NEUTRONENSTERNE

Eine Reise in die Vergangenheit

Jochen WambachInstitut fur Kernphysik

TU Darmstadt

Was sind Neutronensterne?

Wie entstehen sie?

Was sind ihre Eigenschaften?

Wie sind sie aufgebaut?

NEUTRONENSTERNE

Eine Reise in die Vergangenheit

Jochen WambachInstitut fur Kernphysik

TU Darmstadt

Was sind Neutronensterne?

Wie entstehen sie?

Was sind ihre Eigenschaften?

Wie sind sie aufgebaut?

Kompakte Objekte

geringe Große (10− 104 km)hohe Materiedichte (107 − 1015 g/cm3)

Weiße Zwerge (M ≤ 8 M�)

Neutronensterne (8 M� ≤ M ≤ 30 M�)

Schwarze Locher (M ≥ 30 M�)

Meilensteine

L. Landau 1931

Entdeckung des Neutrons!

Proc. Roy. Soc. London A136, 692-708

J. Chadwick 1932

W.Baade und F. Zwicky 1934

Meilensteine

erste Berechnungen

R. Oppenheimer 1939

∼ 0.7 Sonnenmassen∼ 10 km Radius

riesiger Atomkern!∼ 1057 Neutronen

Meilensteine

erste Berechnungen

R. Oppenheimer 1939

∼ 0.7 Sonnenmassen∼ 10 km Radius

riesiger Atomkern!∼ 1057 Neutronen

Meilensteine

*

Die Sonne

riesiger Gasball(∼ 4× 109 Jahre)

M� ∼ 2× 1030 kgR� ∼ 7× 105 kmT s� ∼ 6× 103 ◦K

T i� ∼ 2× 107 ◦K

92.1% H und 7.8 % He

Energie aus Kernfusion

4p+2e− →4He+2νe

Energiegewinn:∼ 27 MeV

(1 MeV ∼ 1.6×10−13 J)

knapp 600 000 TonnenH/Sekunde

L� = 3.8× 1017

GW

*

Schicksal der Sonne

zuruck bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern

stabilisiert durch”entartete“ Elektronen

W. Pauli 1925

Schicksal der Sonne

zuruck bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern

stabilisiert durch”entartete“ Elektronen

W. Pauli 1925

Schicksal der Sonne

zuruck bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern

stabilisiert durch”entartete“ Elektronen

W. Pauli 1925

SIRIUS B!

M=1.05M� R=0.01R�

Massenreiche Sterne

Wie lange leben Sterne ?

Masse Lebenserwartung

1M� 1× 1010 J5M� 7× 107 J10M� 2× 107 J15M� 1× 107 J30M� 5× 106 J

je massereicher desto kurzerdie Lebensdauer!

roter Superriese

R ∼ 10 Lichtminuten

∼ 108 km

Sterben eines massiven Sterns

Eisenkern wachst bisMFe ∼M�

Elektroneneinfang

e−+(Z,N)→(Z-1,N+1)+νe

Kollaps in weniger alseiner Sekunde!

v =RFe − RNS

1s= 6× 103 km/s

= 0.02c

Explosion !*

Krebsnebel

Sternbild Stier

freigesetzte Leistungca. 1038 GW!∼ 1012 Sonnen!

Krebsnebel

Supernova 1998S

Spiralgalaxie NGC 3877

↗Supernova!

Historische SupernovaeEntdeckungsjahr sichtbar Sternbild beobachtet

185 8 Monate Centaurus China393 7 Monate Scorpius China

1006 einige Jahre Lupus China,JapanEuropa,Arabien

1054 ∼ 2 Jahre Taurus China,JapanArabien, Nordamerika

1181 ∼ 6 Monate Cassiopeia China,Japan1572 16 Monate Cassiopeia Tycho Brahe1604 ∼ 1 Jahr Ophiuchus Johannes Kepler1987 ∼ 13 Jahre Mag. Wolke Ian Shelton

14 Neutrinos!

Historische SupernovaeEntdeckungsjahr sichtbar Sternbild beobachtet

185 8 Monate Centaurus China393 7 Monate Scorpius China

1006 einige Jahre Lupus China,JapanEuropa,Arabien

1054 ∼ 2 Jahre Taurus China,JapanArabien, Nordamerika

1181 ∼ 6 Monate Cassiopeia China,Japan1572 16 Monate Cassiopeia Tycho Brahe1604 ∼ 1 Jahr Ophiuchus Johannes Kepler1987 ∼ 13 Jahre Mag. Wolke Ian Shelton

14 Neutrinos!

Supernova 1987A

↗SK-69◦202

sehr helles Ereignis ∼ 1012L�schnell expandierende Explosionswolke ∼ 104 km/s

elektromagn. Energie ∼ 1042 J

kinetische Energie ∼ 1044 J

Neutrinos ∼ 1046 J !

Haufigkeiten

∼ 2000 Neutronensterne∼ 109 erwartet

Galaktische Verteilung

hohe Fluchtgeschwindigkeiten !

Neutrinoraketen?

Haufigkeiten

∼ 2000 Neutronensterne∼ 109 erwartet

Galaktische Verteilung

hohe Fluchtgeschwindigkeiten !

Neutrinoraketen?

Massenverteilung

Schwerkraft

Erde: gE = 9.8 m/s2

F = GmM

R2→ mgE = G

mME

R2E

Neutronenstern:gNSgE

=MNS

ME

(RE

RNS

)2

RE = 6.4× 103 km RNS = 10 kmME = 7.4× 1022 g MNS = 2× 1033 g

gNS ∼ 1016gE

1g wiegt 10 Milliarden Tonnen !

Schwerkraft

Erde: gE = 9.8 m/s2

F = GmM

R2→ mgE = G

mME

R2E

Neutronenstern:gNSgE

=MNS

ME

(RE

RNS

)2

RE = 6.4× 103 km RNS = 10 kmME = 7.4× 1022 g MNS = 2× 1033 g

gNS ∼ 1016gE

1g wiegt 10 Milliarden Tonnen !

Schwerkraft

Erde: gE = 9.8 m/s2

F = GmM

R2→ mgE = G

mME

R2E

Neutronenstern:gNSgE

=MNS

ME

(RE

RNS

)2

RE = 6.4× 103 km RNS = 10 kmME = 7.4× 1022 g MNS = 2× 1033 g

gNS ∼ 1016gE

1g wiegt 10 Milliarden Tonnen !

Freier Fall

Fallgeschwindigkeit:v =

√2gh

Fall aus 1m Hohe

Erde: vE = 4.4 m/s

Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s

aber: c = 3× 108 m/s !

allgemeine Relativitatstheorie !

A. Einstein 1915

Freier Fall

Fallgeschwindigkeit:v =

√2gh

Fall aus 1m Hohe

Erde: vE = 4.4 m/s

Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s

aber: c = 3× 108 m/s !

allgemeine Relativitatstheorie !

A. Einstein 1915

Freier Fall

Fallgeschwindigkeit:v =

√2gh

Fall aus 1m Hohe

Erde: vE = 4.4 m/s

Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s

aber: c = 3× 108 m/s !

allgemeine Relativitatstheorie !

A. Einstein 1915

Freier Fall

Fallgeschwindigkeit:v =

√2gh

Fall aus 1m Hohe

Erde: vE = 4.4 m/s

Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s

aber: c = 3× 108 m/s !

allgemeine Relativitatstheorie !

A. Einstein 1915

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung: Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung: Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung: Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung: Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung:

Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung: Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung: Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse

T� = 2.6× 106 s

Drehimpulserhaltung: Li = Lf

LFe =2π

TFeIFe = LNS =

2π

TNSINS

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel:

I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel:

I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe

TNS = 6s

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Periode von PSR 1937+21

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Periode von PSR 1937+21

T = 1.55780644887275± 0.00000000000003 ms

Rotation

Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2

⇒ TNS =(RNS

RFe

)2TFe TNS = 6s

Periode von PSR 1937+21

T = 1.55780644887275± 0.00000000000003 ms

PSR 0329+54

PSR 0833-45

PSR 1937+21

Magnetfeld

Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T

Erhaltung des magnetischen Flusses

B�A� = BNSANS

⇒ BNS =

(R�RNS

)2

B�

Magnetfeld

Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T

Erhaltung des magnetischen Flusses

B�A� = BNSANS

⇒ BNS =

(R�RNS

)2

B�

Magnetfeld

Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T

Erhaltung des magnetischen Flusses

B�A� = BNSANS

⇒ BNS =

(R�RNS

)2

B�

Magnetfeld

Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T

Erhaltung des magnetischen Flusses

B�A� = BNSANS

⇒ BNS =

(R�RNS

)2

B�

Magnetfeld

Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T

Erhaltung des magnetischen Flusses

B�A� = BNSANS

⇒ BNS =

(R�RNS

)2

B�

Magnetfeld

Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T

Erhaltung des magnetischen Flusses

B�A� = BNSANS

⇒ BNS =

(R�RNS

)2

B�

Magnetfeld

R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km

BNS = 5× 1011G

→ Pulsare!

Magnetfeld

R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km

BNS = 5× 1011G

→ Pulsare!

Magnetfeld

R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km

BNS = 5× 1011G

→ Pulsare!

Magnetfeld

R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km

BNS = 5× 1011G

→ Pulsare!

Magnetfeld

R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km

BNS = 5× 1011G

→ Pulsare!

Pulsareentdeckt 1967

Nobelpreis 1974 Hewish und Bell

Pulsar

Sicht des”

Theoretikers“

Evolution

Merger

Vielen Dank furIhre Aufmerksamkeit!