Der Jojo-Effekt bei Neutronensternen
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Der Jojo-Effekt bei Neutronensternen und wie er die Astrophysiker in Aufregung versetzt Irina Sagert Astronomie am Freitag, 25.03.2011 Physikalischer Verein, Frankfurt 8-20 Sonnenmassen Kollaps eines Überriesen Sonnenradius: 700 000 km Marsorbit 227 Millionen km Eisenkern im Zentrum des Sterns fällt unter seinem Gravitationsdruck zusammen Eine Schockwelle entsteht, die den Stern auseinanderreist. Roter Überriese Radius: 300 Millionen km Masse: 8 - 20fache Sonnenmasse Jedoch: Genauer Explosionsmechanismum ist noch nicht bekannt Supernova Explosion Ein- bis dreimal pro Jahrhundert in einer Galaxie Emittiert so viel Licht wie die Sonne in ihrem gesamten Leben Materie im Zentrum wird zu einem Neutronenstern komprimiert Supernova Explosion Ein- bis dreimal pro Jahrhundert in einer Galaxie Emittiert so viel Licht wie die Sonne in ihrem gesamten Leben Materie im Zentrum wird zu einem Neutronenstern komprimiert Neutronensterne Masse: (1-3)-mal so schwer wie die Sonne: (~2000000000000000000000000000 t) Radius: ~10km Ca. 1500 bisher in der Milchstrasse entdeckt, tatsächlich: ca. 30 000 Erde versus Neutronenstern Kruste: Dichte: 2 g/cm3 , Temperatur: ~ 200°C Kern: Dichte: 10 g/cm3, Temperatur: ~ 6700°C Kruste: Dichte : 0.5 t/cm3, Temperatur: ~ Millionen °C Kern: Dichte: ~ 200 000 000 - 2 000 000 000 t/cm3 Messeturm im Stecknadelkopf Ein Stecknadelkopf Neutronensternmaterie wiegt so viel wie der Messeturm Die Dichte ist so hoch wie in den Kernen von Atomen Im Inneren der Atome Komponenten: Neutronen und Protonen Abstossende und anziehende Kernkräften in Balance Mittlerer Abstand: Millionstel Nanometer Im Inneren der Atome Komponenten: Neutronen und Protonen Abstossende und anziehende Kernkräften in Balance Mittlerer Abstand: Millionstel Nanometer Bausteine der Protonen und Neutronen: up und down Quarks GSI, Darmstadt Bausteine der Materie Wir kennen 6 Quarks: up, down, charm, strange, top, bottom Leichte Quarks: up, down und strange Schwere Quarks: charm, bottom und top Meet the Quarks ... Wir kennen 6 Quarks: up, down, charm, strange, top, bottom Leichte Quarks: up, down und strange Schwere Quarks: charm, bottom und top Meet the Quarks ... strange charm down Wir kennen 6 Quarks: up up, down, charm, strange, top, bottom top Leichte Quarks: up, down und strange Schwere Quarks: charm, bottom und top bottom Meet the Quarks ... 100 MeV strange 1279 MeV charm 5 MeV down Wir kennen 6 Quarks: up up, down, charm, strange, top, bottom top Leichte Quarks: up, down und strange Schwere Quarks: charm, bottom und top 2.5 MeV bottom 171200 MeV 4200 MeV Ein MeV entspricht 0,0000000000000000000017 (20 Nullen) g Meet the Quarks ... in Schwerionenkollisionen Materie auf der Erde besteht aus den leichtesten Quarks: up und down Bei höheren Energien können strange und schwere Quarks erzeugt werden Meet the Quarks ... im Kosmos Quarks füllten unser Universum die erste Millionstel Sekunde nach dem Urknall Meet the Quarks ... in Neutronensternen ? Was passiert im Inneren von Neutronensternen? Nur Neutronen und Protonen? Neue Teilchen: Hyperonen? Quarkmaterie ? Wie kompressibel sind Atomkerne ? Kompressibilität zeigt wie weit man Materie zusammendrücken kann: K= -V dp/dV Luft: K ~ 0.15 MPa Wasser: K ~ 2.2 GPa Diamant: K ~ 442 GPa Atomkerne: K > 1000000000000000000000000 (24 Nullen) GPa Die Inneren Werte zählen Image Credit: CXC, D.Berry Je steifer Materie in Neutronenstern ist umso mehr Masse können diese tragen steife Materie weiche Materie Der Fingerabdruck eines Neutronensterns Jim Lattimer & Madapa Prakash, Science 23, Vol. 304, 2004 Quarkmaterie Hyperonen Jedes Modell für die Komposition von Neutronenstern-Materie liefert eine charakteristische Beziehung zwischen Masse und Radius Sterne aus Quarkmaterie oder Hyperonen sind normalerweise leicht und klein Die Inneren Werte zählen Image Credit: CXC, D.Berry Wie schwer können Neutronensterne werden ? Wie wiegt man einen Neutronenstern ? ? ? Pulsare - Kosmische Leuchttürme Magnetfeld in Neutronensternen: 1 Billion bis 1 Billiarde Gauss (Magnetfeld auf der Erde: 0.5 Gauss) Strahlung entlang des Magnetfelds erzeugt zwei Strahlungskegel Illustration: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF Pulsar im Krebsnebel - eine Hörprobe Überrest der Supernova aus dem Jahr 1054 Ca. 6300 Lichtjahre von der Erde entfernt Rotationsgeschwindigkeit: ca. 33 Umdrehungen pro Sekunde Verlangsamt sich um ~ 0.00001 Sekunden pro Jahr Doppelstern-Systeme Neutronenstern & Stern Neutronenstern & Weisser Zwerg Neutronenstern & Schwarzes Loch Neutronenstern & Neutronenstern Credit: John Rowe Animation Beobachtung von Effekten aus der Allgemeinen Relativitätstheorie Periheldrehung Shapiro Verzögerung: Zeitdilatation im Gravitationsfeld des Begleiters Verkürzung der Umlaufdauer durch Abstrahlung von Gravitationswellen Je schwerer der binäre Partner umso ausgeprägter sind die Effekte - Pulsar B1913+16 System aus Pulsar & Neutronenstern Entdeckt von Russel Hulse und Joe Taylor in 1974 am Arecibo Teleskop Zeitdilatation & Reduktion der Umlaufzeit um ca. 75.8 Mikrosekunden pro Jahr durch Abstrahlung von Gravitationswellen Verschmelzung in ca. 300 Mill. Jahren Massen:1.441 & 1.387 Sonnenmassen Everybody‘s Darling Jim Lattimer & Madapa Prakash, Science 23, Vol. 304, 2004 Realistische Modelle müssen die gemessenen Massen von Neutronensternen reproduzieren Die Masse des HulseTaylor Pulsars ist durch die meisten Modelle beschreibbar Sind alle Neutronensterne Leichtgewichte? Entdeckung des Hulse-Taylor Pulsars: 1974 3 2 Bis 2005 wurde kein Neutronenstern gefunden, der massiver ist als der Hulse-Taylor Pulsar Ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen ? 1 1974-2004 Jahr 2006 Sonnenmassen Russel Hulse & Joe Taylor Pulsar J0751-1807 David J. Nice & Co-Autoren, ApJ 634, 2005 Neutronenstern & Weisser Zwerg Beobachtung seit 1993 (Arecibo und Effelsberg Teleskope) 3 Gravitationswellen & Zeitdilatation Masse des Neutronensterns ~ 2.1 Sonnenmassen 1 1974-2004 Jahr 2006 Sonnenmassen 2 Was ist im Inneren eines schweren Sterns ? Weiche Kernmaterie kann eine so hohe Masse nicht ausbalancieren Keine Chance für Quarkmaterie und Hyperonen ? EXO 0748-676 Feryal Özel & Co-Autoren, Nature 441, 2006 Akkretierender Neutronenstern und Weisser Zwerg Image from NASA Kosmische Schwarze Witwen Credit: NASA/Dana Berry Partner: normaler Stern oder Weisser Zwerg Neutronenstern akkretiert Materie vom Partner Explosionsartige Kernfusion auf der Oberfläche Durch Beobachtung der Strahlungsausbrüche: Masse & Radius des Neutronensterns Keine Quarkmaterie in Neutronensternen! Feryal Özel & Co-Autoren, Nature 441, 2006 Vermessung der Strahlungsausbrücke Masse: ~ 2.1 Sonnenmassen Radius: ~14 km Keine Quarkmaterie in Neutronensternen! 3 Vermessung der Strahlungsausbrücke 2 Masse: ~ 2.1 Sonnenmassen Radius: ~14 km „Quarkmaterie in Neutronensternen ist ausgeschlossen“! 1 1974-2004 Jahr 2006 Sonnenmassen Feryal Özel & Co-Autoren, Nature 441, 2006 Lang Leben die Quarks ! Mark Alford & Co-Autoren, Nature 445, 2007 Starke Wechselwirkungen zwischen den Quarks macht Quarkmaterie inkompressibel Auch Quarkmaterie kann zwei Sonnenmassen stemmen „EXO 0747-676 schliesst Quarkmaterie nicht aus!“ Viel Lärm um Nichts ? 3 David J. Nice & Co-Autoren, 2007 Pearson & Co-Autoren, 2006 2 Beide sind leichter als der Hulse-Taylor Pulsar 1 1974-2004 Jahr 2006 Sonnenmassen Neue Messung von PSR J0751+1807 und EXO 0748-2021: Viel Lärm um Nichts ? 3 David J. Nice & Co-Autoren, 2007 Pearson & Co-Autoren, 2006 2 EXO 0748-2021: ~1.35 Sonnenmassen Doch ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen ? 1 1974-2004 Jahr 2006 Sonnenmassen PSR J0751+1807: ~1.2 Sonnenmassen „Neutronensterne sind höchstwahrscheinlich schwer“ P. Freire & Co-Autoren , 2008 Systeme aus Pulsar & Weißem Zwerg Gesamtmasse durch Verkürzung der Umlaufzeit (Gravitationswellen) Einzelne Massen durch statistische Analyse des Neigungswinkels der Bahnebene „Neutronensterne sind höchstwahrscheinlich schwer“ 3 P. Freire & Co-Autoren , 2008 Massen-Rekordhalter: J1748-2021 2.7 Sonnenmassen ! 1974-2004 1 2007 Jahr Sonnenmassen 2 Nichts geht mehr ... Jim Lattimer & Madapa Prakash Keine Quarks ! Keine Hyperonen ! Auch Neutronen und Protonen haben es nicht leicht Kann Kernmaterie wirklich so steif werden ? J1903-0327: Klein aber fein Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF Paulo Freire, 2009 Sonnenähnlicher Stern als Begleichter Elliptische Umlaufbahn erlaubt Messung der Periheldrehung Massiver Begleichtstern führt zu einer messbaren Zeitdilatation im Signal des Pulsars Klein aber fein 3 Paulo Freire, 2009 Deutlich kleiner als 2.7 Sonnenmassen, dafür aber zuverlässiger, da er aus Effekten der Allgemeinen Relativitätstheorie bestimmt ist 1974-2004 2 2007 Jahr 1 2009 Sonnenmassen Masse: 1.67 Sonnenmassen Seltsame Sterne - 4U 1608-248, EXO 1745-248, 4U 1820-30 Feryal Özel & Co-Autoren, PRD 82, 2010 3 Binäre Systeme aus akkretierendem Neutronenstern & Weissem Zwerg Massen: ~ 1.7 Sonnemassen Radien: ~ 10 km Ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen ? Seltsame Sterne - 4U 1608-248, EXO 1745-248, 4U 1820-30 Feryal Özel & Co-Autoren, PRD 82, 2010 Massen: ~ 1.7 Sonnemassen Radien: ~ 10 km Ein Zeichen für Quarkmaterie oder Hyperonen ? Seltsame Sterne - 4U 1608-248, EXO 1745-248, 4U 1820-30 3 2 1974-2004 1 2007 Jahr 2009 Sonnenmassen Feryal Özel & Co-Autoren, PRD 82, 2010 Vielleicht doch nicht so seltsam 2.5 Andrew Steiner, & Co-Autoren ApJ 722, 2010 4U 1608-52 Neue Analyse: Massen und Annahme: Strahlungsausbruch stammt nicht von der Oberfläche des Sterns sondern wird von der expandierten Photosphäre emittiert Neue Massenwerte > 1.9 - 2.2 Sonnenmassen 2 M (M ) Radien von 4U 1608-248, EXO 1745-248, 4U 1820-30 0.0014 0.0012 0.001 1.5 0.0008 1 0.0006 0.0004 0.5 0.0002 0 0 2 4 6 8 10 R (km) 12 14 16 18 0 Vielleicht doch nicht so seltsam 3 Andrew Steiner, & Co-Autoren ApJ 722, 2010 Radien von 4U 1608-248, EXO 1745-248, 4U 1820-30 2 Annahme: Strahlungsausbruch stammt nicht direkt von der Oberfläche des Sterns Neue Massenwerte ~ 1.9 - 2.2 Sonnenmassen 1974-2004 2007 Jahr 1 2009 Sonnenmassen Neue Analyse: Massen und Vielleicht doch nicht so seltsam 3 Andrew Steiner, & Co-Autoren ApJ 722, 2010 Radien von 4U 1608-248, EXO 1745-248, 4U 1820-30 2 Annahme: Strahlungsausbruch stammt nicht direkt von der Oberfläche des Sterns Neue Massenwerte ~ 1.9 - 2.2 Sonnenmassen 1974-2004 2007 Jahr 1 2009 Sonnenmassen Neue Analyse: Massen und 3 2,5 2 2.0 ? 1.44 2004 1.67 1.2 1.35 1.7 ? 1,5 1 2006 Jahr 2009 Sonnenmassen 2.7 ? Jim Lattimer & Madapa Prakash, Science 23, Vol. 304, 2004 Aber .... das Jahr 2010 war noch nicht vorbei ... And the winner is ... J1614-2230 Neutronenstern & Weisser Zwerg Paul Demorest & Co-Autoren Nature 722, 2010 Wir blicken von der Seite auf das binäre System Sehr gute Beobachtbarkeit der Zeitdilatation Masse: 1.97 Sonnenmassen ! CREDIT: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF 3 2.7 ? 2,5 2.0 ? 1.44 2004 1.2 1.67 1.35 1.97 1.7 ? 1,5 2006 1 2009 Jahr 2010 Sonnenmassen 2 Was wissen wir heute ? Ca. 36 Jahre nach der Endeckung des HulseTaylor Pulsars wissen wir heute, dass Neutronensterne schwerer sein können als 1.44 Sonnenmassen Der neue Massenrekord beträgt heute ~ 1.97 Sonnenmassen Diese deutet darauf hin, dass das Innere von Neutronensternen aus steifer/inkompressibler Materie besteht Ob diese Materie nun ein Gemisch aus Protonen und Neutronen, Quarkmaterie oder Hyperonmaterie ist, lässt sich noch nicht sagen Ob die auch schwerere Neutronensterne (z.B. 2.7 Sonnenmassen) möglich sein können wird die Zukunft zeigen
