Sternexplosionen und Pulsare

Seminar: Plasma, Teilchen, Weltall

Vortragender: Gordon Krenz

Gliederung I

1. Das Sterben der Sterne1.1 Einführung

1.2 Sterngleichgewicht

1.3 Endzustände

1.31 Weißer Zwerg

1.32 Neutronenstern

1.33 Schwarzes Loch

1.4 Sternexplosionen

1.41 Nova

1.42 Supernova Typ I

1.43 Supernova Typ II

1.5 Elementensynthese

Gliederung II

2. Pulsare2.1 Entdeckung 2.2 Phänomenologie2.3 Aufbau eines Neutronensterns2.4 Verteilung2.5 Pulsar-Magnetosphäre2.6 Alter von Pulsaren

3. Zusammenfassung

Das Sterben der Sterne

Masse: 1.99·1030 kg

Radius: 6.96·105 km

Energieabstrahlung: 3.85·1023 kW

Kernreaktion : 400·106 Tonnen/s H→He

1% Wirkungsgrad

Sonne wird pro Sekunde 4·106 Tonnen leichter

1. Blaue Überriese

2. Blaue Riesen

3.+4. Zentrum der Hauptreihe

5. Rote Zwerge

6. Weiße Zwerge

7. Rote Überriesen

8. Rote Riesen

Ort der homogenen, stationären Gleichgewichtszustände im HRD. Sterne gleicher chemischer Zusammensetzung in der Phase des Wasserstoffbrennens

Gegenüber der Ursonne ist:

R etwa um 5%

L etwa um 40%

TC etwa um15%

Ρ etwa um 70%

εPP etwa um 15%

angestiegen

299 )/(106/

/106: sonne

Sonne

sonneE MMa

LL

MMagszeitEntwicklun

Sterngleichgewicht

nichtrelativistischer Grenzfall :

)()(

2r

r

rGM

dr

dP

Oppenheimer-Volkoff-Gleichung1

22

3

22]

21][

41][1[

rc

GM

Mc

Pr

c

P

r

GM

dr

dP

matgrav PP

Gravitationsdruck einer Massenverteilung: „normaler Stern“

4

3T

aT

RPmat

R

GMEgrav

2

minimal)()()( RERERE matgrav

Weißer Zwerg

Mittlerer Elektronenimpuls 3/1)/(~

NVp

Energie eines Elektrons

)(...

)(...2

22

cmpcp

cmpm

pcm

e

ee

e

Kinetische Energie der N Elektronen

)(~

)(~2

3/4

2

23/52

cmpR

cNNcp

cmpmR

N

m

pN

E

e

eee

mat

nNmM 2

23/4 GMcN

SonneMGm

cmM

nnC 8.1)( 2/3

2

Chandrasekhar-Grenzmasse

Charakteristische Massendichte:

393

32102)(

3 m

kgcm

me

nc

)(87.5

)(79.2

2

2/1

2

cCSonne

cSonnec

MM

MM

)(1033.5

)(1000.2

4

3/1

4

6/1

cc

cc

km

km

R

Neutronenstern

)(7.22/1

CSonneC

MM

Massendichte3

1832

34

1063 m

kgcmnc

Ekin >1.5 mec2

Inverser β- -Zerfall: p+e-→n+νe

1.5 Msonne≤ MC≤ 3Msonne

)(116/1

CC kmR

Schwarzes Loch

2

319

23

6

10232

3

M

M

m

kg

MG

c Sonnekr

No Hair-Theorem: bis auf die Größen M,L und Q ist Zustand unabhängig von der Vorgeschichte des Sterns

Schwarzschildradius:

2

2

c

GMrS

Nova

• Helligkeit steigt auf das 102 -104 fache• Expansionsgeschwindigkeit v≈50...3500 km/h• Annahme: enges Doppelsternsystem mit einer

heißen, blauen Komponente (Weißer Zwerg) und einer massenärmeren kühlen Komponente (Riese)

• Größere Komponente gibt Masse an die heiße Komponente ab - führt zum Anwachsen der Temperatur und Dichte

• ab einer kritischen Temperatur kommt es zur Explosion auf blauer Komponente

• abgestoßene Masse: (2...20)·10-5 MSonne

• Wiederholung: 10....106

Typ I Supernova

• Annahmen: akkretierender Weißer Zwerg in Doppelsternsystem, der über Chandrasekhargrenze anwächst

• Stern wird dabei vermutlich zerstört• Andere Deutung: Zusammenstoß zweier Weißer Zwerge• Helligkeitszunahme um 108-fache• Expansionsgeschwindigkeit v>104 km/s

• Abgestoßene Masse 0.1...1 MSonne

• Optische Ausbruchsenergie: 10-5... 10-4 MSonnec2

• im Gegensatz zu Typ II Supernova enthält Spektrum keine Wasserstofflinien

Wasserstoffbrennen Dauer: 7·106 a

T≈60·106 K

Heliumbrennen Dauer: 5·105 a

T≈230·106 K

ρ≈5 g cm-3 ρ≈7·102 g cm-3

Kohlenstoffbrennen Dauer: 6·102 a

T≈930·106 K

ρ≈2·105 g cm-3

Neonbrennen Dauer: 1·100 a

T≈1.7·109 K

ρ≈4·106 g cm-3

Sauerstoffbrennen Dauer: 6 Monate

T≈2.3·109 K

ρ≈1·107 g cm-3

Siliziumbrennen Dauer: 1 d

T≈4.1·109 K

ρ≈3·107 g cm-3

Kernkollaps Dauer: sek

T≈8.1·109 K

ρ≈3·109 g cm-3

Kernrückprall Dauer: msek

T≈34.8·109 K

ρ≈3·1014 g cm-3

Typ II Supernova•Kollaps innerhalb von 0.2 s

•Neutrinos sind signifikantes Signal für Gravitationskollaps 100-mal mehr Energie durch Neutrinos abgeführt als durch optische Strahlung

•Schockwelle erreicht Sternoberfläche innerhalb von 2 h

•Gashülle mit 3...6 ·103 km/s abgesprengt

•Optische Ausbruchsenergie10-6... 10-5 MSonnec2

•Helligkeit steigt um das 108-fache

•Abgestoßene Masse 1…10 MSonne

Elementensynthese

Pulsare

Entdeckung von Pulsaren

PSR 1919+21T = 1.33 s

Entdeckung durch Jocelyn Bell und ihrem Doktorvater Antony Hewish 1967 in Cambridge

Phänomenologie

2 RBS

2RT

T10 2OBS

m107 8Rd26T

ms4.0Tkm10R T108OBS

Aufbau eines NeutronensternsOberfläche aus metallischen Eisen; ρ=106g cm-3 (Eisenkerne in einem Elektronensee)

äußere Kruste; ρ=4.3·1011g cm-3 (neutronenreiche Atomkerne und Elektronen)

innere Kruste; ρ=2·1014g cm-3 (neutronenreiche Atomkerne, Elektronen und Atomkerne) Neutronenflüssigkeit; ρ=1015g cm-3 (hauptsächlich Neutronen sowie

einige Elektronen und supraleitende Protonen)

Andere Modellvorstellungen

Arten von Pulsare

TBS810

log( T / s )

num

ber

”Normale“ PulsareT > 20 msBS ≥108 T

Millisekunden Pulsare1 ms < T < 20 ms

BS ≤O(105) T

Crab: T = 33 ms Vela: T = 89 ms

Pulsmuster einiger Pulsare

Pulsar-Magnetosphäre

Lichtzylinder:skm1048 3 TcRL

Rotator Modell

333

20

6 K

Ic

pm

mp

mp

Magnetische Abbremsung durch Abstrahlung von

polarisierter Dipolstrahlung

2212

3

40

6

I

dt

dp

cdt

dEm

Pulsare als Magnetische Dipol- Antenne

Der Bremsparameter

Magnetischer Bremsparameter vorhergesagt: 3 nK n

Bremsparameter n messbar durch : 222

T

TTn

• Crab: n = 2.515 ± 0.005

• PSR 1509-58: n = 2.8 ± 0.2

• PSR 0540-69: n = 2.01 ± 0.02

Der Unipolare Induktor

SindS BEB

v Rotation

T

OBS

km/ 60v

T108

TO

TOE

ÄquatorPol

ind

s1V10

s1mV10

16

12

• Oberflächenkraft 1012 –mal stärker als die Gravitation (Crab)

• Geladene Teilchen (Elektronen...) werden aus der Oberfläche herausgezogen und werden auf hohe Energien beschleunigt => Pulsar Wind

• kohärente Strahlungsemission aus e+e–-Kaskaden entlang des B-Feld an den Polen

Magnetisches Feld an der Oberfläche

30

30

4

sincos24

R

pB

eeR

pB

mS

rm

S

33

20

6 Ic

pm

s/T103 15 TTBS

Crab Pulsar: 13107.3

ms33

T

T T103 8SB

mp

R

re

e

SB

Das Alter von Pulsaren

T

T

Tn

T

n

KnKnK

nnnPn

211

1

111

1

111

01

10 8 T

10 6 T10

6 a

1010 a

T (s)

log 10

T·

TTP

2

1

s/T103 15 TTBS

Beobachtung des Ausbruchs: 1054 =>

Eigenschaften: T = 33 ms

Theorie:

Pulsar im Crab-Nebel

PSR B0531+21T = 33 ms

13107.3 T

a 14002

T

TP

yr 948P

Zusammenfassung• 3 Arten von gewaltigen Sternenexplosionen: Supernova Typ I und II

sowie Nova• Markieren entweder Ende eines Sternlebens oder sind Resultate

von Wechselwirkung von Weißen Zwergen mit „normalen Sternen“ in Doppelsternsystemen

• wichtig für die Synthese und Verteilung von Elemente• Pulsare sind Neutronensterne, Endzustand eines Sternlebens• Innerer Aufbau nicht ganz geklärt-größtensteils aus Neutronen

aufgebaut• Rotieren sehr schnell (T~O(10) ms); sehr starkes Magnetfeld

(B~O(108) T) - Magnetfeldpole nicht immer identisch mit Rotationsachse

• Stark gerichtete Emission von Strahlung, vornehmlich im Radiowellenbereich

• Bedeutung: genaueste „Uhren“ im All; Nachweis von Gravitationswellen