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.