Supernovae Typ Ia

Seminar zur Einführung in die Astronomieam

11.12.2007

Stefan WalterUniversität Würzburg

0.Inhalt

1. Historisches

2. Klassifikation

3. Modell und Theorie einer SN Ia

4. Beobachtung, Anwendung und Befunde1. Spektrum einer SN Ia2. Lichtkurven3. Anwendung der SN Ia als Standkerze4. Wie beobachtet man eine SN Ia?5. Befunde

5. Aktuelle Forschung1. Simulation am Computer2. Warum sind einige SNe Ia heller als andere - Off Center Explosion

1.HistorischesKurzer Überblick

11.11.1572: Tycho Brahe entdeckt im Sternbild Cassiopeia “einen neuen Stern der heller als alle anderen leuchtet”Zitat: ”ein Wunder, wie es seit Anbeginn der Welt nicht gesehen wurde”

1885: Ludovic Gully und Ernst Hartwig endeckten erste Supernova außerhalb der Milchstrasse

im Zentrum des Andromedar Nebels (ca. 1/10 der Helligkeit des Nebels selbst)‏

1940: Rudolf Minkowski Einteilung in zwei Klassen

Tycho Brahe

1933: Fritz Zwicky prägt den Begriff Supernova

erste Theorie über den Verlauf der SN im Crab-Nebel (von Walter Baade entdeckt)

Fritz Zwicky

2.DefinitionKlassifikation

SN II P

Helligkeit durchläuft Plateau-phase

SN II L

Helligkeit nimmt linear ab

SN Ic

Wenig Helium

SN Ib

Viel Helium

Wasserstoff dominiert

„Normale“ SN II

Helium dominiert

SN IIb

Kein SiliziumSilizium

SN Ia

SN II

Wasserstoff

SN I

kein Wasserstoff

Zwei Typen von Supernovae

Klassifikation nach dem Spektrum

3.Modell und Theorie einer SN IaWie kommt es zu einer SN Ia

Einiges vorweg:Modell geht auf Hoyle und Fowler (1960) zurückSupernova Ia ist eine thermonukleare Explosion eines C+O Weißer Zwerge (WZ)

Eigenschaften eines WZ: Entstadion eines leichten bis mittel schweren Sterns 50% C und 50% O M~M

Sonne

d~1/3 dErde

ist stabil durch Gas aus entarteten Elektronen im Kern

Warum dann Explosion?Denn der WZ würde ewig weiter existieren, weil keine Kernfusion nötig für seine Stabilität ist!

Wie explodiert der WZ dann?

Er befindet sich in einem Doppelsternsystem

3.Modell und Theorie einer SN IaWie kommt es zu einer SN Ia

3.Modell und Theorie einer SN IaWie kommt es zu einer SN Ia

Der Prozess:

WZ befindet sich mit Partnerstern in einem engen Doppelsternsystem

WZ akkretiert Masse von seinem Partner bis hin zur Chandrasekar Masse (M

ch~ 1.4M

Sonne)

Dichte ~1010g/cm3 und Temperatur (T~109K) so hoch, dass Fusion von C und O zu höherern Elementen (Ni, Si, Ca, am Ende auch Fe) zünden kann

C und O

3.Modell und Theorie einer SN IaWie kommt es zu einer SN Ia

Weitere Temperaturerhöhung (T~1010 K)Keine Kühlung durch Expansion möglich (wg Entartung)Brennen breitet sich als Deflagration aus (Wärmediffusion, unterschall)

Ni

C/ODer Prozess:

Turbulenzen erhöhen die FlammenoberflächeDie thermonukleare Detonation beginntKein Überrest nach Explosion

C/O

O/Si

Mg/S/Ca

Ni

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeSpektrum einer SN Ia

Spektrum

Fusion nicht immer bis zum höchst gebundenen Atom, da z.B. Si im frühen Spektrum

Licht entsteht überwiegend aus Zerfall von Nickel

56Ni 56Co 56Fe

Theorie stimmt mit gemessenem Spektrum überein

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeBeispiele einiger SNe Ia

SN1994Dheller Punkt unten links

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeBeispiele einiger SNe Ia

SN1998ba

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeLichtkurven

Zeitliche Entwicklung der Helligkeit einer Supernova

Helligkeit

Zeit

Lichtkurve erreicht in ca. zwei Wochen sehr schnell ihr Maximum

~ 20 Tage

Sie fällt innerhalb einiger Monate ab

~ Monat mehrere Monate

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeLichtkurven

Messungen zeigen:So einfach ist es doch nicht!

Perlmutter et al, 1997

t t⋅s= t'

m m+αs− 1=m '

Deshalb:Eichung der Lichtkurven durch Beziehung zw. max. Helligkeit und Breite der KurveStretch (Phillips-Relation):

t t⋅s=t'

mm+α s−1 =m '

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeSN Ia als Standardkerze

Mit den geeichten Lichtkurven lässt sich die SN Ia jetzt als Standardkerze verwenden:

t t⋅s= t'

m m+αs− 1=m '

M max=−19mag

Bestimmung des Maximums der scheinbaren Helligkeit aus Messungen

absolute Helligkeit des Maximums bekannt(nahe SN Ia bei bekanntem Abstand zur Bestimmung von M

max, ∆M = ±0.2

mag)

mmax

Entfernung d aus Entfernungsmodul

mmax−M max=−5log d

ABER: Verschiedene Fehler Korrekturen nötig

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeSN Ia als Standardkerze

Korrekturen:

Stretch-FaktorAnpassung der Lichtkurven versch. SNe

K-KorrekturSNe mit versch. z werden mit versch. Bandfiltern untersucht um ganzes Spekrum zu bekommenversch. Bandfilter versch. Teile des Spektrums

Extinktion (Staub, Absorption, Streuung) Ausgleich durch Messung in versch. Wellenlängenbereichen

< 0.06 mag

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeWie beobachtet man eine SN Ia

eine SN pro Jahrhundert in unserer Galaxie sehr viele SN in kürzester Zeit im beobachtbaren Universum

Beobachten mehrer Galaxien gleichzeitig

Supernova Cosmology ProjectPerlmutter et al, Berkley

http://www-supernova.lbl.gov

High-z Supernova Search TeamGarnavich, Riess, Schmidt et al.

http://cfa-www.harvard.edu/supernova/HighZ.html

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeWie beobachtet man eine SN Ia

Perlmutter et al, 1997

4.Beobachtung, Anwedung und BefundeBefunde

Messungen von SNe bei z~1 zeigen:

SNe weiter entferntals angenommen

muss ≠ 0 sein

beschleunigtexpandierendes Universum

weit entfernte SNe zu leucht schwach (0.25 mag) um konsistent mit Materie dominiertem Universum zu sein

Perlmutter et al, 1997

5.Aktuelle ForschungComputer Simulationen

t = 0s t = 0,3s

Mehrere statistisch verteilte Zündungen im Inneren

Dichte im Zentrum niedriger als Dichte des Materials vor der Flamme Blasenbildung

5.Aktuelle ForschungComputer Simulationen

Oberflächenvergrößerung durch Turbulenzen und somit Erhöhung der Verbrennungsrate

Verwirbelungen,Brennfront erreicht Oberfläche

t = 0,6s t = 2s

5.Aktuelle ForschungOff-Center SNe

Warum sind einige SNe Ia heller als andere?

WZ mit höhere Masse als Chandrasekhar-Masse?

Möglich, aber nur dann wenn WZ schnell rotiert wenn SNe durch Verschmelzen zweier WZ entsteht

Jetzt: Neues Modell

keine zentrale Zündung und damit symmetrische Ausbreitung der Flammen im Innernen des Sterns

sondern eine dezentrale Zündung und damit asymmetrische Ausbreitung der Flammen

5.Aktuelle ForschungOff-Center SNe

anisotrope Verteilung derausgeworfenen Materie

aus unterschiedlichen Blickrichtungen,erscheint die SN mit versch. Helligkeiten

hoher Ni-Anteil

niedriger Ni-Anteil

unverbranntes Material

4.Aktuelle ForschungOff-Center SNe

Spektum der Wissenschaft 07/2005Rätselhafte Supernova

W. Hillebrandt and J. NiemeyerType Ia Supernova Explosion Models

W. Hillebrandt et al.Off-center explosions of Chandrasekhar-mass white dwarfs:an explanation of super-bright type Ia supernovae?A&A 465, L17-L20 (2007)

http://www.mpa-garching.mpg.de

http://supernova.lbl.gov/

http://cfa-www.harvard.edu/iau/lists/Supernovae.html

Quellen:

2.DefinitionWas ist eine Supernova

Eine Supernova ist ein mögliches Entstadium einer Sternentwicklung

starke Helligkeitszunahme bis zu 20mag (manchmal heller als eine ganze Galaxie)

seltenes Ereigniss in unserer Galaxie (1 pro Jhd.)