Spirograph-Nebel

Highlights der Astronomie
APOD vom 17.10.: Der Planetarische Nebel IC 418, der “Spirograph Nebel”
Was zeigt das Bild?
einen Nebel
systematische Farbunterschiede vom Zentrum zum Rand
im Gegensatz zum Eagle­Nebel:
regelmäßige Struktur
fast kreisförmig
ein heller Punkt im Zentrum statt vieler Sterne
Schlieren einer typischen Größe
Beschreibung
Aufnahme stammt vom Hubble Space Telescope, aufgenommen mit der “Wide Field Planetary Camera 2” (1999)
Falschfarbenaufnahme in mehreren Filtern:
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Emission des ionisiertem Stickstoffs ([NII], rot, außen) [14.5eV]
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Emission von ionisiertemWasserstoff (H, grün) [13.6eV]
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Emission von ionisiertem Sauerstoff ([OIII], blau, innen) [35.1eV]
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Änderung der Zusammensetzung oder der Temperatur mit r?
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im Zentrum ein einzelner Stern, der UV­Strahlung emittiert
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Objekt ist ein Planetarischer Nebel
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Spirograph ist eine geometrische Figur, bei der ein Kreis r innerhalb eines größeren R abgerollt wird, und ein zeichnender Stift sich innerhalb des abrollenden Kreises befindet (offset O)
x = (R+r)*cos(t) – (r+O)*cos(((R+r)/r)*t), y = (R+r)*sin(t) ­ (r+O)*sin(((R+r)/r)*t)
Daten
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Nebel heißt IC 416
ist ca. 4000 LJ entfernt, und hat einen Durchmesser von etwa 0.3 LJ
oder 13000 AU scheinbarer Durchmesser 18"
steht im Sternbild Hase (Lepus; südlich vom Orion)
Gasnebel einige Tausend Jahre
alt
Elektronentemperatur im Nebel ca. 9000 K
Zentralstern: Temperatur ca. 33000 K; Helligkeit 2500 L⊙
Was sind Planetarische Nebel?
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Der Begriff "planetarischer Nebel" wurde von Friedrich Wilhelm Herschel (1738­1822) geprägt, da er in diesen Nebeln planetenähnliche Scheibchen zu erkennen glaubte
Tatsächlich sind es Gasnebel um einzelne Zentralsterne (manchmal auch Doppelsterne), die durch das Strahlungsfeld des Zentralsterns ionisert werden und durch Rekombination zum eigenständigen Leuchten (Emission) angeregt werden
Der Gasnebel expandiert mit etwa 10­30 km/s –
Expansionsalter: 0.3 LJ/106 cm/s = 3 1017 cm/106 cm/s = 3 1011 s = 104 Jahre
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das ist normalerweise ein Zeitraum, während dessen ein Stern sich überhaupt nicht verändert
Sternhülle und Nebel
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der Nebel stammt offensichtlich vom Zentralstern
war früher die Hülle des Sterns und wurde von diesem abgestoßen
was jetzt der Zentralstern ist, war früher der Kern des Sterns
solche Vorgängersysteme hat man beobachtet, aber sie sind keine heißen, sondern sehr kühle Objekte, und die Hüllen bestehen aus kühlem Gas und Staub (IR Beobachtungen)
Beobachtung der Hüllenexpansion
Beobachtungen im Infraroten mit
“Speckle” ­Technik
Strukturen sichtbar und in ihrer
Expansion beobachtbar
Expansion und Sternwinde
komplizierte Abfolge von Sternwinden:
● zunächst verliert der (AGB­)Stern Masse durch einen langsamen Wind
­4 ● dann steigt dieser Massenverlust stark an (bis 10 M /J); das führt
⊙
zum Abstoßen der Hülle (Großteil der stellaren Masse)
● später folgt ein sehr schneller Wind (1000 km/s), der aber wenig Masse
enthält
Die Vorgänger­Sterne
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Sterne mittlerer Masse: M = 2 ... 8 M (1 M = 2 1033 g)
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Helligkeit: L = 300 .... 30000 L (1 L = 4 1033 erg = 4 1026 W)
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Oberflächentemperatur: Teff = 3500 ... 2500 K
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Entwicklungszustand: Roter Riese auf sogenanntem Asymptotischen Riesenast
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im Zentrum hochdichter C/O­Kern mit etwa 0.6 M
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Energieerzeugung aus
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Schale um Kern, in der He zu C/O fusioniert wird
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weiter außen weitere Schale, in der H­Fusion stattfindet
Entwicklung eines 5 M⊙ Sterns zum AGB
ZAMS: zero­age main sequence; Wasser­
stofffusion im Zentrum
RGB: Red Giant Branch; Wasserstoff­
fusion in Schalenquelle um Heliumkern
E­AGB: early AGB, 2 Schalenquellen, aber keine Pulse
TP­AGB: thermally pulsing AGB
Mbol : absolute bolometrische Helligkeit (integriert über alle Wellenlängen)
Spezialitäten von AGB­Sternen
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zeigen starke regelmäßige Helligkeitsschwankungen
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radiale Pulsationen der Hülle mit Perioden von 100 – 1000 Tagen
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Amplitude bis zu 8 mag! Über 10% des Sternradius!
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Veränderliche vom Typ Mira (“Wunderstern”, da er verschwindet [MV=10 mag] und auftaucht [MV=3 mag]) =  Ceti, entdeckt 1596 von Fabricius
Lichtkurve von Mira
Montage von Mira­Beobachtungen während einer Pulsationsperiode
P = 331.6 Tage
weitere AGB­Spezialitäten
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regelmäßiges Aufflammen der He­Schalenquelle aufgrund einer thermischen Instabilität:
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thermische Pulse
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intern große Veränderungen, extern weniger
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Zeitdauer alle 10000 Jahre, für 1000 Jahre
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führt zu Mischungen
zwischen verschiedenen
Bereichen des Sterns
Staubbildung, weil Hüllen
C­reich und sehr kühl
dadurch starker
Superwind
Thermische Pulse: Vorgänge im Inneren
nach der Trennung....
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durch die starken Winde trennen sich Hülle und Kern
Kern entwickelt sich sehr schnell bei gleicher Helligkeit zu sehr hohen Temperaturen von bis zu 100000 K
passen Dichte, Material der Hülle und Temperatur (Spektrum, Zahl der UV­Photonen) des Zentralsterns zusammen, entsteht ein Planetarischer Nebel
zu kühl
Ionisation ab T des Sterns von 30000 K
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eff
im Endstadium wird der Kern
zum Weißen Zwerg
Entwicklung der Sonne
zu schwach
Simulierte Planetarische Nebel
Position des Zentralsterns
im Hertzsprung­Russell­
Diagramm
Größe des Kreises = Helligkeit des PN
(offen/geschlossen und rot/blau: diverse Herkunftssterne)
die Formen Planetarischer Nebel
theoretisch sollten PNe kugelsymmetrisch sein
tatsächlich aber von fast kugel­
symmetrisch bis völlig unsymmetrisch
Symmetrie und Asymmetrie
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außerdem Schichtstrukturen
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Gründe
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Rotation des Vorgängers
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unsymmetrischer Wind
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episodisches Abstoßen
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Wechselwirkung mit interstellarer Materie (unsymmetrisch)
Vorsicht:
wir sehen Ionisationsgebiete, nicht unbedingt Materiedichten
Der Egg­Nebel im Infraroten
ähnliche Form, also doch Materie unsymmetrisch verteilt
Emissionslinien
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Atome (H, N, O) werden durch die heiße Strahlung des Zentralstern ionisiert, und durch Stöße mit den freien Elektronen in metastabile angeregte Zustände versetzt
normalerweise würden diese über Stöße entvölkert werden
da aber die Gasdichte im Nebel sehr niedrig ist (ca. 10­22 gm/cm3), findet dieser Prozess nur selten statt
daher ist der metastabile Zustand sehr häufig und die sonst seltenen Linienübergänge sind dominant
heißen verbotene Linien ([OIII])
Die [OIII] 5007 Å Linie
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Sir William Huggins beobachtete als erster das Spektrum eines Planetarischen Nebels (PN):
"On the evening of the 29th of August, 1864, I directed the telescope for the first time to a planetary nebula in Draco (NGC 6543). The reader may now be able to picture to himself to some extent the feeling of excited suspense, mingled with a degree of awe, with which, after a few moments of hesitation, I put my eye to the spectroscope. Was I not about to look into a secret place of creation ? I looked into the spectroscope. No spectrum such as I expected ! A single bright line only !" ●
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Das war die “verbotene Linie bei 5007 Å des zweifach ionisierten Sauerstoffs”, [OIII]
weil sie im Labor unbekannt war, wurden sie zunächst als Linien eines neuen Elements Nebulium interpretiert (s. Helium!)
PNe emittieren 10­90% ihrer Strahlung in dieser und anderen verbotenen Linien
Ein PN­Spektrum
Galaktische Planetarische Nebel
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ca. 1250 bekannt, geschätzte Zahl etwa 10000
konzentriert gegen galaktische Scheibe und zum Zentrum hin (gehören also zur jüngeren Stern­
population der Milchstraße)
Entfernungen schwer bestimmbar, da einzelne Sterne, meist weit entfernt
Temperaturen aus Zanstra­Methode (beruht auf der Annahme, dass sich aus jedem ionisierenden Photon letztendlich eines in einer verbotenen Linie ergibt)
nicht sehr genau!
Entdeckung von PNe in fernen Galaxien
Beobachtung in einem schmalen Filter bei 5007 Å (ganz links) und in einem bei etwas anderer Wellenlänge (2. Bild von links). Differenz ganz rechts. (2. Bild von rechts: Vergleich in H­Linie.)
Der Planetarische Nebel ist nur in der [OIII]­Linie zu sehen.
PN als Entfernungsindikatoren anderer Galaxien
Anzahl der PNe pro Helligkeits­Intervall hat charakteristische Form (exponentieller Abfall zu großen Helligkeiten; nur Helligkeit in [OII]5007 Linie) und “cutoff”­Wert
Dieser scheint universell zu sein!
Daher: aus scheinbarer und bekannter absoluter cutoff­Helligkeit kann die Entfernung abgeleitet werden:
PN Leuchtkraft­Funktions­Methode (PNLF)
Aber: theoretisch nicht offensichtlich, warum die PNLF universell sein sollte.
Reichweite: bis zum Virgo­Haufen (10­20 Mpc)
zurück zu den galaktischen Nebeln...
MZ3 – der Ameisennebel
Hydrodynamik­Simulation eines starken Materie­Ausflusses in eine schon abgeflachte
Materie­Wolke:
ein typischer bipolarer Nebel
und außerdem....
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Analyse der Nebelhäufigkeiten erlauben uns Erkenntnisse ins ehemalige Innere der Vorläufersterne
Sterne dieser Masse produzieren vor allem Helium und Kohlenstoff; auch Stickstoff und Sauerstoff
sowie seltene schwere Elemente (“seltene Erden” ) wie Ba, Cadmium, Zinn, Antimon, Dysprosium, Hafnium) über sogenannten s­Prozess (Neutronen­
Einfang­Reaktionen)
wichtig für chemische Entwicklung der Milchstraße
... und das nächste Mal
APOD vom 11.8.2004: Venus und Jupiter
... Planeten
Planeten im Sonnensystem