Entfernungsmessung mit Supernovae von Otto Eberhardt am 4. 11. 2008 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 2 Messgröÿen 2 2.1 Leuchtkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Helligkeit 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.3 Standard-Bänder 2.4 Bolometrische Helligkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Die Sternenentwicklung bis zur Supernova 3 3 4 3.1 Weiÿe Zwerge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.2 Supernovae 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Entfernungsbestimmung 7 1 1 Einleitung In den Jahren 1923/25 entdeckte Edwin Hubble in verschiedenen extragalaktischen Nebelecken so genannte Cepheidensterne (benannt nach dem Stern δ im Sternbild Cepheus). Damit konnte er sehr groÿe Entfernungen relativ genau messen. In Verbindung mit der Rotverschiebung z= ∆λ λ schloss Hubble auf sein Gesetz cz = H0 d und bestimmte H0 zu 500 km s·MPc Wert auf 50-100 (aktuell: 70 ≈ 3 · 1022 (1 MPc ±7) km s·MPc . m). Genauere Messungen verbesserten den Heute ist die genaueste Methode, um Entfernungen von extragalaktischen Objekten zu messen, die Messung mit Supernovae. Bevor ich genauer auf die Entfernungsmessung und deren Ergebnisse eingehe, möchte ich zuerst die Messparameter erklären und das Phänomen dieser hellsten Sternenexplosionen beschreiben. 2 Messgröÿen 2.1 Leuchtkraft Die Leuchtkraft L der Sonne beträgt eines Sterns beschreibt seine totale Strahlungsleistung. Die Leuchtkraft 3, 86 · 1026 W und stellt gleichzeitig die Leuchkrafteinheit L dar. Man erhält sie, indem man auf der Erde die Strahlungsleistung der Sonnenstrahlen pro Fläche (Strahlungsuss F) misst und den Einuss der Atmosphäre (Absorption von bestimmten Wellenlängen) herauskorrigiert. Diese Messung muss erfolgen, wenn die Erde genau AE, also 1, 50 · 1011 r = 1 m von der Sonne entfernt ist. Dann erhält man über die Beziehung 2 L = 4πr ·F die Leuchtkraft der Sonne. Genauso kann man bei anderen Sternen, deren Entfernung man kennt, die Leuchtkraft ausrechnen, oder bei einer Supernova mit bekannter Leuchtkraft die Entfernung. 2.2 Helligkeit Neben den physikalischen Gröÿen gibt es in der optischen Astronomie noch ein Maÿsystem für (scheinbare) Helligkeiten, das historisch bedingt ist: die so genannte Magnituden- oder Gröÿenklassenskala. Hat man zwei Strahlungsquellen mit den spektralen Strahlungsströmen s1 und s2 (z. B. im visuellen Spektralbereich), dann ist die Helligkeitsdierenz deniert als ∆m = m1 − m2 := −2, 5 log10 s1 s2 . Das heiÿt, dass das Verhältnis der spektralen Strahlungsströme durch den Faktor 10−0,4·∆m gegeben ist. Für die Helligkeitsangabe verwendet man die Einheit mag, wobei sich 0 mag auf den Stern Wega im Sternbild Leier bezieht. (Dies ist einer der hellsten Sterne an unserem Nachthimmel.) Spricht man von einem Stern mit Helligkeit 5 mag, so ist dieser 2 10−0,4·5 = 0, 01−mal so hell wie Wega. Je schwächer also ein Stern leuchtet, desto höher seine Gröÿenklasse. Absolute Helligkeiten M beziehen sich auf die Helligkeit eines Sterns im Abstand 10 Parsec (32,6 Lichtjahre): M = m − 2, 5 log10 r2 r02 = m − 5 log10 r r0 Man verwendet sie, um unabhängig von der Entfernung Aussagen über die Helligkeit machen zu können. Andersherum kann man den so genannten Entfernungsmodul m−M zur Entfernungsmessung benutzen. Kennt man absolute und scheinbare Helligkeit, kann man den Abstand der Strahlungsquelle berechnen. Dabei entspricht eine Vergröÿerung des Entfernungsmoduls um +5 mag einer Verzehnfachung des Abstandes. 2.3 Standard-Bänder Angaben in der Magnitudenskala machen aber bisher nur Sinn, wenn sie sich auf einen bestimmten Spektralbereich beziehen. Dafür werden die so genannten Standard-Bänder deniert: Der ultraviolette Bereich um 350 nm (U), der blaue Bereich um 440 nm (B), der visuelle Bereich um 550 nm (V), der rote Bereich um 620 nm (R) und der infrarote Bereich um 800 nm (I). Dies sind natürlich noch nicht alle Spektralbereiche: Mit der Zeit wurde der Infrarotbereich um die Bänder J, H, K, L und M erweitert und es gibt noch viele im Radio-, Mikro- und Röntgenwellenbereich. Die Farben eines Sterns werden in U-V oder B-V angegeben, also über die spektralen Helligkeitsunterschiede (im Vergleich zu Wega) deniert. Zum Beispiel gilt für B-V: sB 10−0,4(B−BWega ) = −0,4(V −V Wega ) sV 10 2.4 Bolometrische Helligkeit mbol mbol, = −26, 85 Um den gesamten Strahlungsuss zu beschreiben, wurde die bolometrische Helligkeit eingeführt. Referenzstern für die bolometrische Helligkeit ist die Sonne mit Mbol, = +4, 72 mag. Die absolute bolometriist im Maximum Mbol = −19, 6 ± 0, 2 mag und mag. Ihre absolute bolometrische Helligkeit ist sche Helligkeit einer Supernova vom Typ Ia damit etwa 1010 -mal so hell wie die Sonne. Die absolute bolometrische Helligkeit entspricht der Leuchtkraft. Die Dierenz zwischen und m heiÿt bolometrische Korrektur (BC). Zur Gesamtübersicht nun noch eine Tabelle: abhängig von abhängig von unabhängig von m, s M r r 3 λ total mbol , F Mbol , L mbol 3 Die Sternenentwicklung bis zur Supernova Sterne durchleben verschiedene Brennphasen, wobei die erste und längste das Wasserstobrennen ist. Ist der Wassersto-Vorrat im Inneren eines Sterns (im so genannten Core) verbraucht, steigt dort die Dichte so lange an, bis das Heliumbrennen einsetzt. Ist alles Helium fusioniert, wird der Core wieder komprimiert, bis das Kohlenstobrennen beginnt und so weiter, bis durch eine Kernfusion keine energetisch günstigeren Kongurationen eingegangen werden können. Dieser Punkt wird mit der Produktion von Eisen erreicht. Es können auch mehrere Brennprozesse gleichzeitig ablaufen: Während in einer äuÿeren Schale noch der letzte Wassersto verbrannt wird, kann im mittleren Bereich des Sterns schon Helium fusionieren, und im Zentrum ist die Dichte vielleicht schon groÿ genug fürs Kohlenstobrennen (Zwiebelstruktur). Dabei hängt es allerdings von der Masse eines Sterns ab, ob nach dem Verbrauch aller Wassersto-Vorräte eine genügend hohe Temperatur und Dichte erreicht wird, so dass die Heliumfusion eintritt. Die Grenzmasse liegt hier bei 0,45 Sonnenmassen. Aber auch bei schwereren Sternen läuft nicht alles nach Plan. Die Fusionsprozesse von Elementen schwerer als Helium verlaufen fast explosionsartig, manche Sterne verlieren ihre Auÿenhülle durch starke Sternwinde und andere explodieren sogar. Diese Sternexplosionen (Supernovae) wollen wir uns jetzt näher anschauen, weil sie auch viele Galaxien entfernt noch sichtbar sind. Dafür brauchen wir als erstes einen nicht allzu schweren Stern (mit 0,45 M <M<8 M als Anfangsmasse). Dieser Stern muss sich im Endstadium seines Sternenlebens benden. Ein Endstadium stellen die Weiÿen Zwerge dar. 3.1 Weiÿe Zwerge Ein Weiÿer Zwerg entsteht, wenn ein Stern zu leicht ist, um die für eine C-Fusion nötige Dichte zu erreichen. Sein innerer Teil besteht nach fast vollständiger Umwandlung von Helium in Kohlensto, Sauersto und einige schwerere Elemente hauptsächlich aus den beiden erstgenannten Elementen und wird deswegen C+O-Kern genannt. Das Verhältnis C/O wird dabei in erster Näherung von der maximalen Brenntemperatur bestimmt und damit von der Anfangsmasse. Nach oben beschriebener Zwiebelstruktur benden sich zunächst in den äuÿeren Schichten noch Wassersto und Helium und der Stern erscheint als Roter Riese. Da der Kern nun keine Fusionsenergie mehr freisetzen kann, kühlt er ab und stöÿt seine Hülle ab. Diese Abstoÿung 4 Jahre) durch Schockwellen oder einen starken Sternenwind ndet innerhalb kurzer Zeit (10 statt. Die äuÿere Hülle bewegt sich mit 20 bis 30 km/s vom Stern weg und verformt sich zu einem planetarischen Nebel. Diese planetarischen Nebel haben Scheibenformen und werden durch den glühenden Sternenrest zum Leuchten angeregt. Die anfangs 105 K heiÿen C+O-Kerne hingegen werden durch ihre Abkühlung noch mehr kom- primiert und die Radien schrumpfen auf einige Tausend Kilometer, wobei schwerere Sterne stärker schrumpfen! Es kommt zu Materiedichten von 1010 3 kg/m . Die Elektronen bilden jetzt ein (entartetes) Fermigas. Dabei kommt das Pauli-Prinzip zum Tragen: Die Teilchen dürfen sich nicht am gleichen Ort im gleichen Zustand benden und müssen deshalb verschiedene Geschwindigkeiten haben. Das hat zur Folge, dass sie sich wieder voneinander wegbewegen. Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Graviationsdruck und Pauli-Abstoÿung ein; allerdings nur, wenn der Stern nun nicht schwerer als das 1, 4-fache der Sonnenmasse ist. Sonst wür- de ein Neutronenstern oder sogar ein schwarzes Loch entstehen. Diese kritische Masse heiÿt Chandrasekharsche Grenze. Nach langer Abkühlzeit ist die Wärmeenergie der Ionen kleiner als ihre Coulombenergie. Dann 4 kristallisiert der Stern aus. Die Abkühlung dauert erheblich länger als die Abstoÿung der Hülle (also die Verwandlung vom Roten Riesen zum Weiÿen Zwerg). Dabei ist die Zeitskala von Masse und Leuchtkraft abhängig: tAbkühlen ≈ 107 a · M M L 5/7 · L Für leuchtschwache, schwere Weiÿe Zwerge ist die Abkühlzeit gröÿer als das bisherige Alter des Universums. Die kühlsten bisher gefundenen Weiÿen Zwerge haben eine Eektivtemperatur von knapp 4000 K, das heiÿt sie emittieren genau so viel Energie wie ein schwarzer Körper der Temperatur 4000 K. 3.2 Supernovae Hat ein Stern die nötige Masse zum Kohlenstobrennen (mindestens 1,4 Elektronengas), erreicht die Zentraltemperatur mehrere 109 M bei entartetem K. Dabei entstehen energiereiche Photonen und es kommt zu Paarerzeugung und Spaltung der schwereren Atomkerne. Das instabile Zentralgebiet des Sterns kollabiert und die groÿe Dichteerhöhung führt zur Neutronenbildung aus Protonen und Elektronen. Da die Neutronen nicht mehr viel weiter komprimiert werden können, wird die nachströmende Materie mit einer Geschwindigkeit von 104 km/s re- ektiert und die Sternenhülle explodiert als Supernova des Typs II; ein Neutronenstern bleibt übrig. Aber auch aus Weiÿen Zwergen mit C+O-Kernen können Supernovae entstehen, wenn sie die Chandrasekhar-Masse erreichen. Dies kann nur in einem Doppelsternsystem durch einen Materiezustrom (die so genannte Akkretion ) von dem Begleitstern geschehen. Abbildung 1: Materietransfer von einem Begleitstern auf einen Weiÿen Zwerg Dabei ist der Transferrate entscheidend: Liegt sie bei 10−8 bis 10−7 M / Jahr, so können Novae entstehen. Das sind sehr hell leuchten- de Explosionen, bei denen eine nukleare Kettenreaktion einsetzt und die angesammelte Hülle eines Weiÿen Zwerges abgestoÿen wird. Ist die Akkretionsrate höher als 10−7 M / Jahr, kommt es zur Supernova des Typs Ia: Ein instabiles explosives C-Brennen setzt ein, das innerhalb von Sekunden den Kohlensto und 5 Sauersto im Weiÿen Zwerg zu Elementen der Eisengruppe verbrennt. Dabei wird der ganze Stern auseinandergerissen, es bleibt kein Sternenrest übrig. Supernovae des Typs I weisen im Vergleich zu Typ-II-Supernovae keine Wasserstoinien im Spektrum auf, da bei einem Weiÿen Zwerg der Wasserstovorrat ja schon komplett verbrannt ist. SNe Ia haben starke Silizium-Linien, die die Typen Ib und Ic, die aus schwereren Sternresten entstehen, nicht aufweisen. Auÿerdem haben sie die Besonderheit, dass sie alle fast genau die gleiche Energie von rund gieverbrauch liegt bei 4, 32 · 1045 J freisetzen. (Zum Vergleich: Der jährliche Weltener- 1017 J (2004); die Sonne strahlt in einem Jahr 1, 21 · 1034 J ab.) An dieser ungeheuren Energiemenge haben Neutrinos mit Abstand den gröÿten Anteil. 10 % der Neutrinos übertragen ihre kinetische Energie auf die äuÿeren Schichten des Sterns und sorgen somit für die Explosion. Während dieser Reaktion steigt die Leuchtkraft des Sternes innerhalb von 20 bis 30 Tagen auf 1010 L ; die Supernova kann monatelang das gesamte Licht ihrer Galaxie überstrahlen. Weil die Chandrasekhar-Masse nur durch fundamentale Konstanten der Physik und die mittlere Massenzahl der Materie des Weiÿen Zwergs festgelegt ist, läuft der Explosionsvorgang bei allen SNe Ia in etwa gleich ab: Abbildung 2: Entwicklung der Leuchtkraft von Supernovae Ia Dabei wird der Anstieg der Helligkeit durch die schnelle Vergröÿerung der leuchtenden Oberäche bewirkt. Im Helligkeitsmaximum erreichen alle SNe Ia ziemlich genau die gleiche Leuchtkraft, weshalb sie ideal zur Entfernungsmessung geeignet sind. Nach Erreichen des Maximums wird die Helligkeitsabnahme vom radioaktiven Zerfall kurzlebiger Isotope der Eisengruppe bestimmt, die bei der Supernova entstanden sind. Im sichtbaren Bereich liefert der Elektroneneinfang von einer Halbwertszeit von 6 Tagen zu 56 Ni den gröÿten Teil. Dieses Isotop zerfällt mit 56 Co und mit einer Halbwertszeit von 77 Tagen weiter 56 Fe. (Übrigens sind die meisten Eisenatome in unserem Körper in Supernovae zum stabilen entstanden!) Die bei einer Supernova-Explosion abgestoÿene Hülle bleibt mehrere hunderttausend Jahre 6 sichtbar. Somit kann man aus den Überresten auf die ungefähre Häugkeit, mit der eine Supernova auftritt, schlieÿen. In der Milchstraÿe sind etwa 230 solcher Reste bekannt; man rechnet mit 1-3 Supernova pro Galaxie und Jahrhundert, wobei nur jede zehnte eine Supernova vom Typ Ia ist. Von den Supernovae in unserer Galaxie sind nur sechs dokumentiert: • 1006 berichten fernöstliche Quellen über eine Supernova. • 1054 wurde in China und Japan eine Supernova im Sternbild Krebs beobachtet, die sogar tagsüber mit bloÿem Auge sichtbar war. • 1181 wurde wiederum in Ostasien eine Supernova gesichtet. • 1572 entdeckte Tycho Brahe eine Supernova und ebenso • 1604 sein Nachfolger Johannes Kepler. • Ende des 17. Jahrhunderts wurde die am ungenauesten belegte Supernova entdeckt. 1987 wurde eine Supernova vom Typ II gesichtet, wobei zum ersten Mal von einem solchen Ereignis kommende Neutrinos (19 an der Zahl) nachgewiesen wurden. Seit der Keplerschen Supernova war SN1987A die erste, die man mit dem bloÿen Auge sehen konnte. Sie erschien in der Groÿen Magellanschen Wolke, dem nächstliegenden Sternsystem zur Milchstraÿe (Abstand: ca. 50 kPc). Allerdings kann man SNe Ia bisher nicht vorhersagen. 4 Entfernungsbestimmung Entfernungen d werden in der Astrophysik in Parsec gemessen. Ein Parsec ist die Entfernung (von der Sonne), bei der der mittlere Durchmesser der Erdbahn einen Winkel von einer Bogen- 00 sekunde (1 = 1 ◦ 3600 ) einnimmt. Dies sind umgerechnet 30, 856 · 1012 km bzw. 3,26 Lichtjahre. Zur kosmischen Entfernungsmessung benötigt man Standardkerzen, das heiÿt Objekte, über deren Leuchtkraft man unabhängig von der Entfernung Aussagen machen kann. Diese Strahlenquellen dienen zur Eichung der kosmischen Entfernungsleiter: Abbildung 3: Einige Standardkerzen in der kosmischen Entfernungsleiter Als beste Standardkerzen gelten momentan Supernovae Ia, weil sie eine extrem hohe Leuchtkraft haben und diese bei allen Ereignissen ziemlich genau die gleiche ist. 7 Will man nun die Entfernung einer solchen Supernova messen, benötigt man zur Eichung zuerst eine andere Supernova, deren Abstand man kennt. Diese erhält man, wenn ein Stern in einer nahen Galaxie explodiert, von der man den Abstand über andere Messungen (z. B. Cepheiden) kennt. Wie schon gesagt ist die absolute bolometrische Helligkeit im Maximum Mbol = −19, 6 ± 0, 2. jeder Supernova Ia Der Helligkeitsverlauf der einzelnen Bänder sieht wie folgt aus: Abbildung 4: Helligkeitsverlauf verschiedener Bänder bei SN2001el Zu minimalen Unterschieden bei den Leuchtkraftkurven kommt es durch die leicht unterschiedliche Zusammensetzung (das C/O-Verhältnis ) der Weiÿen Zwerge vor der Explosion. Man hat aber herausgefunden, dass die Leuchtkraftkurve von helleren Supernovae nach Erreichen des Maximums langsamer abfällt, während schwächer leuchtende Supernovae schneller abklingen. Durch Überlagerung der Maxima und Stauchung der breiteren beziehungsweise Streckung der schmaleren Leuchtkraftkurven kann man aber alle wieder vereinen: Abbildung 5: Überlagerung der Leuchtkraftkurven im B-Band 8 Auÿerdem muss man noch die Extinktion, also die Lichtabschwächung durch interstellare Staubwolken berücksichtigen. Auch kann der Explosionsverlauf asymmetrisch erfolgen, was zu weiteren Abweichungen führt. Misst man nun die Helligkeit und bezieht die Korrekturen mit ein, so kann man den Abstand der SnIa berechnen. Nachteile der SN Ia-Messungen sind die geringe Häugkeit und, dass sie nicht leicht zu entdecken sind. Damit uns möglichst keine Supernova entgeht, wird mit folgender Strategie gesucht: 1. Man beobachtet bei Neumond so groÿächig aber auch genau wie möglich bestimmte dunkle Flecken am Himmel, das heiÿt Stellen, an denen sich kein Himmelskörper der Milchstraÿe bendet, sondern nur tausende stark rotverschobene Galaxien. 2. Beim nächsten Neumond macht man von den gleichen Stellen Aufnahmen und subtrahiert die Aufnahmen vom letzten Mal. Dabei erhält man zur Zeit im Schnitt 12-24 SNe Ia. 3. Jetzt kann man diese neu entdeckten Supernovae gezielt beobachten und den Leuchkraftverlauf und das Spektrum aufnehmen. Das Spektrum dient dazu, den Typ der Supernova zu bestimmen und die Rotverschiebung z zu messen: Abbildung 6: Spektrum einer Supernova Ia mit Die Gröÿe von z z = 0, 45 und charakteristischer SiII-Linie ist insofern wichtig, dass man das Hubble-Gesetz überprüfen und immer genauere Werte für den Hubble-Parameter H(z) bestimmen kann. Wie man jedoch Ende der 1990er Jahre mit Messungen an einer Supernovae mit z . 1 feststellte (siehe [7]), treten bei hohen Rotverschiebungen Abweichungen von der klassischen Friedmann-Kosmologie auf: Die gemessenen Helligkeiten bei gegebenen Rotverschiebungen sind geringer als erwartet. Das 9 bedeutet, dass die Supernovae weiter weg sind als gedacht das Universum dehnt sich also immer schneller aus! Man kann diese Abweichungen erklären, indem man die Leuchtkraftentfernung einer statischen Entfernung einführt. Für dL (z) dL (z) statt gilt folgende Beziehung (für beliebige Raum- krümmungen): dL (z) = R(t0 )2 f (χ) = (1 + z)R(t0 )f (χ) R(t) Um den Grund für die beschleunigte Expansion nden, holt man einen Parameter aus der Schublade, den Einstein dorthin verbannt hat, nachdem er ihn erfunden hatte: die kosmologische Konstante Λ. Damit erhält man für die Leuchtkraftentfernung: z dL (z) = √ wobei Ω0m ≈ 0, 3 , ΩΛ = 1+z Ω0m + ΩΛ − 1 ρΛ ρkrit = Λc2 3H02 Z p sin Ω0m + ΩΛ − 1 dz 0 ≈ 0, 7 1 , H(z 0 ) 0 und H(z) = Ṙ R (z) (c=1). Abbildung 7: Hubble-Diagramm mit Messergebnissen, die ein massedominiertes Universum sehr unwahrscheinlich machen Natürlich kann man auch andere Ursachen für die zu geringen Helligkeiten verantwortlich machen. Allerdings führen diese Erklärungsversuche alle zu Ungereimtheiten und Widersprüchen. Deswegen gelten die Messergebnisse aus fernen Supernovae als sicherer Beweis für die beschleunigte Expansion des Alls. Aus den Messungen folgt also, dass es anscheinend eine kosmologische Konstante Λ > 0 gibt. Die Entfernungsmessung mit Supernovae ist momentan die einzige Möglichkeit, durch Beobachtungen Rückschlüsse auf Λ zu machen. Aufgrund dieser Messungen kann heute ein materiedominiertes Universum mit einer Wahrscheinlichkeit von 99% ausgeschlossen werden. 10 Abbildungsverzeichnis Abbildung Titelseite: Aufnahme des Hubble Space Telescope zum 20. Jubiläum der Entdeckung der SN 1987A (NASA) Abb. 1: en.wikipedia.org/wiki/nova Abb. 2: aus [5] Abb. 3: nach Daten von [4] und [5] Abb. 4-6: aus [5] Abb. 7: aus [7] Literatur [1] W. Gebhardt: Vorlesung Kosmologie, Wintersemester 06/07 [2] W. Gebhardt: Vorlesung Sterne, Wintersemester 01/02 [3] W. Gebhardt: Vorlesung Schnelle Prozesse [4] A. Weigert, H. J. Wendker, L. Wisotzki: Astronomie und Astrophysik [5] L. Perivolaropoulos: Accelerating Universe: Observational Status and Theoretical Implications (arXiv:astro-ph/0601014v2) [6] T. Flieÿbach: Allgemeine Relativitätstheorie [7] S. Perlmutter et al.: Measurements of Ω (arXiv:astro-ph/9812133v1) 11 and Λ from 42 high-redshift supernovae