Dunkelwolken
Frostige Kinderstuben der Sterne
Markus Nielbock
Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg
Die Milchstraße
Gebiete aktueller Sternentstehung
M 17 – Omeganebel
Entfernung: 2.1 kpc (7000 Lj)
Sternbild: Schütze
Infrarot-Aufnahme
ESO/VLT (Hoffmeister et al. 2008)
optische Aufnahme
Isolierte Dunkelwolken (Globulen)
B72
B68
B70
B69
B71
B74
B73
Barnard 68 - Dichteverteilung
• sternloser Wolkenkern
• Entfernung:  150 pc (500 Lj)
• Masse:  3 M
• Größe:  0.2 pc (40 000 AE)
• gravitativer Kollaps?
Alves et al. (2001)
Nah-Infrarot-Extinktion
Dichte in der Astrophysik
Gewöhnlich beschreibt die Dichte ρ, wie viel Masse pro Raumelement vorhanden ist.
Wasser hat eine Dichte von ca. 1 kg pro Liter (Kubikdezimeter).
Umgerechnet in eine Teilchendichte n sind das 3,3∙1025 Wassermoleküle pro Liter oder
3,3∙1022 Wassermoleküle pro Kubikzentimeter (cm3).
Will man die Menge von Teilchen entlang einer Sichtlinie beschreiben (z. B. durch eine
Nebelbank), kann man das mittels der Säulendichte N. Sie ist mit der Volumendichte
über die Geometrie des Objekts verknüpft.
Säulendichte =
ρ,n bleiben unverändert, N verdoppelt sich.
Die Säulendichte N ist leicht aus der Extinktion zu bestimmen.
Da die Form des untersuchten Objekts zunächst unbekannt ist,
erfordert die Bestimmung von n Annahmen.
So zeigt eine Kugel mit
einheitlichem n eine radiale
Variation von N.
Teilchenanzahl
Flächenelement
Kollaps einer Globule
Überwiegt die Gravitation gegenüber dem inneren Druck, kollabiert die Globule.
Damit beginnt die Entwicklung zu einem Stern.
James H. Jeans
 3 3
Jeans-Kriterium:  ~
~
*1877 Ormskirk


1946 Dorking
Ist die Masse des Fragments größer als MJ, so kollabiert es, und zwar
in einem Maßstab, der Freifallzeit genannt wird (einige 100000 Jahre).
Fragment kollabiert
heizt sich auf
dehnt sich aus
Eine komprimierte Gaskugel (höhere Dichte ρ) heizt sich auf (Luftpumpeneffekt).
Dadurch erhöht sich der Gasdruck.
Ist die Dichte zu gering, stoppt der Kollaps und kehrt sich um.
 Aufheizung muss verhindert werden: Kühlung
Kollaps eines Wolkenfragments
Überwiegt die Gravitation gegenüber dem inneren Druck, kollabiert die Globule.
Damit beginnt die Entwicklung zu einem Stern.
James H. Jeans
 3 3
Jeans-Kriterium:  ~
~
*1877 Ormskirk


1946 Dorking
Ist die Masse des Fragments größer als MJ, so kollabiert es, und zwar
in einem Maßstab, der Freifallzeit genannt wird (einige 100000 Jahre).
Fragment kollabiert
Kühlungsprozesse (Energie wird dem System entzogen):
• Infrarotstrahlung
• Linienstrahlung des Gases nach Stoßanregung
C
O
EPoS – The Earliest Phases of Star formation
• Herschel Garantiezeitprogramm (Leitung: O. Krause, MPIA)
• Bestimmung der Verteilung von Staubtemperatur und -dichte von 12 nahen und
isolierten Wolkenkernen (Launhardt et al. 2013)
• Vergleich mit theoretischen Modellen war bislang nicht möglich
• Beobachtungen mit Herschel bei 100, 160, 250, 350, und 500 µm
• Zusätzliche Daten von bodengebundenen Teleskopen
• Vortrag konzentriert sich auf Barnard 68 (Nielbock et al. 2012)
Messdaten
Nielbock et al. (2012)
Elektromagnetische Strahlung
Infrarot
sichtbares
Licht
Max Planck
*1858 Kiel
1947 Göttingen
1900 Theoretische Beschreibung mit Hilfe der Quantenphysik
 Nobelpreis 1918
Konstruktion von Temperaturkarten
• Über das Planck-Gesetz: Temperatur pro Bildpunkt
• räumliche Verteilung der Temperatur des strahlenden Mediums (Staub)
• gilt nur für idealisierte Bedingungen
• Eigenschaften des Staubs (z.B. Form, Korngröße) spielen eine Rolle
• Temperatur nicht unabhängig von der Dichte
Nielbock et al. (2012)
• Voraussetzung: nur eine Temperatur entlang Beobachtungsrichtung
• unrealistisch, gilt nur am Rand
• Die ermittelten Größen sind daher die Mittelwerte entlang der Beobachtungsrichtung.
Modellierung mittels Ray-Tracing
• Berechnung für Punkte entlang „Strahlen“ durch das Objekt
• Temperatur und Dichte werden für jeden Punkt gleichzeitig berechnet
• Iterativ mit vorgegebenen Anfangsbedingungen für Dichteverteilung und Randwerte
• Annahme: radiale Verteilung entlang Himmelsebene = entlang Beobachtungsrichtung
ΔnH
nout = const
Tout = const
3D-Datenkubus:
• 100 Zellen entlang Sichtlinie
• (10”)3 pro Zelle
• entspricht (1500 AE)3
ΔTd
  = 0
0
02 + 2

+ 
Modellierung mittels Ray-Tracing
Ergebnisse:
Nielbock et al. (2012)
• kalter, dichter Kern
• Staubtemperatur nimmt zum Rand hin zu, Dichte nimmt ab (erstmals gemessen)
• zentrale Temperatur: 8 K, extern geheizt
• Theoretische Berechnungen qualitativ bestätigt
• Jeans-Kriterium für Kollaps nicht erfüllt
Modellierung mittels Ray-Tracing
• radiale Verteilung der Temperatur und der Dichte
• relativ flache Verteilung im Zentrum
• starker Abfall weiter Außen
• Theorie postuliert: nH ~ r -2
• Befund: nH ~ r -3.5
 deutet auf Herkunft aus einem
Wolkenfilament hin (Ostriker 1964)
Nielbock et al. (2012)
Sterne entstehen in Wolkenfilamenten
B68
Sterne entstehen in Wolkenfilamenten
André et al. (2010)
Hennemann et al. (2012)
ESA/Herschel/Hobys-Konsortium
Externe Beleuchtung
• galaktisches Strahlungsfeld heizt Globule
• Infrarotstrahlung der Milchstraße
• Emission der erwärmten Globule asymmetrisch
• ungleichförmige Beleuchtung durch gal. Ebene
• Temperatur dort am höchsten
• naher Stern könnte ebenfalls
zur Beleuchtung beitragen
• weitere Beobachtungen nötig
Zusammenfassung
• Sternentstehung beginnt in Dunkelwolken.
• Sterne entwickeln sich aus Wolkenkernen (Globulen), die kalt und dicht genug sind.
• Herschel ermöglichte zum ersten mal die zuverlässige Bestimmung der Temperatur und
der Dichte des Staubs einer Globule, Barnard 68.
• Zum ersten mal wurde der Temperaturverlauf experimentell bestimmt.
• Sie reicht von 8 K im Zentrum bis zu 20 K am Rand.
• Theoretische Vorhersagen wurden zumindest qualitativ bestätigt.
• Die Dichte nimmt jedoch nach außen schneller ab als erwartet.
• Dichteverlauf deutet auf eine Herkunft aus einem Wolkenfilament hin.
• B68 wird von Außen durch das umgebende Strahlungsfeld geheizt.
• Heizung scheint nicht von allen Seiten gleich stark zu sein: Anisotropie
• Die Hauptheizquelle muss noch durch geeignete Messungen ermittelt werden.
Kollisionsszenario
Alves et al. (2001)
B68
B69
B71
Burkert & Alves (2009)
Herunterladen

Dunkelwolken: Frostige Kinderstuben der Sterne - Max