Weißer Zwerg

He WZ

Core-Kollaps

Fe/Ni Core NStern

Schwarzes Loch

Sonne heute

Kovetz et al. 2008 Stern-Entwicklung auf dem Computer

Si-burn


Leben der Sterne: M = 0,25 - 9 M Sonne

Pop I

Z = 0,01

Y = 0,28

Kovetz et al. 2008

Pop II

Z = 0,001

Y = 0,24


Endphasen Sternentwicklung

0.08 < M < 8 8 < M < 25 M > 25 Sonnen

Planetarische Supernova- SNR

Nebel Überreste (SNR)


Brennphasen

auf dem Weg zum

Kompakten Objekt


M in < 8 Sonnenmassen


Der berühmteste WZ im

Doppelstern Sirius A + B

Von Bessel 1838

als Doppelstern postuliert;

1862 findet Alvan Clark

den Begleiter Sirius B;

Rätsel: sehr hell, aber

sehr klein Zwerg !


Sirius A vs Sonne

Sirius A:

2,1 Sonnenmassen

T eff = 9.900 K

Spektraltyp A1

Radius = 1,7 x Sonne

Alter: 238 Mio. Jahre

(sehr junges System!)


Doppelsternsystem

Sirius A + B


Planetarischer

Nebel / HST

(Ringnebel M57)

+ Weißer Zwerg

Ein planetarischer Nebel

entsteht, wenn ein Stern

wie unsere Sonne

in seiner letzten Lebens-

phase seine äußere Hülle

ins ISM abbläst und

dieses Material dann

durch die intensive

Strahlung des Sterns zu

leuchten beginnt. Dies

macht sie mit zu den

schönsten Objekten in

der Milchstraße.

Etwa 15.000 sind in

unserer Milchstraße

katalogisiert, geschätzt

wird ihre Gesamtzahl auf

etwa 50.000.


Eskimo

Nebel

mit HST

Endphase:

Planetarische

Nebel +

Weißer Zwerg


Eskimo-Nebel

von Herschel 1787 entdeckt

Vergleich mit Amateuraufnahmen

NGC2392 gehört zur Familie der hellen Mini-PNs. Mit 47´´ ~ Planet Jupiter.

hohe Vergrößerungen sinnvoll und hohe Brennweiten zweckmäßig.

Aufnahme mit 12 Zoll 1:4 Newton + Barlowlinse.


Spirograph

Nebel / HST

+ Weißer Zwerg

Typische Planetarische Nebel sind zu etwa 70 % Wasserstoff und 28 % Helium

zusammengesetzt. Den restlichen Anteil bilden hauptsächlich Kohlenstoff,

Stickstoff und Sauerstoff sowie Spuren anderer Elemente. Der Stern im Zentrum

heizt durch seine Strahlung die Gase auf eine Temperatur von rund 10.000 K auf.


Sanduhr-Nebel

+ Weißer Zwerg

HST Aufnahme


Alte Weiße Zwerge mit HST

http://oposite.stsci.edu/pubinfo/jpeg/M4WD.jpg


Weiße Zwerge ... Uninteressant ?

Nein, ,

Subramanian Chandrasekhar (1910-1995)

Theorie entarteter Elektronensterne (1931)

... denn sie haben ein interessantes Inneres:

„Diamanten“ der Milchstraße.

… kühlen sehr langsam aus über die Hubble-Zeit

werden als Kosmochronometer verwendet.


Elektronen

Dx Dp > h

Atome so dicht

gepackt, dass

sie sich überlappen

Dichte: 2 t / cm³

Elektronen

Atom-

Kerne

Kohlenstoff

Elektronen

bewegen sich frei

Druck (Fermi-Druck)

gleicht Gravitation aus


Weiße

Zwerge

„kühle“

Diamanten

He

10 -2 M S

C/O „Diamant“

T initial ~ 140 Mio K

T crystal ~ 16 Mio K

T Debye ~ 14 Mio K

T heute ~ 10 Mio K

Druck durch e -

C / O Core

Kristallgitter

(Diamant)

T < 6 Mio K

H Atmosphäre

T eff > 4000 K

~ 0,0001 M S

H

10 -5 M S

Typischer

Weißer Zwerg

M = 0,6 M S

R = 9094 km


10 Mrd. Weiße Zwerge

in der Galaxis


Elektronenentartung


Modelle Weiße Zwerge


g = 1 + 1/n

Polytropennäherung


Hydrostatisches Gleichgewicht ART

(1939)


P = Kr G

Struktur

Weißer

Zwerge


Chandrasekhar 1930


Masse – Radius Beziehung


Weiße Zwerge: Masse – Dichte Sequenz

n=3 Polytrope

Beobachtete

Mittlere Masse

Numerische

Lösung des

Hydrostatischen

Gleichgewichts

Chandrasekhar

Einstein Theorie

Coulomb Korrekturen


Weiße Zwerge: Masse – Radius


??

Weiße Zwerge

Punkte: Hipparcos Parallaxen GAIA Projekt

Test mit

Beobachtungen

Fe WZ

WZ mit Atmosphäre

CO WZ


Kataklysmische

Systeme (CV)

WZ +

Akkretionsscheibe

in

Doppelsternen


Novae


Akkretion auf WZ SN Ia

Roter Riese

• Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen

• H fusioniert stetig zu He Bildung einer Heliumhülle

• Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze

Weißer

Zwerg

M ~ M Ch


SN Ia – so hell wie Galaxie

SN 1994d


t = 0s t = 0,3s

Mehrfachzündungen

von

Flammenkugeln

Simulationen SN Ia

Hohe Temperaturen;

Aschedichte niedriger

als Rest Pilzform


t = 0,6s

Bildung von Substrukturen;

Oberflächenvergrößerung &

Verbrennungsratenerhöhung

Simulationen SN Ia

t = 2s

Scherströme erzeugen

Verwirbelungen; Brennfront

erreicht Oberfläche


Lichtkurven SN Ia

Absolute Helligkeit: bis -19,5 mag 10 Mrd. L

Radioaktiver Zerfall von 56 Ni zu 56 Fe verzögert Abkühlung

56 9 Tage Ni 56 112 Tage Co 56Fe + e +

Ähnlicher Verlauf Standardkerze


Ersetze Elektronen durch Neutronen

1932 Chadwick entdeckt das Neutron (Fermion).

1930 Chandrasekhar Grenzmasse für Weiße Zwerge:

erste dokumentiere Spekulation über kompakte

Objekte, die selbst das Licht vollständig anziehen.

1930 Lev Landau spekuliert über Neutronen:

da Neutronen auch Fermi-Teilchen Sterne?

1933 Zwicky und Baade Bildung NSterne in Supernovae

1939 Tolman, Oppenheimer & Volkoff (Einstein)

Struktur der Neutronensterne kann nur geometrisch

im Rahmen von Raum und Zeit verstanden werden.

1967 NSterne werden als Radiopulsare entdeckt

Rotierender NStern mit Dipolmagnetosphäre;

Pulsar im Krebsnebel

1970 NSterne werden als Röntgenpulsare entdeckt -

Akkretierende NSterne in Doppelsternsystemen


Erfinder der NeutronenSterne

Lev Landau 1930

“es könnte NS geben”

Fritz Zwicky 1933

“NS entstehen in Supernova”


Atomkerne dicht gepackt

Kruste der NSterne


Anatomie eines Neutronensterns

Der typische

Neutronen-

Stern (1,4 M S)

im Querschnitt

-

hat ein

komplexes

Innenleben

und feste

Oberfläche mit T eff

= 100.000 - Mio K

-

Radius (~10 km) =

2,5 x Schwarzschild

Zentraldichte ~

3 – 8 Kerndichte

Neutronen-

Flüssigkeit

n

p

e

µ

9 – 11 km

Photon

erleidet

gravitative

Rotversch.

von 35% !

Kruste

1-2 km aus

schweren

Kernen


Neutronen-Flüssigkeit

1-fache

Kerndichte:

Neutronen

dicht

gepackt

wie in

Atomkernen

Flüssigkeit


Kaltes Quark-Gluon Plasma

> 3-fache

Kerndichte:

Neutronen

überlappen

Quarks

bewegen

sich frei

QG Plasma


Masse-Radius

Beziehung

2 Lösungen: z = 0,35 ist gravitative Rotverschiebung

- N Stern 1,7 M S - unwahrscheinlich

- N Stern mit Quark-Core: 1,4 Sonnenmassen


Entdeckung der Pulsare 1967

Nobelpreis 1974 an Ryle & Hewish

Tony Hewish and Jocelyn

Bell Bonn, August 1980


Pulsare – Leuchtturm

historisch nicht erwartet!


Pulsar Diagramm

B S

3

10

15

T

T

1


2P

T

T

T

/ s

Camenzind 2007


Millisek-Pulsare

1 ms < P < 20 ms

Online Pulsar Katalog: Web-Seite ATNF Pulsar

”Normale“ Pulsare

P > 20 ms

Camenzind 2007


Ein isoliertes Schwarzes Loch

ist ein echtes Loch im Raum,

Durch Horizont begrenzt

Gravitation ist so stark, dass

auch Photonen nicht entweichen

Ausdehnung gleich –

Masse ~ 10 x Sonne


RaumZeit Sternkollaps

Core eines massereichen

Sterns kollabiert auf SL in ms


RaumZeit Sternkollaps

Alle Unregelmässigkeiten,

außer Masse und Drehimpuls,

werden als GWellen abgestrahlt


„Schwarze Löcher haben nur 2 Haare“

X

Schwarzschild (1916)

{Masse M}

Reissner-Nordstrom

{M, Ladung Q}

Kerr (1963)

{Masse M, Spin a}

Kerr-Newman

{M,a,Ladung Q}

J.A. Wheeler 1967:

„Glatzen-Satz“, „No Hair“


Die wahren Pioniere der SL

Karl Schwarzschild 1916 Roy Kerr 1963


Die Kerr Lösung – BL Koordinaten

Horizont r = const Fläche D(r) = 0:


Anatomie eines Kerr Lochs

R g = GM/c² = 1,5 km M/M S

Vakuum

Schwarzschild

Ring-

Singularität

Vakuum

Alles mitrotieren

Quadrupolmoment Q = M a²


Schwarze Löcher ~ Seifenblasen

erzeugen nur GWellen !

2 Horizonte verschmelzen


BH-BH Head-on Collision

Simulation: CalTech-Cornell


Lichtablenkung

Schwarzes Loch


Andromeda ohne Schwarzes Loch


Schwarzes Loch vor Andromeda

Einstein Ring & Photonorbit


„Glatzen-Ebene der SL“

Camenzind 2006


µQuasare

Objekt Bahn Periode Donor Stern Masse des BH Spin a

GRS1915+105 33.5 d K/M III 14 +/- 4 0.9 – 0.99

V404 Cyg 6.470 d K0 IV 12 +/- 2 -

Cyg X-1 5.600 d O9.7ab 8 +/- 2 0.4 – 0.6

LMC X-1 3.909 d Orosz08 O9 IIIa 10.3 +/- 1.3 0.9 +/- 0.02

M33 X-7 3.45 d Orosz07 O7 III 15.6 +/- 1.4 0.77+/-0.05

LMC X-3 1.704 d B3 V 7.6 +/- 1.2 0.2 – 0.4

GRO J1655-40 2.620 d F3 IV 6.3 +/- 0.3 0.6 – 0.8

XTEJ1819-254 2.816 d B9 III 7.1 +/- 0.3 -

IC 10 X-1 34.4 h W He 35 24 - 33 -

GX 339-4 1.7557 d B0 V > 5.8 0.93+/-0.04 Suz

XTEJ1550-564 1.542 d G8 IV 9.6 +/- 1.2 -

4U 1543-47 1.125 d A2 V 9.4 +/- 1.0 0.75-0.85

H 1705-250 0.520 d K3 V 6 +/- 2 -

GS 1124-168 0.433 d K3 V 7.0 +/- 0.6 -

GS 2000+25 0.345 d K3 V 7.5 +/- 0.3 -

A 0620-00 0.325 d K4 V 11 +/- 2 -

XTEJ1650-500 0.321 d K4 V 3.8 +/- 0.5 -

GRS 1009-45 0.283 d K7 V 5.2 +/- 0.6 -

GROJ0422+32 0.212 d M2 V 4 +/- 1 -

Remillard & McClintock 2006; Camenzind 2007


Blauer Überriese mit

70 Sonnenmassen

bedeckt periodisch

die Röntgenquelle

Messier 33

Quelle X-7 :

Periode: 3,45 d

2007 identifiziert

15,7 Sonnen-

massen SL

~ wie Cyg X-1

System

entwickelt sich zu

DoppelSL-System

Merging GW


Zusammenfassung

• Struktur der Weißen Zwerge ist geklärt, als

Kosmochronometer eingesetzt. ~ 10 Mrd. WZ

SNIa entstehen in Weißen Zwergen M~M C.

• Weiße Zwerge sind Endprodukt der Entwicklung

massearmer Sterne (M < 8 Sonnenmassen).

• Bekannteste Weiße Zwerg: Sirius A (1,0 M S).

• Kühle Weiße Zwerge sind Diamanten mit H-

und He-Hülle.

• Massereiche Weiße Zwerge sind Vorgänger zu

Supernovae Typ Ia.

• Spielen seit 1997 eine wichtige Rolle in Distanzmessung

im expandierenden Universum.

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