Auroren

Highlights der Astronomie
APOD vom 17.11.04: Aurora über Wisconsin
Thema: Magnetfelder
Was ist zu sehen?
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großflächige Erscheinung am Himmel
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Farben des Spektrums
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Streifenstruktur
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hinter den Wolken, daher mindestens obere Atmosphäre oder Weltraum
weitere Auroren
und über Quebec (9.11.)
Aurora über Missouri (12.11.)
und noch mehr ...
nochmals Quebec (30.7.)
und über Island, mit aktivem Vulkan Hekla (1991)
mehr zu Auroren
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immer farbig
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zeitlich veränderlich (Sekunden)
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Dauer: Stunden bis Tage
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Vorkommen: bevorzugt hohe Breiten
(anderer Name: Nordlicht), manchmal auch bis 40° orangener Ring: vollständige Aurora
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Erscheinungsformen: unterschiedlich
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Häufigkeit: ungleichmäßig
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Ort: Atmosphäre in Höhen von 100 km oder mehr
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Korrelation mit
solarer Aktivität
Ursprung und Mechanismus
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Auroren entstehen durch hochenergetische Teilchen, die aus der Magnetosphäre in die Atmosphäre eindringen
dort kollidieren sie mit Molekülen der Atmosphäre, und regen diese dadurch an
kehren die Moleküle in ihren Grundzustand zurück, senden sie Licht aus
hauptsächlich Sauerstoff und Stickstoff
Licht im sichtbaren Bereich, falls
Elektronen (Standard)
im UV, falls Protonen (selten)
Filmchen: fuv_movie.mpeg
Die Magnetosphäre
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das bekannte irdische Magnetfeld (Kompass!) existiert nicht nur an der Oberfläche, sondern ragt weit über die Atmsophäre hinaus
Gauß zeigte schon 1838, dass 95% des Feldes im Innern der Erde stecken muss
in erster Näherung ein Dipolfeld, allerdings mit weiteren Multipolen
entsteht im Wesentlichen durch elektrische Ströme im äußeren Erdkern (flüssig)
im Detail unklare Wirkung von Rotation und Konvektion (Dynamo)
Stärke (magnetische Flussdichte, magnetische Induktion) um 50,000 nT = 0.5 Gauss (1 T = 1 V s m­2 = 104 Gauss)
Magnetfeld der Erde
Rotations­ und
Magnetfeldachsen
Simulation des Erdmagnetfeldes
der Geodynamo
Magnetfeld im Kern (gelb: innen)
Magnetfeld und interplanetarer Raum
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das Magnetfeld der Erde reicht in den interplanetaren Raum
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in der Ionosphäre geladene Teilchen
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dadurch kann ein zusätzliches externes Feld aufgebaut werden
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variabel, bis zu hunderten von nT (magnetischer Sturm)
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weiter außen treffen geladene Teilchen des Sonnenwindes auf das Feld und verformen es dadurch
in Zeiten höherer Sonnenaktivität steigt Intensität und Geschwindigkeit
des Sonnenwindes
van Allen Gürtel
Strahlungsgürtel in 1000­6000 km und 15000­25000 km Höhe
● energiereiche kosmische Teilchen
● Protonen (dominieren im inneren Gürtel) und Elektronen (im äußeren)
● in Magnetfeld der Erde gefangen
● pendeln zwischen den Polen auf Spiralbahnen
● schützt uns vor schädlichem Bombardement
● wird verformt bei starkem Sonnenwind (Ausbrüchen)
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Magnetfeld der Sonne
Feld in der Korona (Yohkoh­Satellit)
3d Feldlinien aufgrund
einer Analyse der Oberflächenwerte
Feld an der Oberfläche wie links, nur Blick
von Seite
Sonnen­Magnetfeld
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Im Gegensatz zur Erde nicht ein Nord/Südpol, sondern viele
ersichtlich aus Beobachtungen des heißen Gases, das in diesen “Loops” (Bögen) gefangen ist und entlangströmt
Erzeugung des solaren Magnetfelds
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durch die Wechselwirkung des Magnet­Dipolfeldes mit differentieller Rotation
ergibt ein Aufwickeln der Magnetfeldlinien (Omega­Effekt)
und ein Verdrehen (Alpha­Effekt)
die Schleifen haben wegen magnetischem Druck weniger Dichte und steigen auf, resultieren in Sonnenflecken und vielen anderen Oberflächenphänomenen
11­Jahre Zyklus mit Umpolung; Grund noch weitgehend unbekannt
Messung des Magnetfeldes
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Zeeman­Effekt:
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die Aufspaltung von Spektrallinien (atomare Energieniveaus) in einem äußeren Magnetfeld
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Bahndrehimpuls L, Aufspaltung in 2L+1 Niveaus
(L=0: s, L=1: p, etc.)
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Effekt ~ B
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außerdem Polarisation, wodurch nur 2 der 3 Linien beobachtbar sein können
Sonnenflecken
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dunkle Flecken auf der Sonne
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klassische Indikatoren der Sonnenaktivität
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sind 1700 K kühler als Umgebung
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Magnetfeld bis zu 1000­mal stärker als Durchschnitt (5 Gauss)
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erscheinen paarweise (magn. N/S Pol)
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bis 700 km tiefer als Umgebung
1 Gauss = 10­4 Tesla
Magnetogramme
...eines Sonnenflecks: Feld­
lininen kommen aus den schwarzen Bereichen aus der
Oberfläche und verschwinden in
ihr in den weißen ... under ganzen Sonne mit viel
und wenig Aktivität
Sonnenwind
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die meiste heiße (106 K), koronale Materie bleibt in den magnetischen Loops gefangen
von Zeit zu Zeit (vor allem bei hoher Aktivität) reißen die Magnetfeldlinien auf, und die Materie kann von der Sonne abströmen
diese Massenauswürfe ergeben insgesamt den Sonnenwind mit seinen
Störungen
koronaler Massenauswurf
mit Geschwindigkeiten bis 7 Mio km/h
“coronal streamer”
Magnetfelder in Sternen
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auch andere Sterne haben Magnetfelder
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viele besitzen aber ein stationäres Dipolfeld
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dazu zählen die Ap­Sterne (bis 10 M⊙ )
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magnetische Weiße Zwerge (105 Gauß)
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Neutronensterne (1012 Gauß)
Ursprung – 2 Theorien:
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Dynamo, im Stern selbst erzeugt
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eingefangene und verstärkte “fossile” Felder
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allerdings schwer, für die letzeren überhaupt eine stabile Konfiguration zu finden
3d­Simulationen
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fanden kürzlich stabile Konfigurationen (Braithwaite und Spruit, MPI Astrophysik)
Torus aus blauen Feldlinien hilft, den Dipol (rot) lange Zeit stabil zu halten
Veränderliche Sterne
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Sterne wie die Ap Sterne zeigen Helligkeitsveränderungen
man nimmt an, dass diese im Prinzip auf dieselbe photosphärische Aktivität wie auf der Sonne zurück zu führen sind
wegen der höheren Magnetfeldstärken sind aber mehr und größere Flecken zu erwarten, die bis über 50% der Stern­
Oberfläche bedecken können und mit der Rotation über unser Gesichtsfeld wandern
dafür spricht die Tatsache, dass die Variabilität dieser Sterne mit der Rotationsgeschwindigkeit wächst
(auch Effekt eines verstärkten Dynamo)
Pekuliäre Sterne
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Ap­Sterne zeigen auch Variationen in den Elementen (normalerweise ist die Oberflächen­Zusammensetzung von Sternen stabil und in etwa immer dieselbe)
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Erklärung: Wechselwirkung Magnetfeld und Sternwind
Sternwind: Strahlungsdruck auf geladene Teilchen (unterschiedlich je nach Ladungszahl!)
Magnetfeld: erschwert Abströmen, zwingt geladene Teilchen auf Spiralbahnen
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an den Magnetpolen: leichteres Abströmen
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gegen Äquator: Festhalten der Materie
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Ergebnis: asphärische Wolke um Sterne; sind Rotations­ und Magnetfeld­Dipolachse nicht kollinear, ergeben sich Aspekt­
Effekte
Modell eines Ap­Sternes
an den Polen können insbesondere die schwereren Elemente (viele Absorptionslinien, gutes Ankoppeln an Strahlungsfeld) den Stern
verlassen, der dort metallarm erscheint. Dagegen sammeln sich diese
Elemente eher in der Äquatorebene, die metallreich (supersolar) wirkt.
Neutronensterne
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sind eine Endphase von Sternen, entstehen als Teil einer Supernova­Explosion
der ehemaligeKern eines massereichen Sterns kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft
durch die hohen Dichten (nukleare Dichten, etwa 1015 gm/cm3) werden die Elektronen aus dem Fermi­See in die Protonen “gedrückt”, so dass fast nur noch Neutronen vorhanden sind (Neutronisation)
Masse: 1­5 M⊙ , Radius: 30 km , also nur 5 10.5 R⊙ einfache Annahme der Erhaltung der Magnetfeldenergie ergibt einen Faktor 8 1012 in der Magnetfeldstärke
normales solares Magnetfeld würde die beobachtete Magnetfeldstärke eines Neutronensterns ergeben
Pulsare
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Pulsare wurden von Bell (1967) und
Hewish (Nobelpreis) entdeckt
senden extrem regelmäßige Radio­
signale aus Gangenauigkeit +0.11 ns/Tag
wurden daher zunächst für Signale
außerirdischer Zivilisationen ge­
halten
sind aber tatsächlich Signale von schnell rotierenden Neutronensternen Bild zeigt den Crab­Pulsar (SN 1054) mit wirbelnden Materiewolken
Pulsarmechanismus
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Elektronen werden im Magnetfeld stark beschleunigt: relativistisch
beschreiben Spiralbahnen um Magnetfeldlinien
entsteht Synchrotonstrahlung (bei thermischen Geschwindig­
keiten heißt sie Cyclotron­Strahlung) Vorwärtsemission aus Pol­Feldlinien im Radio, bei Crab und Vela auch im Sichtbaren, Röntgen, ...
da Neutronenstern rotiert, überstreicht der enge “Lichtkegel” den Beobachter einmal bei jeder Umdrehung
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Leuchtturmeffekt
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Pulsarperiode = Rotationsperiode
PSR1913+16
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1974 von Joseph Taylor und Russell Hulse entdeckt
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ein Pulsar und ein Neutronenstern in einem Doppelsternsystem
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8 Stunden Umlaufzeit
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wegen hoher Masse undgeringem Abstand allgemein­
relativistische Effekte
Theorie sagt Abstrahlung von Gravitationswellen voraus, Verlust von Bahnenergie, schnellere Bahnperiode
verändert auch Periastron­
Timing, bei dem Pulsar­
Signal doppler­verschoben
ist
gemessen! .... Nobelpreis 1993
Magnetfelder in Galaxien
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auch Galaxien als Ganzes weisen Magnetfelder auf
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werden gefunden durch Radiobeobachtungen
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wieder Synchroton­Effekt und Polarisation
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Bewegungsrichtung der Elektronen plus Magnetfeldrichtung bestimmen Polarisation
daraus Magnetfeldrichtung
Intensität ist Maß
für Magnetfeldstärke
6cm Radiokarte des Andromeda­Nebels
Aktive Galaktische Kerne
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viele Galaxien haben im Kern ein Schwarzes Loch, das zu allerlei hochenergetischen Phänomenen führt
z.B. zum Ausstoßen von relativistisch beschleunigten Elektronen und Protonen, sogenannten Jets
da AGNs aber auch über großräumige Magnetfelder verfügen, die entlang des Materieausflusses konzentriert sind, bleiben
die Jets auch über galaktische Distanzenhinweg kollimiert und können gut im Radiobereich beobachtet werden
die Abbildungen zeigen die elliptische Galaxie M87 mit dem Jet im Optischen (HST) und Radio­Bereich (NRAO)
Magnetare
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Neutronensterne mit 1015 Gauss Magnetfeld
Ausbrüche (Soft Gamma Ray Repeaters und Anomalous X­ray Pulsars): Magnetfeld rearrangiert sich (wie Sonne), dabei wird die Neutronensternkruste aufgebrochen und Energie freigesetzt
ein Ausbruch in 20,000 LJ Entfernung führte zu Gamma­Strahlen­
Schauern,
die noch die irdische
Ionosphäre beeinflussten
APOD vom 26.11.04: Magnetare vor der IR­Galaxis
Schlussfolgerung
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nicht nur die Erde hat ein Magnetfeld, das zu den schönen Polarlichtern führt
auch andere Planeten, die Sonne, viele Sterne besitzen Magnetfelder
ebenso Galaxien, Galaxienhaufen, vielleicht sogar das ganze Universum
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eigentlich überall, wo Plasmen existieren
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Entstehung und Stabilität oft unklar
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primordial oder durch Dynamo­Effekte?
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Messung durch Zeeman­Aufspaltung und Synchroton­Strahlung
... und das nächste Mal
APOD vom21.11.2004: die kollidierenden Galaxien NGC 2207 und IC 2163
Wechselwirkende Galaxien und Galaxienentwicklung