POPULATION III
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POPULATION IIISTERNE Aufbau und Entwicklung der Galaxis I – UE Nadja Lampichler WS 12/13 Überblick • • • • • • • Was sind Population III-Sterne? Entstehung Kühlung Zeitpunkt der Entstehung Auswirkungen auf heutiges Universum Endstadien der Population III-Sterne Paarinstabilitätssupernovae Was sind Population III-Sterne? • Population = Untermenge von Sternen mit ähnlichen Eigenschaften • Population I-Sterne: Z~0.02 Population II-Sterne: Z~0.001 Population III-Sterne: Z=0? → hypothetische Sternpopulation • Nach dem Urknall: ~75% H, ~25% He, Spuren von Li → keine Metalle • Annahme: die ersten Sterne entstanden nur aus H und He • Pop II-Sterne: die ältesten bisher beobachteten Sterne - in ihren Spektren jedoch schon Metalle • Schlussfolgerung: es gab eine noch ältere Generation von Sternen Bildung von Pop III-Sternen • Dichteschwankungen der Materie und Dunklen Materie im frühen Universum • Materie durch Strahlungsdruck zunächst geglättet, Dunkle Materie war jedoch „immun“ dagegen und verklumpte • Entwicklung eines Netzwerkes aus filamentartigen Strukturen • Materie wurde gravitativ angezogen und sammelte sich an diesen Strukturen an • Es entstanden knotenartige Verdichtungen, die sich gravitativ zusammen zogen • Dabei auf über 1000 K erhitzt http://www.solstation.com/x-objects/first.htm Kühlung • Kühlung durch H2 → H2 kollidierte mit H-Atomen → e- angeregt → bei Abregung Infrarot-Strahlung emittiert → Wolken auf 200 bis 300 K gekühlt • Jeans-Masse MJ: stark von Temperatur abhängig • MJ von Pop III-Sternen sehr viel größer als von heutigen Sternen • Wahrscheinlich keine bzw. nur sehr geringe Fragmentierung • Das heißt: Pop III-Sterne waren sehr massereich: weniger als 100 bis zu 1000 Sonnenmassen! • Materie kontrahierte zu rotierenden Klumpen • Simulationen: Klumpen waren wahrscheinlich flach und scheibenförmig • Materie wurde von Dunkler Materie getrennt → diese blieb verstreut außerhalb • Minihalos aus Dunkler Materie mit ca. 106 Sonnenmassen → Miniaturausgaben von Spiralgalaxien Stacy et al., 2012 • Die dichtesten Klumpen kollabierten zu den ersten Sternen • Protosterne akkretierten relativ schnell viel Masse bis Kernschmelzung einnsetzte Zeitpunkt der Entstehung • Wann gab es die ersten Sterne? • Verschiedene Annahmen, aber wahrscheinlich etwa 100-250 Mio. Jahre nach dem Urknall • Ende vom „Cosmic Dark Age“ http://www.space.com/13219-photos-big-bang-earlyuniverse-history.html Auswirkungen auf heutiges Universum • Quelle der ersten Metalle → Anreicherung des primordialen Gases → Universum erhielt neue Eigenschaften • Kühlung durch Metalle viel effizienter → beeinflusst Wolkenbildung und Sternentstehung • Chemische Verbindungen von Metallen, z.B. Siliziumdioxid → Bildung von Staub (Kühlung) • Durch effizientere Kühlung: Bildung von Sternen mit geringeren Massen möglich Reionisation • Pop III-Sterne: sehr heiß → Oberflächentemp. von bis zu 100000 K möglich • Überwiegend UV-Strahlung abgestrahlt → umgebendes Gas wurde ionisert: Zeitalter der Reionisation (ca. 150-400 Mio. Jahre nach dem Urknall) http://www.solstation.com/x-objects/first.htm Endstadien von Pop III-Sternen • Sehr kurzlebig: viele nur 3-4 Mio. Jahre alt • 140-260 MS: Paarinstabilitätssupernovae • 15-40 MS : Kernkollapssupernovae • 40-140 und >260 MS : Schwarzes Loch • Bei SN-Explosionen → Großteil des Materials weggeschleudert → Anreicherung des IGM Paarinstabilitätssupernova • Stern kollabiert nicht zu einem kompakten Objekt, sondern wird vollkommen zerrissen • PISNs sind möglich, wenn Vorgängerstern sehr ,sehr metallarm ist und eine bestimmte Masse hat • Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren • Explosionsartiges Sauerstoff- und Siliziumbrennen → sehr hoher Druck Mögliche PISN-Kandidaten • SN 2006gy (NGC 1260): 240 Mio. Lichtjahre • SN 2007bi (Anon J131920+0855): 1,7 Mrd. Lichtjahre http://ksj.mit.edu/tracker/2007/05/wires-almosteverybody-kerpow-biggest-ba Beobachtung • In weit entfernten Galaxien – heute noch nicht möglich • Weitere Möglichkeit: massearme Pop IIISterne, die aus ihrem DM-Minihalo hinaus gestoßen wurden → könnten heute noch existieren Noch viele offene Fragen… • Einfluss der Rotation? • IMF der Pop III-Sterne? Referenzen • Stacy et al., Rotation and Internal Structure of Population III Protostars, Mon. Not. R. Astron. Soc. 000 (2012), pp. 1-17 • Larson R., Bromm V., The First Stars in the Universe, Scientific American (2009): http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=the-firststars-in-the-un • http://abenteuer-universum.de/sterne/firststars.html • http://www.solstation.com/x-objects/first.htm
