Bebachtungen und Theorie der Sternentstehung
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Astroseminarvortrag 27.11.07 Beobachtungen und Theorie der Sternentstehung Christoph Sauer INHALT 1. Beobachtungen 2. Ablauf der Sternentstehung 3. Theorien der Sternentstehung INHALT 1. Beobachtungen 2. Ablauf der Sternentstehung 3. Theorien der Sternentstehung Orionnebel im sichtbaren Licht Aufgenommen vom Hubble Space Teleskop Orionnebel im sichtbaren Licht Orionnebel im Infraroten Aufgenommen vom Hubble Space Teleskop • Molekülwolke undurchsichtig im sichtbaren Licht • Sichtbares Licht wird absorbiert bzw. gestreut • Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) wird emittiert Informationen über Sternentstehungs– gebiete aus IR-Astronomie Orionnebel im Infraroten • Unten rechts: Schwert des Orion • Mitte oben: Betelgeuse (blau-weißer Punkt) • Rechts daneben: Supernovaüberrest • Links unten: weiterer Supernovaüberrest (größerer Kreis) Aufgenommen von IRAS (Infrared Astronomical Satelite) Rho Ophiuchi im Infraroten Grüner Schein in der Mitte vom jungen Binärsternensystem Sigma Scorpii Aufgenommen von IRAS (Infrared Astronomical Satellite) Kleinmann – Low Nebula im IR • Aktivster Teil des Orionnebels • Heiße stellare Winde, produziert von jungen großen Sternen, treiben das Gas auseinander • Wirkt sehr „turbulent“ Aufgenommen vom Subaru 8.3-m Telescope T-Tauri Stern im IR Binärstern umgeben von Akkreditionsscheibe 13-channel AO image der University of Hawaii INHALT 1. Beobachtungen 2. Ablauf der Sternentstehung 3. Theorien der Sternentstehung Grober Ablauf der Entstehung eines Sterns mit 1 MSonne • Molekülwolke (erst GMC dann MC usw.) zerfällt in immer kleinere Fragmente (genaueres in Abschnitt 3.) • Ist Jeansmasse überschritten beginnt gravitativer Kollaps • Solange Gasdichte klein genug, Fragment optischbzw. IR-dünn und freiwerdende Gravitationsenergie wird als Strahlung emittiert Kollaps verläuft isotherm bei c.a. 10 K • Dichte wächst auf c.a.1011 cm-3 und Gas wird optisch dick Strahlung kann nicht mehr vollständig entweichen und Gas heizt sich auf Thermischer Gegendruck verlangsamt Kollaps vorübergehnd • Objekt ist nun ein Protostern • Ab einer Temperatur von c.a 1000 K und einer Dichte von c.a 1016 cm-3 Dissotiation von H2 im Zentrum unter Energieverbrauch Gas kühlt ab und Kollaps wird beschleunigt • Ab einer Temperatur von c.a. 104 K und einer Dichte von c.a. 1022 cm-3 weitere quasistationäre Kontraktionsphase, Kern (10-3 MSonne, 10 RSonne) ist umgeben von Hülle mit Radius c.a. 106 RSonne und sehr hoher Opazität Weitere Aufheizung • Wasserstoff ionisiert im Kern unter weiterem Energieverbrauch Erneute Beschleunigung der Kontraktion • Kelvin – Helmholz Instabilität dominiert Entwicklung Steiler Temperaturgradient • Objekt wird nun T – Tauri Stern genannt (starke Leuchtkraftschwankung, Akkreditionsscheibe, starke magnetische Aktivität, Jets) • Ab einer Temperatur von c.a. 107 K und einer Dichte von 1026 cm-3 beginnt Wasserstoffbrennen im Kern und das Objekt ist ein Hauptreihenstern INHALT 1. Beobachtungen 2. Ablauf der Sternentstehung 3. Theorien der Sternentstehung Existenz von drei von einander unabhängigen Theorien zur Sternentstehung und zur Erklärung der Initial Mass Function (IMF) (zu deutsch: Anfangsmassenfunktion) A) Theorie der ambipolaren Driftkontraktion der subkritischen Kerne • Protostellare Kerne und Ursprungswolken sind langlebige Systeme nahe dem thermodynamischen Gleichgewicht • Druck durch magnetische Felder wirkt dem Gravitationskollaps entgegen und stabilisiert die Wolke über viele Freifallzeiten LEIDER FALSCH weil: • Inkonsistent mit der beobachteten Turbulenz in Sternentstehungsgebieten • Kann die Entstehung sehr massereicher Sterne und brauner Zwerge nicht erklären • Konzentriert sich auf die Entwicklung einzelner Protosterne • Liefert keine in sich konsistente Erklärung für die Ursachen der Anfangsbedingungen der Sternentstehung A) Theorie der Opazitätslimitierten Gravitationsfragmentierung • Überträgt das Konzept der Gravitationsfragmentierung von kleinen auf große Skalen um damit die gesamte stellare Population zu erlären • Benutzt dazu die gravitative Instabilität, also den Vergleich der thermischen mit der Gravitationsenergie: kleinste stabile Masse ist die Jeansmasse LEIDER FALSCH weil: • Oberhalb einer Skala von c.a. 0,1 pc ist kinetische Energie der Turbulenz um c.a. einen Faktor 100 größer als thermische Energie, d.h. Vergleich von thermischerund Gravitationsenergie irrelevant auf großen Skalen • Annahme linearer Gasdichte und linearen Geschwindigkeitsfeldes absolut nicht zulässig, da hohe kinetische Energie der Turbulenz beide extrem nicht linear macht A) Theorie der turbulenten Fragmentierung • Basiert auf der beobachtete Überschallturbulenz in Molekülwolken • Turbulenz fragmentiert das Gas auf allen Skalen • Protostellare Kerne entstehen durch Schockwellen der Überschallturbulenz, welche das Gas komprimieren • Turbulenz wird auf großen Skalen durch Supernovae, auf kleinen Skalen durch junge Sterne verursacht Schon vor 25 Jahren durch Larson postuliert, fand aber erst in den letzten Jahren zunehmende Anhängerschaft Grund: Fortschritt numerischer Simulationen SCHEINT RICHTIG weil: • Konsistent mit der beobachteten Dynamik in Sternentstehungsgebieten • Erklärt die Initial Mass Function (IMF), also sowohl braune Zwerge als auch sehr massereiche Sterne Initial Mass Function: • Teilweise analytische Herleitung liefert: • Exponentielle Abhängigkeit durch Beobachtungen schon länger bekannt (Salpeter IMF) • Aber: nur gültig oberhalb von c.a. 0,5 MSonne da sonst Maximum für Kleinststerne • Einbeziehen des Jean´s Kriteriums liefert: IMF mit Variation der Turbulenzskalengröße L0 IMF mit Variation der Machzahl r IMF mit Variation der mittleren Gasdichte <n> WICHTIG: IMF ist bei großen Massen unabhängig von der Parametervariation IMF sollte in allen Sternentstehungsgebieten gleich sein... WICHTIG: IMF ist bei großen Massen unabhängig von der Parametervariation IMF sollte in allen Sternentstehungsgebieten gleich sein... ...und ist es auch! ABER: • Sternentstehung ist Teil aktueller Forschung und noch nicht in allen Aspekten perfekt verstanden • Immer noch „Ausreißer“ in Beobachtungen • Turbulenz erklärt nicht alles, Magnetfelder müssen für vollständiges Verständnis mitberücksichtigt werden Quellen: http://www.ipac.caltech.edu/Outreach/Edu/sform.html http://www.aip.de/People/lwisotzki/lehre/astrohu0506/astro2_08_2p.pdf http://de.arxiv.org/PS_cache/astro-ph/pdf/0209/0209244v1.pdf http://www.uni-sw.gwdg.de/~bziegler/Vorlesungen/EinfueII/Sternentstehung. pdf http://www.astro.uni-wuerzburg.de/~niemeyer/lectures/einf.pdf Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!
