1 Hauptseminar: Astroteilchenphysik und kosmische StrahlungSternenbrennen am Beispiel der Sonne Von Thomas Striebel Betreuer: R. Plag

2 Inhaltsverzeichnis SternentstehungsorteKollaps einer interstellaren Wolke bis zum Protostern Hertzsprung – Russel Diagramm Lebenslauf der Sonne Protostern -> Hauptreihenstern Einfaches Sonnenmodell Aufbau der Sonne + heutige Daten Energieerzeugung Entwicklung zum „Weißen Zwerg“ Probleme beim Sonnenmodell

3 Molekülwolken Neue Sternentstehungsorte Molekülwolken, nicht Wolken aus elementarem Wasserstoff!  dichter und kälter Größe: bis zu 100 Parsec lang und 45 Parsec dick Dichte: ca. 300 H2-Moleküle/cm³ (Klumpenbildung 10 x höher) - ca. 1% mikroskopischer Sternenstaub - interstellare Materiedichte ca. 1 Wasserstoffatom/cm³ Masse: bis mehrere Millionen Sonnenmassen Alter: weniger als 50 Millionen Jahre  Beobachtung: unregelmäßige Form, kein dichter Kern

4 Kohlenmonoxid: HantelformDrehung von anderen Molekülen (H2-Moleküle) Kennzeichnet Gebiete von dichten, kühlen Gaswolken! Annahme: CO zeichnet Stern- entstehungsgebiete aus!

5 Kollaps interstellarer WolkenKurze Einführung Typische Werte: T: K R: 2 pc Probleme: Drehimpuls  solare Ringe! Selten: Einzelsternsysteme (typisch Doppelsternsysteme)

6 Hertzsprung Russel DiagrammGrundlagen Leuchtkraft Effektivtemperatur Aber! Sonne kein Schwarzer Strahler 1.) Mitte-Rand-Verdunkelung 2.) Fraunhoferlinien

7 Scheinbare Helligkeit (Magnitudo; Größenklasse) [mag]Absolute Helligkeit M [mag] Spektralklassen (Harvard Typen) - S feinere Unterteilung durch O – B – A – F – G – K – M Zahlen von 1-9 - R - N ungefähr einer Temperatur zuordenbar! Blau Gelb Rot Zuordnung aufgrund Spektren bestimmter Standartsterne

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9 Sonstiges Hayashi-Linie Stern zum ersten Mal von außen sichtbar (Protostern)! Freie Fall gestoppt, Entwicklung läuft viel langsamer ab rechts, „verbotener Bereich“ (instabile Sterne)

10 Protosterne

11 Entwicklung zur Hauptreihe

12 Grundgleichungen eines einfachen SonnenmodellsAnnahmen zur Vereinfachung nicht rotierende Sterne kein Magnetfeld vorhanden keinen Begleiter (Doppelstern)  keine Zentrifugalkräfte, Gezeitenkräfte oder magnetische Kräfte  Kugelsymmetrie Sterneninnere gasförmig  fast immer „Ideale Gasgleichung“ anwendbar Beobachtung der Oberfläche  Zustandsgrößen: Dichte, Masse, Druck, Leuchtkraft, Temperatur

13  Dichtedefinition + Ideale GasgleichungMassenintegration Kräftegleichgewicht Leuchtkraft

14 Temperaturverlauf in der SonneInnerhalb ca RSonne : Plasma vollständig ionisiert Comptoneffekt + Bremsstrahlung von Elektronen Außerhalb: Atome (Strahlung wird absorbiert) Transport durch Konvektion ( Druck- und Temperaturgrad.) 2 Gleichungen notwendig!! Strahlungstransport 4.DGL: INNEN

15 Konvektionsbereich :AdiabatengleichungAußen Problem: 4 gekoppelte Differentialgleichungen  numerisch Randbedingungen: r = 0 : M= 0 und L= 0 r = R: P = 0 und T = 0 ; L beobachtbar (Solarkonstante)

16 Daten der heutigen SonneSternentyp G 1 (gelber Zwerg) Zusammensetzung H : He : schwere Elemente : 26 : 4 Alter: Durchmesser: km (Erde km) Masse: Dichte : Abstand Sonne-Erde: Eigenrotation: Äquator 26 Tage Pole Tage Masseverlust durch Kernfusion: 4,3 Mio. Tonnen pro Sekunde! Jahre

17 Berechnung für unsere SonneChemische Zusammensetzung + Masse Energieerzeugungsrate, Dichte, Absorptionskoeffizient Dichteverteilung Masseverteilung

18 EnergieerzeugungsrateLeuchtkraft Temperaturverlauf

19 Aufbau der Sonne

20 Woher kommt die Energie der Sonne ??Solarkonstante = 1,37 kW/m² (mit Erdatmosphäre 1,9 kW/m²)  Leuchtkraft = 3,8*10^26 W ( konstant für Entwicklung des Lebens 0,1 bis 0,2% übliche Änderung, 1% gefährlich) Chemische Reaktion ?  einige a Wärmeinhalt+Potentielle Energie?  Sonne schrumpft nicht, ca.10 Mio. a Kernprozesse! Kernspaltung ?  nein! zu wenig überschwere Kerne vorhanden! Kernfussion!!! Verschmelzung leichter Atomkerne zu Schweren!

21 Tunneln und Maxwellverteilungbei T=15 Mio.K Coulombbarriere ca keV !! Maxwellverteilung: Protonen mit genügend Energie selten ( ca. 10^3 von 10^57) Tunnelwahrscheinlichkeit hohe Protonendichte 10^26/cm³  Tunneln möglich

22 Gamow-Peak

23 pp-Hauptprozess 10^9 Jahre 1 Sekunde 10^6 Jahre

24 pp -Prozesse pp I pp II pp III

25 CNO - Zyklus

26 CNO mit Nebenzyklen 1000x seltener!!

27 Fusionsprozesse in Abhängigkeit der TemperaturTripel Alpha erst ab ca.100 Mio. Grad!!  Am Ende des Lebens unserer Sonne!

28 Heliumbrennen Hohe Coulombabstoßung  hohe Temperaturen nötig!Vereinigung von 2 He Kerne ist endotherm! Erst Übergang zum Grundzustand des C Kerns bringt Energiegewinn!

29 Energiegewinn pp I : 26,21 MeV pp II : 25,67 MeV ca. 93%pp III : 19,28 MeV CNO Zyklus: 26,73 MeV max. 7% Triple Alpha: pro Heliumkern 2,4 MeV erst später!!

30 Entwicklung zum „Weißen Zwerg“-12,7 Mrd. Jahre Heliumflashs -Kern expandiert (zu viel Energie) -Wasserstoffschalenbrennen -Radius vergrößert um Faktor 10 20% Masse abgestoßen -Heliumschalenbrennen L x1000 -Kohlenstoff-Sauerstoffkern  Ende -Thermische Pulse (Leuchtkraft variiert) -Ende der Phase 50% der urspr. Masse -Wasserstoffbrennzone an der Oberfläche Leuchtkraft x5000 ca Jahre -Entwicklung zum „Weißen Zwerg“

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32 Drehimpulserhaltung?? Weiße Zwerge drehen sich langsam!!

33 Magnetfeldproblem Einfache Sonnenmodelle kommt ohne Magnetfelder aus!!!Aber!! Weiße Zwerge haben Magnetfelder von bis zu 10^9 Gauß magnetischer Fluß des primordialen Felds konstant Stellaren Aktivitäten benötigen dynamogeneriertes Feld! Bessere Beschreibung der Sonne  Magnetfeld nötig!! Sternenflecken Hohe Temperatur der Chromosphäre ( Grad K) nicht nur durch mechanische Druckwellen möglich!

34 LiteraturverzeichnisDer neue Kosmos – Unsöld, Baschek Aktive Sterne – Strassmeier Physik der Sterne und der Sonne – Scheffler, Elsässer Die Entstehung der Sonne – Spektrum der Wissenschaft Ältere Hauptseminarvorträge – Dietmar Kohler, Ines Klugius, 2x unbekannt Internet – Google zur Bildersuche!

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