+ Weißer Zwerg

Endstadien
der Sternentwicklung
Max Camenzind
ZAH /LSW
TUDA @ SS 2012
Übersicht
• Min < 8 Sonnenmassen  Weiße Zwerge
(>1 Mrd. in Galaxis, 10.000 in Kugelsternhaufen)
• 8 < Min < 25 Sonnenmassen
 Neutronensterne (>100 Mio. in Galaxis)
• Min > 25 Sonnenmassen
 Schwarze Löcher (~ 100.000 in Galaxis)
• Weiße Zwerge und Planetarische Nebel
• Struktur Weißer Zwerge, Masse-Radius Bez.
• Die Chandrasekhar Masse - Nobelpreis
• SN Ia über Akkretion auf Chandra WZ.
• Neutronensterne und Schwarze Löcher
Nobelpreise für Forschung an
kompakten Sternen
 1974 Anthony Hewish, Cambridge/UK
.... für seine entscheidende Rolle bei der Entdeckung der
Pulsare und ihrer Deutung als rotierende Neutronensterne
 1983 Subramanyan Chandrasekhar, Chicago, USA
.... für seine Theorie der Struktur weißer Zwerge
(aus den 1930er Jahren)
 1993 Russell Hulse & Joseph Taylor, Princeton, USA
.... für die Entdeckung des Doppelsternpulsars, der eine neue
Möglichkeit für das Studium der Gravitation eröffnet hat
 2002 Riccardo Giacconi, Associated Universities Inc., USA
.... für bahnbrechende Beiträge zur Astrophysik, die zur Entdeckung
kosmischer Röntgenquellen führte (NS und stellare SL)
Zustandsdiagramm der Sterne
Masse
Core-Kollaps
Fe/Ni Core  NStern
 C/O Weißer Zwerg
 Schwarzes Loch
Si-burn
 He WZ
preMS
Sonne heute
Kovetz et al. 2008  Stern-Entwicklung auf dem Computer
Leben der Sterne: M = 0,25 - 9 MSonne
Pop I
Z = 0,01
Y = 0,28
Pop II
Z = 0,001
Y = 0,24
Kovetz et al. 2008
Endphasen Sternentwicklung
0.08 < M < 8
Planetarische
Nebel
8 < M < 25
M > 25 Sonnen
SupernovaSNR
Überreste (SNR)
Brennphasen
auf dem Weg zum
Kompakten Objekt
Min < 8 Sonnenmassen
Der berühmteste WZ im
Doppelstern Sirius A + B
Von Bessel 1838
als Doppelstern postuliert;
1862 findet Alvan Clark
den Begleiter Sirius B;
Rätsel: sehr hell, aber
sehr klein  Zwerg !
Sirius A vs Sonne
Sirius A:
2,1 Sonnenmassen
Teff = 9.900 K
Spektraltyp A1
Radius = 1,7 x Sonne
Alter: 238 Mio. Jahre
(sehr junges System!)
Doppelsternsystem
Sirius A + B
Ein planetarischer Nebel
entsteht, wenn ein Stern
wie unsere Sonne
in seiner letzten Lebensphase seine äußere Hülle
ins ISM abbläst und
dieses Material dann
durch die intensive
Strahlung des Sterns zu
leuchten beginnt. Dies
macht sie mit zu den
schönsten Objekten in
der Milchstraße.
Planetarischer
Nebel / HST
(Ringnebel M57)
+ Weißer Zwerg
Etwa 15.000 sind in
unserer Milchstraße
katalogisiert, geschätzt
wird ihre Gesamtzahl auf
etwa 50.000.
Endphase:
Planetarische
Nebel +
Weißer Zwerg
Eskimo
Nebel
mit HST
Eskimo-Nebel
von Herschel 1787 entdeckt
Vergleich mit Amateuraufnahmen
NGC2392 gehört zur Familie der hellen Mini-PNs. Mit 47´´ ~ Planet Jupiter.
 hohe Vergrößerungen sinnvoll und hohe Brennweiten zweckmäßig.
 Aufnahme mit 12 Zoll 1:4 Newton + Barlowlinse.
Spirograph
Nebel / HST
+ Weißer Zwerg
Typische Planetarische Nebel sind zu etwa 70 % Wasserstoff und 28 % Helium
zusammengesetzt. Den restlichen Anteil bilden hauptsächlich Kohlenstoff,
Stickstoff und Sauerstoff sowie Spuren anderer Elemente. Der Stern im Zentrum
heizt durch seine Strahlung die Gase auf eine Temperatur von rund 10.000 K auf.
Sanduhr-Nebel
+ Weißer Zwerg
HST Aufnahme
Alte Weiße Zwerge mit HST
http://oposite.stsci.edu/pubinfo/jpeg/M4WD.jpg
Weiße Zwerge ... Uninteressant ?
,
Nein,
Subramanian Chandrasekhar (1910-1995)
Theorie entarteter Elektronensterne (1931)
 ... denn sie haben ein interessantes Inneres:

 „Diamanten“ der Milchstraße.
… kühlen sehr langsam aus über die Hubble-Zeit
 werden als Kosmochronometer verwendet.
Elektronen
AtomKerne
Kohlenstoff
Elektronen
Dx Dp > h
Atome so dicht
gepackt, dass
sie sich überlappen
 Dichte: 2 t / cm³
Elektronen
bewegen sich frei
 Druck (Fermi-Druck)
 gleicht Gravitation aus
Weiße
Zwerge
 „kühle“
Diamanten
He
10-2 MS
C/O „Diamant“
Tinitial ~ 140 Mio K
Tcrystal ~ 16 Mio K
TDebye ~ 14 Mio K
Theute ~ 10 Mio K
Druck durch e-
H Atmosphäre
Teff > 4000 K
~ 0,0001 MS
C / O Core
Kristallgitter
(Diamant)
T < 6 Mio K
H
10-5 MS
Typischer
Weißer Zwerg
M = 0,6 MS
R = 9094 km
10 Mrd. Weiße Zwerge
in der Galaxis
Elektronenentartung
Modelle Weiße Zwerge
 Polytropennäherung
 g = 1 + 1/n
Hydrostatisches Gleichgewicht ART
(1939)
P = KrG 
Struktur
Weißer
Zwerge
Chandrasekhar 1930
Masse – Radius Beziehung
Weiße Zwerge: Masse – Dichte Sequenz
Chandrasekhar
n=3 Polytrope
Einstein Theorie
Coulomb Korrekturen
Beobachtete
Mittlere Masse
Numerische
Lösung des
Hydrostatischen
Gleichgewichts
Weiße Zwerge: Masse – Radius
Test mit
Beobachtungen
WZ mit Atmosphäre
??
CO WZ
Fe WZ
Weiße Zwerge
Punkte: Hipparcos Parallaxen  GAIA Projekt
Kataklysmische
Systeme (CV)
WZ +
Akkretionsscheibe
in
Doppelsternen
Novae
Akkretion auf WZ  SN Ia
Weißer
Zwerg
M ~ MCh
Roter Riese
• Weißer Zwerg akkretiert H vom Roten Riesen
• H fusioniert stetig zu He
Bildung einer Heliumhülle
• Massenzunahme bis Chandrasekhargrenze
SN Ia – so hell wie Galaxie
SN 1994d
Simulationen SN Ia
t = 0s
Mehrfachzündungen
von
Flammenkugeln
t = 0,3s
Hohe Temperaturen;
Aschedichte niedriger
als Rest
Pilzform
Simulationen SN Ia
t = 0,6s
t = 2s
Bildung von Substrukturen;
Oberflächenvergrößerung &
Verbrennungsratenerhöhung
Scherströme erzeugen
Verwirbelungen; Brennfront
erreicht Oberfläche
Lichtkurven SN Ia
10 Mrd. L
Absolute Helligkeit: bis -19,5 mag
Radioaktiver Zerfall von
56Ni 9 Tage
56Ni
zu
56Fe
verzögert Abkühlung
56Co 112 Tage 56Fe
Ähnlicher Verlauf
+ e+
Standardkerze
Ersetze Elektronen durch Neutronen






1932
1930
Chadwick entdeckt das Neutron (Fermion).
Chandrasekhar Grenzmasse für Weiße Zwerge:

erste dokumentiere Spekulation über kompakte
Objekte, die selbst das Licht vollständig anziehen.
1930 Lev Landau spekuliert über Neutronen:

da Neutronen auch Fermi-Teilchen  Sterne?
1933 Zwicky und Baade Bildung NSterne in Supernovae
1939 Tolman, Oppenheimer & Volkoff (Einstein)

Struktur der Neutronensterne kann nur geometrisch
im Rahmen von Raum und Zeit verstanden werden.
1967 NSterne werden als Radiopulsare entdeckt

Rotierender NStern mit Dipolmagnetosphäre;

Pulsar im Krebsnebel
1970 NSterne werden als Röntgenpulsare entdeckt 
Akkretierende NSterne in Doppelsternsystemen
Erfinder der NeutronenSterne
Lev Landau 1930
“es könnte NS geben”
Fritz Zwicky 1933
“NS entstehen in Supernova”
Atomkerne dicht gepackt
 Kruste der NSterne
Anatomie eines Neutronensterns
Der typische
NeutronenStern (1,4 MS)
im Querschnitt
hat ein
komplexes
Innenleben
und feste
Oberfläche mit Teff
= 100.000 - Mio K
Radius (~10 km) =
2,5 x Schwarzschild
Zentraldichte ~
3 – 8 Kerndichte
NeutronenFlüssigkeit
Photon
erleidet
gravitative
Rotversch.
von 35% !
n
p
e
µ
9 – 11 km
Kruste
1-2 km aus
schweren
Kernen
 Neutronen-Flüssigkeit
1-fache
Kerndichte:
Neutronen
dicht
gepackt
wie in
Atomkernen
 Flüssigkeit
Kaltes Quark-Gluon Plasma
> 3-fache
Kerndichte:
Neutronen
überlappen
Quarks
bewegen
sich frei
 QG Plasma
Masse-Radius
Beziehung
2 Lösungen: z = 0,35 ist gravitative Rotverschiebung
- N Stern 1,7 MS - unwahrscheinlich
- N Stern mit Quark-Core: 1,4 Sonnenmassen
Entdeckung der Pulsare 1967
Nobelpreis 1974 an Ryle & Hewish
Tony Hewish and Jocelyn
Bell Bonn, August 1980
Pulsare – Leuchtturm
 historisch nicht erwartet!
Pulsar Diagramm
BS  3  10 T  T T /s
15
T  1 T
2P
Camenzind 2007
Millisek-Pulsare
1 ms < P < 20 ms
Online Pulsar Katalog: Web-Seite ATNF Pulsar
”Normale“ Pulsare
P > 20 ms
Camenzind 2007
Ein isoliertes Schwarzes Loch
ist ein echtes Loch im Raum,
Durch Horizont begrenzt
 Gravitation ist so stark, dass
auch Photonen nicht entweichen
Ausdehnung gleich –
Masse ~ 10 x Sonne
Core eines massereichen
Sterns kollabiert auf SL in ms
RaumZeit Sternkollaps
Alle Unregelmässigkeiten,
außer Masse und Drehimpuls,
werden als GWellen abgestrahlt
RaumZeit Sternkollaps
„Schwarze Löcher haben nur 2 Haare“
 Schwarzschild (1916)
{Masse M}
 Reissner-Nordstrom
{M, Ladung Q}
 Kerr (1963)
{Masse M, Spin a}
 Kerr-Newman
{M,a,Ladung Q}
X
J.A. Wheeler 1967:
„Glatzen-Satz“, „No Hair“
Die wahren Pioniere der SL
Karl Schwarzschild 1916
Roy Kerr 1963
Die Kerr Lösung – BL Koordinaten
Horizont r = const Fläche D(r) = 0:
Anatomie eines Kerr Lochs
Schwarzschild
Vakuum
RingSingularität
Vakuum
Alles mitrotieren
Rg = GM/c² = 1,5 km M/MS
Quadrupolmoment Q = M a²
Schwarze Löcher ~ Seifenblasen
 erzeugen nur GWellen !
 2 Horizonte verschmelzen
BH-BH Head-on Collision
Simulation: CalTech-Cornell
Lichtablenkung
Schwarzes Loch
Andromeda ohne Schwarzes Loch
Schwarzes Loch vor Andromeda
 Einstein Ring & Photonorbit
„Glatzen-Ebene der SL“
Camenzind 2006
Bahn Periode
Donor Stern
Masse des BH
Spin a
GRS1915+105
33.5 d
K/M III
14 +/- 4
0.9 – 0.99
V404 Cyg
6.470 d
K0 IV
12 +/- 2
-
Cyg X-1
5.600 d
O9.7ab
8 +/- 2
0.4 – 0.6
LMC X-1
3.909 d Orosz08
O9 IIIa
10.3 +/- 1.3
0.9 +/- 0.02
M33 X-7
3.45 d Orosz07
O7 III
15.6 +/- 1.4
0.77+/-0.05
LMC X-3
1.704 d
B3 V
7.6 +/- 1.2
0.2 – 0.4
GRO J1655-40
2.620 d
F3 IV
6.3 +/- 0.3
0.6 – 0.8
XTEJ1819-254
2.816 d
B9 III
7.1 +/- 0.3
-
IC 10 X-1
34.4 h
W He 35
24 - 33
-
GX 339-4
1.7557 d
B0 V
> 5.8
0.93+/-0.04 Suz
XTEJ1550-564
1.542 d
G8 IV
9.6 +/- 1.2
-
4U 1543-47
1.125 d
A2 V
9.4 +/- 1.0
0.75-0.85
H 1705-250
0.520 d
K3 V
6 +/- 2
-
GS 1124-168
0.433 d
K3 V
7.0 +/- 0.6
-
GS 2000+25
0.345 d
K3 V
7.5 +/- 0.3
-
A 0620-00
0.325 d
K4 V
11 +/- 2
-
XTEJ1650-500
0.321 d
K4 V
3.8 +/- 0.5
-
GRS 1009-45
0.283 d
K7 V
5.2 +/- 0.6
-
GROJ0422+32
0.212 d
M2 V
4 +/- 1
-
Remillard & McClintock 2006; Camenzind 2007
µQuasare
Objekt
Messier 33
Quelle X-7 :
Blauer Überriese mit
70 Sonnenmassen
bedeckt periodisch
die Röntgenquelle
Periode: 3,45 d
2007 identifiziert
15,7 Sonnenmassen SL
~ wie Cyg X-1
 System
entwickelt sich zu
DoppelSL-System
 Merging  GW
Zusammenfassung
• Struktur der Weißen Zwerge ist geklärt, als
Kosmochronometer eingesetzt.  ~ 10 Mrd. WZ
 SNIa entstehen in Weißen Zwergen M~MC.
• Weiße Zwerge sind Endprodukt der Entwicklung
massearmer Sterne (M < 8 Sonnenmassen).
• Bekannteste Weiße Zwerg: Sirius A (1,0 MS).
• Kühle Weiße Zwerge sind Diamanten mit Hund He-Hülle.
• Massereiche Weiße Zwerge sind Vorgänger zu
Supernovae Typ Ia.
• Spielen seit 1997 eine wichtige Rolle in Distanzmessung im expandierenden Universum.