POPULATION III

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POPULATION IIISTERNE
Aufbau und Entwicklung der Galaxis I – UE
Nadja Lampichler
WS 12/13
Überblick
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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
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