1 Hauptseminar Astroteilchenphysik und kosmische StrahlungEndstadien von Sternen - Supernovae und die Bildung schwerer Elemente von Manuel Rainer Dries
2 Inhalt: 1. Supernova 2. Die Endstadien von Sternen 3. Die Bildung schwerer Elemente 3.1 Die solare Häufigkeitsverteilung 3.2 Der s-Prozess 3.3 Der r-Prozess 3.4 Der p-Prozess
3 Zwei Typen von Supernovae Klassifikation: Anhand der Wasserstofflinien im Spektrum Zahlreiche Untergruppen Klassifikation: Anhand weiterer Merkmale im Spektrum Anhand der Lichtkurven Typ I Typ II Typ IIb Keine -linie Dominante -linie Dominante linie Typ Ia Typ Ib Typ Ic Typ IIL Typ IIP Explosion eines Sterns, die zu dessen Vernichtung führt.
4 Supernova vom Typ I Ausschließlich in engen Doppelsternsystemen Lagrange-Punkt: Ausgleich von Rotation und Gravitationswechselwirkung Rochesche Grenzfläche: Äquipotentialfläche des Doppelsternsystems Beide Komponenten auf Hauptreihe
5 Massereiche Komponente verlässt Hauptreihe→ Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche → Masseverlust über Lagrange-Punkt Massearmer Unterriese und massereicher Hauptreihenstern
6 Weißer Zwerg und HauptreihensternMassereiche Komponente verlässt Hauptreihe → Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche → Masseverlust über Lagrange-Punkt → Ausbildung einer rotierenden Akkretionsscheibe → Ausschüttung von Materie auf Oberfläche → Nova
7 Überschreitung der Chandrasekhar-Masse→ Gravitationskollaps des Weißen Zwerges → Explosives Einsetzen des Kohlenstoffbrennens → Supernova vom Typ I → Vollständige Vernichtung des Weißen Zwerges „Runaway“-Stern
8 Supernova vom Typ II Abstoßung äußerer Bereiche am Ende des Riesenstadiums → Weißer Zwerg Planetarischer Nebel Explosives Einsetzen des Kohlenstoff- / Sauerstoffbrennens → Supernova vom Typ II → Vollständige Vernichtung des Sterns
9 Kette nuklearer Reaktionen endet im Kern mit→ Überschreitung der Chandrasekhar-Masse → Gravitationskollaps des Kerns Unterstützt und beschleunigt durch: Photodissoziation von Inversen Betazerfall: → Entartungsdruck der Neutronen beendet Gravitationskollaps des Kerns
10 → Einstürzen äußerer Bereiche auf den Kern→ Nach außen laufende Schallwellen Verdichtung des Kerns bis zur dichtesten Kugelpackung von Kernteilchen → Rückprall des Kerns → Bildung nach außen laufender Stoßwellen im Schallpunkt → Energieverlust der Stoßwellen bei Dissoziation von
11 → Verlassen des Kerns von→ Energiegewinn bei Fusionsreaktionen → Durchlaufen äußerer Bereiche von → Supernova vom Typ II → Neutronenstern oder Schwarzes Loch → Versiegen im Kern von → Neutrinoheizung Wechselwirkung zuvor eingeschlossener → Erneutes Anregen → Durchlaufen äußerer Bereiche von → Supernova vom Typ II → Neutronenstern oder Schwarzes Loch
12 2. Die Endstadien von SternenEntartungsdruck der Fermionen: Folge des Pauli-Prinzips: „Zwei Fermionen können nicht gleichzeitig einen Zustand mit denselben Quantenzahlen besetzen.“ Folge der Unschärferelation: Verringerung des Volumens → Vergrößerung der Abstände der Energieniveaus → Notwendigkeit der Energiezuführung → Entartungsdruck der Fermionen
13 Weiße Zwerge: Ursprung: Sterne mit Abstoßung äußerer Bereiche am Ende des Riesenstadiums → Weißer Zwerg Planetarischer Nebel Effektivtemperatur: Masse: Durchmesser: Einige tausend bis zehntausend Kilometer Dichte:
14 Substanz: Entarteter Kohlenstoff und SauerstoffStabilisierung: Entartungsdruck der Elektronen → Grenzmasse: Endzustand: Vernichtung innerhalb einer Supernova vom Typ I Langsames Abkühlen und Erlöschen → Schwarzer Zwerg
15 Neutronensterne: Ursprung: Supernovae vom Typ II bei Sternen mit Zentraltemperatur: Masse: Durchmesser: Dichte: Rotationsfrequenz: bis Magnetfeld: bis
16 Aufbau: Oberfläche: Dicke: Dichte: Substanz: Kristallgitter zunehmend neutronenreicher Eisenisotope Innere Kruste: Substanz: Zunehmend Neutronen Innerer Bereich: Substanz: Überwiegend Neutronen Zentrum: Substanz: Eventuell Pionen, Kaonen, Quarks
17 Stabilisierung: Entartungsdruck der Neutronen→ Grenzmasse: Endzustand: Abkühlen unter Abstrahlung von Pulsare: Neigung der Achse des Magnetfeldes gegen Rotationsachse → Wechselwirkung mit geladenen Teilchen → Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von: Radiowellen Sichtbarem Licht Röntgenwellen
18 Schwarze Löcher Bereich, den weder Materie noch Licht verlassen kann Begrenzt durch Ereignishorizont oder Schwarzschildradius Sieben Typen von Schwarzen Löchern Unter anderem: Stellare Schwarze Löcher: Ursprung: Supernovae vom Typ II bei Sternen mit Masse: bis Supermassereiche Schwarze Löcher: Masse: Schwarze Löcher in Galaxiezentren Auch im Zentrum der Milchstraße hinter Sagittarius A*:
19 Hawking Strahlung: Folge des Casimir-Effekts: „Bildung virtueller Teilchen-Antiteilchen-Paare im Vakuum - Vakuumfluktuation“ Folge der Unschärferelation: Vakuumfluktuation am Ereignishorizont → Überschreitung des Ereignishorizonts durch Teilchen → Entweichen eines Teilchens → Hawking Strahlung → Energie- und Masseverlust Schwarzer Löcher → Lebensdauer Schwarzer Löcher
20 Zusammenfassung: Entwicklung eines Weißen Zwerges Entwicklung eines Neutronensterns Entwicklung eines Schwarzen Lochs
21 3. Die Bildung schwerer Elemente3.1 Die solare Häufigkeitsverteilung Erste vollständige Darstellung anhand spezieller Meteoriten Verbesserung und Ergänzung anhand des Sonnenspektrums Übereinstimmung einer Mehrzahl der Hauptreihensterne → Standard-Verteilung Urknall: , , , , Fusionsreaktionen: bis Neutronenreaktionen
22 3.2 Der s-Prozess „slow neutron capture“ Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang größer als -Zerfallszeit Stabiler Produktkern: Instabiler Produktkern: Bildungspfad verläuft im Stabilitätstal
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24 Abhängigkeit der resultierenden Häufigkeitsverteilung vomWirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang: Kleiner Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang → Große Häufigkeiten Großer Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang → Kleine Häufigkeiten Kleiner Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang bei Isotopen magischer Neutronenzahlen → Maxima der resultierenden Häufigkeitsverteilung bei und
25 Voraussetzung - Neutronen in Roten RiesenZwei Reaktionen zur Bildung von Neutronen Während des Heliumbrennens: → Neutronenfluss → Schwache Komponente von bis Sternmodell: Kern: Kohlenstoff und Sauerstoff Heliumschale Konvektive Hülle: Wasserstoff
26 Periodisches Heliumbrennen:Wasserstoffbrennen → Ansammeln von in Heliumschale → Heliumbrennen → Ausdehnung der konvektiven Heliumbrennzone → Erfassung eines Teils der erloschenen Heliumbrennzone durch konvektive Hülle → Verteilung gebildeter schwerer Elemente
27 Während des Wasserstoffbrennens:Protonen durchdringen Grenze zur Heliumschale → Schwacher Neutronenfluss auf kleinen Bereich Während des anschließenden Heliumbrennens: → Erneuter Neutronenfluss → Signifikante Beeinflussung der zuvor entstandenen Häufigkeitsverteilung → Hauptkomponente von bis
28 Der klassische s-ProzessEmpirisch gefunden Reproduktion der Hauptkomponente von bis bei geeigneter Neutronenexposition eines Bruchteils der vorhandenen Häufigkeit Annahmen: Unter anderem: Temperatur konstant Neutronendichte konstant → → Bestimmung der stellaren Wirkungsquerschnitte für den Neutroneneinfang → Anpassung der Parameter und
29 Verzweigungen Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang gleicht -Zerfallszeit Definition: Verzweigungsverhältnis Allgemein: Abhängigkeit der Neutroneneinfangrate von der Neutronendichte Abhängigkeit der -Zerfallsrate von der Temperatur → Abhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses von der Neutronendichte und der Temperatur
30 Verzweigungen - Am Beispiel der , , IsotopeKeine Abhängigkeit der -Zerfallsrate von der Temperatur in den Verzweigungspunkten → Abhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses von der Neutronendichte Klassischer s-Prozess → Neutronendichte Analyse anderer Verzweigungspunkte → Abschätzung der -Zerfallszeit → Temperatur
31 3.3 Der r-Prozess „rapid neutron capture“ Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang kürzer als -Zerfallszeit Bindungsenergie größer Bindungsenergie kleiner → Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - „Waiting Point“ Versiegen des Neutronenflusses: → Rückkehr ins Stabilitätstal durch Kette von -Zerfällen Bildung neutronenreicher Isotope mit Vorgängern kleiner
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33 Abhängigkeit der resultierenden Häufigkeitsverteilung von-Zerfallszeiten der Isotope am „Waiting Point“: Kleine -Zerfallszeiten → Kleine Häufigkeiten Große -Zerfallzeiten → Große Häufigkeiten Große -Zerfallszeiten bei Isotopen magischer Neutronenzahlen Bevorzugt Isotope magischer Neutronenzahlen am „Waiting Point“ → Maxima der resultierenden Häufigkeitsverteilung bei und
34 Voraussetzung - Supernova vom Typ IIÜberlagerung von s-Prozess und r-Prozess → Solare Häufigkeitsverteilung Existenz reiner r-Kerne Aufgrund von Vorgängern kleiner -Zerfallszeit Existenz reiner s-Kerne Aufgrund der Abschirmung gegen -Zerfall Voraussetzung - Supernova vom Typ II Hohe Temperatur Hoher Neutronenfluss → Supernova vom Typ II Neutronenreiche Materie in Stoßwelle
35 3.4 Der p-Prozess Kleine Häufigkeiten von p-Kernen Ähnlicher Verlauf der Häufigkeiten von reinen s-Kernen, reinen r-Kernen und p-Kernen → Reine s-Kerne und reine r-Kerne als Basis des p-Prozess
36 Lebensdauer bezüglich Protoneneinfang / Neutroneneinfang kürzer als / -ZerfallszeitKleine Massen: Bindungsenergie überschreitet kritischen Wert Bindungsenergie unterschreitet kritischen Wert → Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - „Waiting Point“
37 Große Massen: Bindungsenergie überschreitet kritischen Wert Bindungsenergie unterschreitet kritischen Wert → Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - „Waiting Point“ → Protoneneinfang und -Teilcheneinfang Versiegen des Protonenflusses und Neutronenflusses: → Rückkehr ins Stabilitätstal durch Kette von -Zerfällen Bildung protonenreicher Kerne
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39 Voraussetzung Hohe Temperatur → Supernova vom Typ II → Nova → Supernova vom Typ I → Verdichtung der von Neutronensternen / Schwarzen Löchern akkretierten Materie → Doppelsternsysteme aus Neutronenstern und Rotem Riesen
40 Literatur: Hannu Karttunen - Astronomie - Eine Einführung Paul A. Tipler - Physik FZK Nachrichten - Spätstadien der Sternentwicklung: Die Botschaft der Roten Riesen - FZK Institut für Kernphysik - Die freie Enzyklopädie - Suchmaschine