kernkollaps-supernovae gehalten am 13.12.2004 von sebastian scholz seminar astro/teilchenphysik...
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Kernkollaps-Supernovae
Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz
Seminar „Astro/Teilchenphysik“Physikalisches Institut, Univ. Erlangen
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Was ist eine Supernova?
87A
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98dh 1a
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87A
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Klassifizierung nach Spektren
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Klassifizierung nach Spektren
• I
- Ia: Si/kein H
- Ib: He/kein H, Si
- Ic: kein H, Si, He
• II: H
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Klassifizierung durch Mechanismus
• Ia : Thermonukleare Explosion eines weißen Zwerges (keine Überreste)
• Ib, Ic, II : Kernkollaps (Neutronenstern /schwarzes Loch)
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Eisenkern
Es existieren drei Kräfte:
- Gravitationskraft (anziehend)
- Kraft, die durch die Entartung des Elektronengases hervorgerufen wird / Elektronendruck (abstoßend)
- Thermische Bewegung (abstoßend)
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Eisenkern
• Ab ca. 1,5 Mo wird die eigene Gravitation so hoch, dass der Kern sich von innen her zusammenzieht
• Dichte steigt• Temperatur steigt
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Eisenkern
• Temperatur steigt• Eisen dissoziert
• Weniger „Thermische“ Energie• Druck sinkt • Kern zieht sich schneller zusammen
nMeVFe 4134,1245626
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Eisenkern
• Dichte steigt
• Elektronen werden von Kernen Eingefangen
• Elektronendruck sinkt
• Kern zieht sich schneller zusammen
),1(),()(
AZAZe e
W
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Eisenkern
Bei höheren Temperaturen und Dichten dissoziert auch das Helium:
und der Elektroneneinfang geschieht durch freie Protonen:
npMeVHe 223,2842
npe e
W
)(
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Eisenkern
• Startpunkt:
ρ~1013kg m-3 T~1010K
• Ab ρ~1015kg m-3 setzt Neutrinotrapping ein
• Bei ρ~3x1017kg m-3 ist die Dichte eines Atomkerns erreicht; der Kern kann sich nicht mehr weiter zusammen ziehen
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Was ist nun da?
Kurze Bestandsaufnahme:• In der Mitte (Radius wenige 10 km):
- gefangene Neutrinos (durch Paarerzeugung/vernichtung und Elektroneneinfang entstanden; wechselwirken mit Materie)
- ein sehr dichtes, heißes Plasma → entstehender Neutronenstern
• Eine starke Gravitationskraft
• Die einzelnen Schalen
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Die Materie weiter außen prallt mit Überschallgeschwindigkeit auf den Kern,
der schwingt zurück, und es bildet sich eine Stoßfront
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Stoßfront• Die Stoßfront propagiert durch den Stern nach außen• Währenddessen stürzt weiterhin Materie nach innen
• Energieabgabe an einfallende Materie→ Elemente werden aufgebrochen
r
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Stoßfront
• Dichte ist nun so gering, dass Neutrinos entweichen
→ Neutrinoblitz(e- -Einfang)
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Sterne mit 8-15Mo
Der Stoß durchstößt die äußeren Schalen und zerreißt den Stern
→ „ Prompte Explosion“
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Sterne über 15Mo
Energieverlust so stark, dass Stoßfront nach 100 bis 300km zum stehen kommt
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Kurze Energierechnung
Durch Gravitation freiwerdende Energie:
1,5M ~M˜ M 20km,~R 350km,~Rmit
1035,1
0ternNeutronensEisenkernternNeutronensEisenkern
46
ternNeutronens
20
ternNeutronens
2
Eisenkern
2
JR
MG
R
GM
R
GMEGrav
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Kurze Energierechnung
Durch Dissoziation absorbierte Energie:
1027 45Eisenkern Jm
MMeVE
HDis
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Kurze Energierechnung
Durch Strahlung abgegebene Energie:
a
JLE
Sn
SnSnStrahlung
1~,L103~Lmit
103
010
Sn
44
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Kurze Energierechnung
Erforderliche Energie, um die Schalen vom sich bildenden Neutronenstern zu lösen:
108 44
Eisenkern
EisenkernEisenkern JR
MMGMEBind
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Kurze Energierechnung
Erforderliche kinetische Energie für die
Schalen:
s
km10000mit v
1022
1 452Eisenkern
JvMMEKin
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Kurze Energierechnung
Gravitation: + 3.1046J
Dissoziation: - 2.1045J
Strahlung: - 3.1044J
Bindungsenergie: - 8.1044JKinetische Energie: - 2.1045J .
Fehlbetrag: 2,5.1046J
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Genauere Rechnungen zeigen:
Fast 99% der freiwerdenden Energie steckt in Neutrinos
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Sterne über 15Mo
Neutrinos wechselwirken mit der Materie:
→ Energieübertrag
Wirkungsquerschnitt ist zwar klein, aber so viele Neutrinos, dass es reicht den Stoß wiederzubeleben
nepW
e )(
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Explosion setzt sich fort
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![Page 45: Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022070310/55204d6149795902118b4807/html5/thumbnails/45.jpg)
![Page 46: Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022070310/55204d6149795902118b4807/html5/thumbnails/46.jpg)
Mechanismus des Kernkollapses (Typ II)
• Eisenkern• Druck sinkt (e- - Einfang, Dissoziation)• Atomkerndichte• Überschallschneller Einfall• Entstehung einer Schockfront
-Schockfront durchstößt die Sternenhülle
→ „ Prompte Explosion“
-Schockfront bleibt stehen
-Schockfront wird durch Neutrinos und Konvektion wiederbelebt
→ „ Verzögerte Explosion“
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![Page 48: Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022070310/55204d6149795902118b4807/html5/thumbnails/48.jpg)
![Page 49: Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022070310/55204d6149795902118b4807/html5/thumbnails/49.jpg)
Verlauf des Spektrums
• 56Nickel zerfällt nach 6 Tagen in Cobalt
• 56Cobalt hat eine Halbwertszeit von 77 Tagen
![Page 50: Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022070310/55204d6149795902118b4807/html5/thumbnails/50.jpg)
Verlauf des Spektrums
![Page 51: Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022070310/55204d6149795902118b4807/html5/thumbnails/51.jpg)
Abweichungen vom Typ II
• Ib : Vorläuferstern hat vor der Supernova Wasserstoffhülle komplett abgestoßen (möglich bei massereichen Sternen)
• Ic : Vorläuferstern hat vor der Supernova Wasserstoff- und Heliumhülle komplett abgestoßen (möglich bei sehr massereichen Sternen)
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Gamma Ray Burst
Kurze (0,1-100s) Ausbrüche von Gammastrahlung
Dabei wird insgesamt mehr als 1045Joules freigesetzt;
1000 Sonnen würden soviel in ihrer ganzen Existenz abstrahlen
eVE 510
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Gamma Ray Burst
Entstehen im ganzen Universum
![Page 54: Kernkollaps-Supernovae Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz Seminar Astro/Teilchenphysik Physikalisches Institut, Univ. Erlangen](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022070310/55204d6149795902118b4807/html5/thumbnails/54.jpg)
Gamma Ray Burst
Aufteilung:
- „Short and hard“ (t<2s)
Entstehen in binären Systemen
- „Long and soft“ (t>2s)
Entstehen durch Supernovae
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Long and soft
• Während einer Supernova wird ein Teil der Materie mit fast Lichtgeschwindigkeit in einem Jet ausgeworfen
• Diese wird durch interstellares Medium abgebremst
→ Bremsstrahlung
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Beweis: GRB 030329/SN 2003dh
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