Kompakte Objekte in der Astrophysik - mpia.de Kompakte Objekte in der Astrophysik Weisse Zwerge Neutronensterne

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  • Kompakte Objekte in der Astrophysik

    � Weisse Zwerge

    � Neutronensterne

    � Schwarze Löcher

    � Beobachtung / Physikalische Prozesse

    � Aufbau: Zustandsgleichung ...

    � Entwicklung: Akkretion / Kühlung ...

    Vorlesung im SS2004 von Christian Fendt

  • Kompakte Objekte

    2. Klassifizierung

    Stellare kompakte Objekte: Klassifizierung / Entdeckung / Eigenschaften:

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    -- Quellen -- Leuchtkraft

    -- Spektrum

    -- Masse

    -- Aktivität

    -- Modellvorstellungen

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    -- 1920: Rutherford postuliert Neutron

    -- 1932: Landau: Struktur kompakter Sterne --> Grenzmasse 1.5 M*, R~3 km (einfache Zustandsgleichung)

    -- 1932: J. Chadwick: Nachweis des Neutrons

    -- 1934: W. Baade & F. Zwicky: Vorhersage von Neutronensternen: ''... With all reserve we advance the view that supernovae represent transitions from ordinary stars into neutron stars, with their final stages consist of extremely closely packed neutrons ... ''

    -- 1939: S. Chandrasekhar: Kollaps zu Neutronensternen für M >1.4 M*: ''... If the degenerate cores attain sufficiently high densities ... the protons and electrons will combine to form neutrons. This would ... resulting in the collaps of the star to a neutron core ... '' Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    -- 1939: Oppenheimer & Volkoff:

    --> Modelle für Neutronensterne --> Chandrasekhar-Grenzmasse für Neutronensterne: --> aus Landau Abschätzung für Neutronengas: 6 M* --> Lösung Einstein'scher Feld- gleichungen: OV-Gleichung: --> M_mx = 0.7 M* (Newtonsch) --> R = 9.6 km, ρ_c= 5x10^15 g/ccm --> heute: M_mx ~1.5-3.6 M* (grav.Masse)

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Beobachtung von Neutronsternen:

    ==>> Pulsare !!!! Crab-Nebel

    --> 1854: Lassell: Diffuse Strahlung des Crab-Nebels, keine Sterne

    --> 1916: Sliphar: Crab-Expansion ~ 1000 km/s

    --> 1928: Hubble: Verbindung mit Supernova 1054 AD ? (bestätigt von Oort 1942)

    --> 1942: Baade: beschleunigte Expansion: benötigt Energiequelle nach SN ...

    --> 1949: Bolton: Crab-Radioemission

    --> 1952: Shklovski postuliert: Optische & Radio- Strahlung ist Synchrotron-Strahlung --> Magnetfeld, rel. Elektronen, Polarisation

    --> 1964 Woltjer and Ginzburg: B ~10^12 G Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    --> 1967: Pacini / 1968 Gold: Crab-Energiequelle ist schnell rotierender magnetischer NS

    --> 1967: Bell & Hewish: Entdeckung der Pulsare

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    Entdeckung der Pulsare:

    --> Bell, Hewish et al. 1968: Radio-Pulsar (81.5 Mhz) mit 1.377s Periode (und weitere) --> little green men ??

    S.Jocelyn Bell Burnell an der Radio-Antenne

    Pulsar-Entdeckung 1967: (a) erste Detektion von PSR 1919+21 (b) fast chard recording: Pulse als Reflektionen entlang der Aufnahmespur

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    Entdeckung der Pulsare:

    --> Comella et al. 1969: Crab-Radiopulse: 33 ms --> Cocke et al. 1969: optische Pulse von Crab

    Crab-Nebel beobachtet mit dem VLT

    Crab-Radiopulse (Arecibo), Comella et al.: Mittl. Pulsform: 18000, 21000, 53000 Pulse.

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    Crab Pulsar mit VLT beobachtet:

    Crabpulse im Optischen:

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    HST Aufnahmen von RX J185635-3754

    Isolierter Neutronenstern: -- nicht aktiv -- 10 km Radius -- 700000 K Temperatur -- 25.6 mag Helligkeit -- 390000 km/h Geschw. (+ VLT Spektren)

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Binärpulsare:

    --> Beispiel PSR 1913+16 (Hulse & Taylor 1975): --> Periodizitäten in der Pulsarfrequenz durch Dopplereffekt --> Pulsar + unsichtbare Komponente M1 + M2 = 2.8278(7) M* --> Bahnbewegung (P~7.75 h) --> v~300km/s

    --> Allg. relativistische Effekte: -- Periheldrehung -- Gravitationswellen -- Gravitationsrotverschiebung --> Spez. relativistische Effekte: -- Dopplereffekt 2.Ordn.

    ==>> Bestimmung der Systemparameter ==>> Test der Allg. Relativitätstheorie: Quadrupolformel für Grav.-Wellen bis auf 15% Messfehler erfüllt

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    Systemparameter PSR 1913+16 (1982):

    Pp [s] = 0.0590299952709(20) dPp/dt [10^-18] = 8.628(20) ddPp/ddt [10^-30/s] = - 58(1200) a sin i / c [s] = 2.34186(24) e = 0.617139(5) P [s] = 27906.98161(3) dP/dt [10^-12] = - 2.30(22) ω [deg] = 178.8656(15) dω/dt [deg/yr] = 4.2261(7) M1 + M2 [M*] = 2.8278(7) ...Problem G

    --> astron ~ 1.1 R*, apastron ~ 4.8 R* --> Orbit schrumpft um 3.1 mm / Orbit --> verbleibende Lebenszeit: 300 Mio Jhr

    Andere Binärsysteme: 5 Doppel-Neutronensterne (3 i.d. Galaxis) ~ 50 mit anderen Begleitern (braune Zw.,WD), davon PSR B1257+12 mit drei inneren Planeten!

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Binärpulsare: -- Periheldrehung -- Gravitationswellen (Orbit)

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    Binärpulsare: -- Massenverteilung NS: M ~ M_cr -- Massenaustausch im Vorgängersystem

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    Binärpulsare: Pulsar mit Planetensystem: PSR B1257+12 (Wolszczan et al 1990): --> erste Detektion extrasolarer Planeten ! --> 3 Planeten innerhalb 0.5 AU: 0.02, 4.3, 3.9 x Erdmasse 25, 66, 98 Tage Periode

    --> 4. Planet ~2.6 AU, ~ 2x Plutomasse (Wolszczan et al. 2003)

  • Kompakte Objekte - Klassifizierung

    2b. Neutronensterne

    Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    Röntgenpulsare:

    = Binärsysteme mit periodischer Röntgenemission --> Entdeckt 1962 (Giacconi et al): Scorpius X-1 (weitere ~20 bekannt, insb. Her X-1) --> Modell: Röntgenstrahlung aus Akkretionssäule im Dipolfeld eines Neutronensterns (NS) --> Röntgenpulsare mit NS: -- high mass: HMXB: + WD -- low mass: LMXB: + Zwergstern

    --> vergl.: aperiodische Rönt.-Emission --> Cyg X-1: Kandidat für schwarzes Loch (Röntgenemission aus Akkretionsscheibe)

  • Kompakte Objekte: Universität Potsdam SS2004

    --> Radio-Puls-Prozess noch unverstanden: (polar cap / light cylinder -Modelle) --> Modellierung der Röntgenemission noch nicht erfolgreich

    Eigenschaften/Parameter:

    --> Masse < 3 M*, R~ 10 km --> Oberflächengravitation ~ 10^11 g --> Entweichgeschwindigkeit ~0.5 c --> Temperatur ~10^6 K --> Magnetfeld < 10^12 G (Erde: 0.5 G) --> Rotation: Periode bis ~1 ms (--> Alter)

    --> Aktivität: -- singuläre Sterne: -- nicht aktiv -- Radio- / optische Pulse: Synchrotron -- Dipolstrahlung, Abbremsung: