Die Supernova 1987A –

im Lichte der Neutrinos

Seminar "Plasmen, Teilchen, Weltall", 15.12.2006 Anna Mohr

• Wie werden in einer Supernova Neutrinos produziert?

• Was hat man im Rahmen der SN1987A nachgewiesen?

• Wie lassen sich die gemessenen Daten interpretieren?

Stern am Ende seines Lebens

Supernova Ia möglich

m<8M

Weiße Zwerge

m>30M

Supernova Ib/Ic

Supernova Typ II

SN-Einteilung

Die letzten Etappen

1. H He im Kern

2. He C im Kern, H He in äusseren Schalen

Eisen

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"Asche" = Brennstoff

für nächste Fusion

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R. McGray

• Wie werden in einer Supernova Neutrinos produziert?

• Was hat man im Rahmen der SN1987A nachgewiesen?

• Wie lassen sich die gemessenen Daten interpretieren?

Das Neutrino-Core-Kollaps Modell

Druck der e < Gravitation

Kollaps des Eisenkerns

( 100 ms)

Schalenbrennen

Masse(Fe-Kern) > 1.4 M

Beschleunigung des Kollaps:

• Zerfall der Fe-Kerne: 56Fe 13 4He + 4n

• Elektroneneinfang: p e n e (Neutronisation)

1. Neutrino-Burst: nur

e

Kompression der inneren Core-Materie auf nukleare Dichte

Rückprall gegen die

einstürzenden Materie SCHOCKWELLE

Entwicklung des Cores

Abkühlung: e e+ Z0

(= e,,)(Kelvin-Helmholtz-Neutrino- Kühlung)

Diffusion nach aussen

Abstrahlung 10-20 sec

Abkühlung des Cores

Core opak für Neutrinos ( 1m im Zentrum)

2. Neutrino-Burst: alle Flavours

Gesamtenergie

Bindungsenergie des Neutronensterns:

Etot = (2-3)1053 erg (1046 J)

• 1049 erg (0.01 %) el.-mag. Strahlung

• 1051 erg (1 %) Explosion

• der Rest (99 %) Neutrinos

1. Neutrino-Burst ( e ): 10 %

2. Neutrino-Burst (alle Flavours): 90 %

• E() = kBT am Abstrahlugsort = Neutrinosphäre

Neutrinospäre

• Neutrinospähre der e bei kleineren T

E(e) < E(,)

Die Neutrino-Energien

• mit Fermi-Dirac-Verteilung:

E(e) 9.45 MeV

E(,) 19 MeV

E(e) 14 MeV

• (e) > (e) > (,)

• Wirkungsquerschnitt E()

Das Schicksal der Schockwelle

Schockwelle propagiert...

- DOCH!

Neutrino-Reheating

großer Energieverlust

Stillstand bei r 200-300km (10 ms)

Keine Supernova?

m>16Mm<16M

Explosion nach 20 ms

Cassiopeia A

Die "Neurino-Heizung"

Masseneinfall von äußeren Schichten

Druck von Aussen

M. Guidry

Energieübertragung durch Neutrinos

Druck von Innen

Neutrinos gewinnen!

• Wie werden in einer Supernova Neutrinos produziert?

• Was hat man im Rahmen der SN1987A nachgewiesen?

• Wie lassen sich die gemessenen Daten interpretieren?

"Sehen" von Neutrinos

Wechselwirkung im Detektor

• Streuung: e e alle Neutrino-Flavous

• e p e+ n

nur Elektron-Antineutrinos

e–, e+ erzeugen Cherenkov-Licht im Detektormedium

Photomultiplier Rekonstruktion

von Energie (und Richtung) des Neutrinos

Simuliertes Event im Kamiokande-Detektor:

νμ produziert μ (blauer Cherenkov-Ring)

Thomasz Barszczak

SN87-Event im IMB-Detektor: Neutrino erzeugt Positron

IMB-Coll.

Die Detektoren

Super-Kamiokande beim Befüllen

Kamiokande

(Japan)

IMB

(Ohio,USA)

Targetmasse 2140t H2O 5000t H2O

Photomultiplier 948 2048

Nachweisschwelle 7.5 MeV 19 MeV

Die Messung

F. Boehm(92)

IMB

•8 Neutrinos in 5.6 s

•19 MeV < E < 40 MeV

KAMII

•11 Neutrinos in 12 s

•7.5 MeV < E < 36 MeV

• Wie werden in einer Supernova Neutrinos produziert?

• Was hat man im Rahmen der SN1987A nachgewiesen?

• Wie lassen sich die gemessenen Daten interpretieren?

Grenzen für Neutrino-Eigenschaften

aus SN1987Aandere (neuere)

Grenzen

Ladung Q < 210-15e< 410-4e

(Beschleuniger)

Flavouranzahl N 2.552.99

(Z0-Zerfall)

Masse m < 30 eV< 2 eV

(Tritium-Zerfall)

Lebensdauer τ > 4105 m()eV s7109 m()eV s

(solare Neutrinos)

Magn. Moment μ < 10-12 μb

< 910-11 μb

(Reaktor)

(Daten aus PDG)

Ergebnisse zur SN-Physik

Modell Messung

E(e) 14 MeV (12.5 ±3) MeV

Etot (2-3) 1053 erg (2 ±1) 1053 erg

Pulsdauer 10-20 sec 12 sec

Durchmesser des Neutronensterns

30 km (30 ±20) km

• zeitliche Entwicklung des Neutrino-Pulses:

Simulationen

Totani et al.1998

Blick in die Zukunft

• neue Detektoren, z.B Superkamiokande

10000 e von SN im Abstand 10kpc

Ablauf der Explosion

Neutronisation

Explosion

Abkühlung

• A. Burrows: Neutrinos from Supernova Explosions; Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 1990.40: 181-212

• A. Burrows: Supernova Explosions in the Universe; Nature; Vol. 403; Feb. 2000

• A Burrows, D. Klein, R. Gandhi: The Future of Supernova Neutrino Detection; Physical Review D; Volume 45; Mai 1992

• T. Totani et al.: Future Detection of Supernova Neutrino Burst and Explosion Mechanism; Astrophysical J., 496, 216-224, 1998