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