Vortrag - I. Physikalisches Institut
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I.Physikalisches Institut Prof. Dr. Susanne Pfalzner Universität zu Köln I.Physikalisches Institut Menschlicher Eindruck: Sterne bestehen ewig Fehleinschätzung! Grund menschliches Leben kurz im Vergleich zu astronomischen Zeitskalen In Wirklichkeit: Sterne entstehen und vergehen Spektakuläres Beispiel für Ende von Sternen: Supernovaexplosion I.Physikalisches Institut NGC 3576 Sternentstehungsregion Sterne und Staub sichtbar heute In circa 1 Million Jahre In circa 2 Million Jahren Überblick 1. 2. 3. 4. 5. Kreislauf der Materie Theorie der Entstehung eines Sterns Beobachtungen auf denen Theorie gründet Sternentstehung in Sternhaufen Forschung hier in Köln 1. Kreislauf der Materie Molekulare Wolken enthalten Bausteine aus denen sich Sterne bilden Hauptreihenstern Material wird bei Supernovaexplosion wieder dem Kreislauf zugefügt Roter Riese Weißer Zwerg Neutronenstern oder Schwarzes Loch Schwarzer Zwerg Supernova Sterne entstehen heute! Je „schwerer“ ein Sterne, um so schneller entwickelt er sich! Massereiche Sterne haben früher das Ende ihres Lebenszyklus erreicht Masse Lebenszeit (Msun) (Jahren) 1 ~10 000 000 000 5 ~100 000 000 10 ~10 000 000 Beobachtung: massereiche Sterne in Sternhaufen, diese Sternhaufen können erst vor Kurzem entstanden Arches - Cluster nahe dem Zentrum unserer Milchstrasse Überblick 1. 2. 3. 4. 5. Kreislauf der Materie Theorie der Entstehung eines Sterns Beobachtungen auf denen Theorie gründet Sternentstehung in Sternhaufen Forschung hier in Köln Theorie der Sternentstehung Es umgebende Material flacht zu Scheibe ab aus der Planeten entstehen können Teil einer molekularen Wolke wird instabil und kollabiert unter eigenem Gewicht Das Innere verdichtet sich immer weiter bis ein Protostern entsteht 2. Unser heutiges Bild der Sternentstehung Theorie der Sternentstehung Von Molekularen Wolken zu Protosternen Wolken Molekulare Wolke (≥ 10 pc ~30 Lichtjahre) ~100 000 Sonnenmassen Klumpen (~1 pc) ~ 1000 Sonnenmassen Wolkenfragmente Kerne (~0.1 pc) ~ 50-100 Sonnenmassen 10 Millionen Jahre Protosterne Theorie der Sternentstehung Von Protosternen zu Sternen Einfallendes Gas führt zu Temperaturerhöhung. Bei einigen 1000 Grad wird die infrarote Quelle sichtbar. Schließlich ist die Dichte im Zentrum hoch genug, dass Kernfusionsprozesse stattfinden können. Die Temperatur muss dazu einige Millionen Grad sein. Bis zu diesem Zeitpunkt hat auch die Planetenentstehung stattgefunden. Protostern anfangs nur 1% der Masse des Sterns Weiterer Einfall aus Hülle Hülle flacht ab zu Scheibe ... und was sehen die Beobachter? Überblick 1. 2. 3. 4. 5. Kreislauf der Materie Theorie der Entstehung eines Sterns Beobachtungen auf denen Theorie gründet Sternentstehung in Sternhaufen Forschung hier in Köln Beobachtungen zur Sternentstehung Molekulare Wolken Wesentlich kälter und dünner als normale Wolken Bestehen überwiegend aus molekularem Wasserstoff Wolken sind turbulent kleine Bereiche höherer Dichte Diese Bereiche fallen in sich zusammen, wenn Masse > Kalt: 10 -15 Kelvin ⎛ Temperatur ⎜⎜ Dichte ⎝ 3 1/ 2 ⎞ ⎟⎟ ⎠ Jeanskriterium Es kommt leicht zu Kollaps Beobachtungen zur Sternentstehung Molekulare Wolken Dichte Regionen können nicht von sichtbarem Licht durchdrungen werden dunkle Nebel Beobachtungen mit Infrarot- oder Radioteleskopen Lagoon Nebula (M8) HST ACS Picture of the Cone Nebula • Erfüllt eine Verdichtung das Jeanskriterium, so kontrahiert sie durch eigene Schwerkraft und bildet Dichte Kerne,(auch Globule oder Bok-Globule genannt ). • Wenn der Dichte Kern kollabiert, wird er heisser Kontraktion stoppt von alleine Beobachtungen zur Sternentstehung Masse > ⎛ Temperatur ⎜⎜ Dichte ⎝ 3 1/ 2 ⎞ ⎟⎟ ⎠ Bild eines Bok globules in H II region IC 2944, Reflexionsnebel NGC 1999 in Orion. (NASA /Hubble Heritage Team (STScI) ) aufgenommen mit HST Beobachtungen zur Sternentstehung B68: stabile selbstgravitierende Wolke Dichte Gas undurchlässig für Licht Schwarze Wolke gegen hellen Hintergrund der Milchstrasse Relative isolatiert wenig äußere Störungen Beobachtungen zur Sternentstehung B68-Beobachtungen Alves, Lada, Lada 2001 Sternentstehungsgebiete Protostern strahlt vornehmlich Infrarotstrahlung ab im sichtbaren Spektrum praktisch nicht nachweisbar Beobachtungen zur Sternentstehung Sternentstehungsgebiete Protosterne nur im infraroten sichtbar. Hubbleaufnahme im sichtbaren und infraroten Licht einer Sternentstehungsregion 30 Doradus in der großen Magellanschen Wolke NASA Beobachtungen zur Sternentstehung Sternentstehungsregion N11B in großen Magellanschen Wolke Beobachtungen zur Sternentstehung Beobachtung von Scheiben Dullemond et al. (2007) Oft werden Scheiben nicht direkt beobachtet, sondern indirekt: Beobachtungen in breitem Wellenlängenbereich: von nahe-IR bis mm erfassen unterschiedliche Bereiche der protoplanetaren Scheibe Stern und Scheibe entstehen gleichzeitig Beobachtung von Scheiben schwierig Weil Stern leuchtet viel stärker als Scheibe Erste Scheibe 1995 direkt beobachtet: „Abdeckung“ vor Stern Beobachtungen zur Sternentstehung Beobachtungen zur Sternentstehung …aufgelöste Scheiben Entstehung von Planetesimalen Preplanetarer Staub Planetesimale Planeten Agglomeration Akkretion WW mit Gas dominiert Keine WW mit Gas keine Gravitation Gravitation dominiert ~1 μm ~1 km ~ 104 - 106 Jahre ? Beobachtungen zur Sternentstehung ~10000 km ~ 107 - 108 Jahre ? Stern- und Planetenentstehung • Sterne entstehen aus Staubscheibe → protoplanetare Scheibe • protoplanetare Scheiben Ausgangspunkt für Planetenentstehung • Scheibe existiert ~10 Myr Letztendlich verschwinden die Scheiben durch eine Reihe von Prozessen komplett Planeten Coronograph Ori 114-426 HR 8799 O‘Dell & Beckwith (1997) Marois et al. (2008) Daraus resultierendes Bild der Stern-und Planetenentstehung: Für isolierten Stern nicht zu hoher Masse Phasen der Planetenentstehung: outflow 1. Kollaps und Sternentstehung 2. Bildung eines Protostern und einer Scheibe 3. Entstehung von Planetesimalen 4. Zerstörung der Staubscheibe und Vollendung des Planetensystems infall Factor 1000 smaller Formation of planets t=106-107 yr Solar system t>108 yr Entstehung von Planetensystemen – notwendige Konsequenz oder glücklicher Zufall? Überblick 1. 2. 3. 4. 5. Kreislauf der Materie Theorie der Entstehung eines Sterns Beobachtungen auf denen Theorie gründet Sternentstehung in Sternhaufen Forschung hier in Köln Sternentstehung in Clustern Stern entstehen nicht allein sondern in Gruppen Clustern Arches Trapezium in ONC σ Ori cluster HST image Hohe Dichte viele massereiche O-Sterne Hernandez et al, ApJ 662(2007) Sternentstehung in Clustern Details of simulation of star cluster formation. Sternentstehung in Clustern Erkenntnisse von Simulation Die Computersimulationen bestätigen das Grundbild von Kollaps und Fragmentation. Sie geben folgende Hinweise: Beim Kollaps einer einzigen Staubwolke entstehen viele Sterne. Der Prozess des Kollaps ist komplex wegen seiner fragmentalen Gestalt. Nach ihrer Entstehung wechselwirken die Sterne häufig miteinander auf Grund ihrer gravitativen Anziehung. Die Anwesenheit von Sternen kann die Entstehung neuer Sterne hervorrufen. Aber einige Sterne werden auch durch diese Wechselwirkungen aus der Gaswolke herausgeschleudert. Welchen Einfluß hat die gravitative Wechselwirkung auf ein Stern-Scheibe-System? Forschung in Köln Sternentstehung in Clustern Welchen Einfluß hat die gravitative Wechselwirkung auf ein Stern-Scheibe-System? Entsprechende Spiralstrukturen werden auch beobachtet Konstellation von Orion und das Orionnebelcluster (ONC) Sternentstehung in Clustern Seen here is a comparison of the constellation Orion viewed in visible and infrared light (IRAS). Sternentstehung in Clustern Clusterdynamik Simulation des Orionnebelclusters Man folgt der Bewegung Der etwa 4000 Sterne Erkenntnisse aus Simulation • Die Sterne im Zentrum des Clusters verlieren ihre Scheiben am schnellsten • Die massereichen Sterne sind am meisten vom Masseverlust betroffen • Es gibt wahrscheinlich keine Planetensysteme um schwere Sterne Forschung in Köln Zusammenfassung • Wir haben ein detailiertes Bild wie ein Stern entsteht • Aber, viele Sterne entstehen als Doppelsterne • Wechselwirkung in Clustern nur teilweise verstanden
