Hauptseminar
Astroteilchenphysik und kosmische Strahlung
Endstadien von Sternen-
Supernovae und die Bildung schwerer Elemente
von
Manuel Rainer Dries
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
1. Supernova
• Zwei Typen von SupernovaeKlassifikation: Anhand der Wasserstofflinien im Spektrum
• Zahlreiche UntergruppenKlassifikation: 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
H H He
Supernova vom Typ I
• Ausschließlich in engen Doppelsternsystemen
Lagrange-Punkt: Ausgleich von Rotation und Gravitationswechselwirkung Rochesche Grenzfläche: Äquipotentialfläche des Doppelsternsystems
• Beide Komponenten auf Hauptreihe
• Massereiche Komponente verlässt Hauptreihe
→ Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche → Masseverlust über Lagrange-Punkt
• Massearmer Unterriese und massereicher Hauptreihenstern
• Weißer Zwerg und Hauptreihenstern
• Massereiche Komponente verlässt Hauptreihe
→ Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche → Masseverlust über Lagrange-Punkt → Ausbildung einer rotierenden Akkretionsscheibe → Ausschüttung von Materie auf Oberfläche → Nova
• Überschreitung der Chandrasekhar-Masse → Gravitationskollaps des Weißen Zwerges → Explosives Einsetzen des Kohlenstoffbrennens → Supernova vom Typ I
→ Vollständige Vernichtung des Weißen Zwerges „Runaway“-Stern
Supernova vom Typ II
:153 SonneSonne MMM
•
Explosives Einsetzen des Kohlenstoff- / Sauerstoffbrennens → Supernova vom Typ II → Vollständige Vernichtung des Sterns
:3 SonneMM
•
Abstoßung äußerer Bereiche am Ende des Riesenstadiums → Weißer Zwerg Planetarischer Nebel
• :15 SonneMM
Kette nuklearer Reaktionen endet im Kern mit → Überschreitung der Chandrasekhar-Masse → Gravitationskollaps des Kerns
Fe56
Unterstützt und beschleunigt durch:• Photodissoziation von
• Inversen Betazerfall:
:56Fe
nHeFe 413 42
5626
npHe 2242
enep
→ Entartungsdruck der Neutronen beendet Gravitationskollaps des Kerns
→ Einstürzen äußerer Bereiche auf den Kern → Nach außen laufende Schallwellen Verdichtung des Kerns bis zur dichtesten Kugelpackung von Kernteilchen → Rückprall des Kerns → Nach außen laufende Schallwellen
→ Bildung nach außen laufender Stoßwellen im Schallpunkt→ Energieverlust der Stoßwellen bei Dissoziation von Fe56
• :1815 SonneSonne MMM
Fe56
ONe /
→ Verlassen des Kerns von → Energiegewinn bei Fusionsreaktionen → Durchlaufen äußerer Bereiche von → Supernova vom Typ II → Neutronenstern oder Schwarzes Loch
:18 SonneMM
e
•
→ Versiegen im Kern von → Neutrinoheizung Wechselwirkung zuvor eingeschlossener → Erneutes Anregen → Durchlaufen äußerer Bereiche von → Supernova vom Typ II → Neutronenstern oder Schwarzes Loch
Fe56
ONe /
2. Die Endstadien von Sternen
• Entartungsdruck 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
2
px
• 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:
SonneMM 3
K000.100000.10
SonneCh MMM 4,12,1
31000
cm
kg
• Substanz: Entarteter Kohlenstoff und Sauerstoff
• Stabilisierung: Entartungsdruck der Elektronen → Grenzmasse:
• Endzustand: Vernichtung innerhalb einer Supernova vom Typ I Langsames Abkühlen und Erlöschen → Schwarzer Zwerg
SonneCh MMM 4,12,1
• Neutronensterne:
SonneOV MMM 0,25,1
• Ursprung: Supernovae vom Typ II bei Sternen mit
• Zentraltemperatur:
• Masse:
• Durchmesser:
• Dichte:
• Rotationsfrequenz: bis
• Magnetfeld: bis
SonneSonne MMM 83
K000.000.000.100
km20
31110
cm
kg
Hz1000
T810
• Aufbau:
m10~• Oberfläche: Dicke: Dichte: Substanz: Kristallgitter zunehmend neutronenreicher Eisenisotope• Innere Kruste: Dicke: Dichte: Substanz: Zunehmend Neutronen• Innerer Bereich: Substanz: Überwiegend Neutronen• Zentrum: Dichte: Substanz: Eventuell Pionen, Kaonen, Quarks
km21
38 /10 cmkg
311 /10 cmkg
311 /103 cmkg
• Stabilisierung: Entartungsdruck der Neutronen → Grenzmasse:
• Endzustand: Abkühlen unter Abstrahlung von
SonneOV MMM 0,25,1
e
• Pulsare:
Neigung der Achse des Magnetfeldes gegen Rotationsachse → Wechselwirkung mit geladenen Teilchen → Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von: Radiowellen Sichtbarem Licht Röntgenwellen
• Schwarze Löcher• Bereich, den weder Materie noch Licht verlassen kann• Begrenzt durch Ereignishorizont oder Schwarzschildradius
• Sieben Typen von Schwarzen Löchern Unter anderem:
2
2
c
GMRS
• 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*: Masse:
SonneMM 8
SonneM000.000.000.1000.000.1
SonneM15
SonneM000.700.3
• 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
2
tE
JahreM
M
Sonne3
36610
Zusammenfassung:
Entwicklung eines Weißen ZwergesEntwicklung eines NeutronensternsEntwicklung eines Schwarzen Lochs:3M
:2M:1M
3. Die Bildung schwerer Elemente
3.1 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
H He Li Be BFe
3.2 Der s-Prozess
• „slow neutron capture“
• Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang größer als
-Zerfallszeit
•
Stabiler Produktkern:
Instabiler Produktkern:
• Bildungspfad verläuft im Stabilitätstal
1,', NZAnNZA
2,''1,' NZAnNZA
_
,1'1,' eeNZANZA
• Abhängigkeit der resultierenden Häufigkeitsverteilung vom Wirkungsquerschnitt 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
ZrYSrRbKrN 9089888786 ,,,,:50
NdCeLaBaCsXeN 142141140139138137136 Pr,,,,,,:82
BiPbN 209208 ,:126
138A 208A
• Voraussetzung - Neutronen in Roten Riesen
• Zwei Reaktionen zur Bildung von Neutronen
•
•
:3015 SonneSonne MMM
• Sternmodell:
Kern: Kohlenstoff und Sauerstoff Heliumschale Konvektive Hülle: Wasserstoff
nOC 1613 nMgNe 2522
Während des Heliumbrennens:
→ Neutronenfluss→ Schwache Komponente von bis
nMgNe 2522
Fe Y
:3 SonneSonne MMM
• 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
He
• 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
eeCNpC 131312
nOC 1613
eeOFN 181814
NeO 2218
nMgNe 2522
Zr Bi
• Der klassische s-Prozess
• Empirisch gefunden• Reproduktion der Hauptkomponente von bis bei geeigneter Neutronenexposition eines Bruchteils der vorhandenen Häufigkeit• Annahmen: Unter anderem:
Zr Bi
0 GFe
• Temperatur konstant• Neutronendichte konstant
→
→ Bestimmung der stellaren Wirkungsquerschnitte für den Neutroneneinfang→ Anpassung der Parameter und
Tnn
1
56 00
56 11
A
i iAA
GNN
0 56GNA
• 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
vnf
nn
nnn
T
f
nn T
• Verzweigungen - Am Beispiel der , , Isotope SmPmNd
• Keine 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
T
f
nn
01,088,0
150
148
Sm
Sm
N
Nf
38106,01,4 cmnn
T
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 -Zerfallszeit
1,', NZAnNZA
2,''1,' NZAnNZA
_
,1'1,' eeNZANZA
:2MeV
:2MeV
• 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
130A 195A
• Voraussetzung - Supernova vom Typ II
• Hohe Temperatur• Hoher Neutronenfluss
→ Supernova vom Typ II
Neutronenreiche Materie in Stoßwelle
• Überlagerung 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
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
• Lebensdauer bezüglich Protoneneinfang / Neutroneneinfang kürzer als / -Zerfallszeit
• Kleine Massen:
Bindungsenergie überschreitet kritischen Wert
Bindungsenergie unterschreitet kritischen Wert
→ Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche
Photonen - „Waiting Point“
NZApNZA ,1',
NZApNZA ,2'',1'
eeNZANZA 1,',1'
• 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
1,', NZAnNZA
2,''1,' NZAnNZA
→ Supernova vom Typ II
→ Nova
→ Supernova vom Typ I
→ Verdichtung der von Neutronensternen / Schwarzen
Löchern akkretierten Materie
→ Doppelsternsysteme aus Neutronenstern und Rotem
Riesen
• Voraussetzung
• Hohe Temperatur
Literatur:
• Hannu Karttunen - Astronomie - Eine Einführung• Paul A. Tipler - Physik• FZK Nachrichten - Spätstadien der Sternentwicklung:
Die Botschaft der Roten Riesen• http://ik3frodo.fzk.de - FZK Institut für Kernphysik• www.wikipedia.de - Die freie Enzyklopädie• www.google.de - Suchmaschine