pdf des Vortrags - Ausstellung Weltmaschine Darmstadt
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NEUTRONENSTERNE Eine Reise in die Vergangenheit Jochen Wambach Institut für Kernphysik TU Darmstadt NEUTRONENSTERNE Eine Reise in die Vergangenheit Jochen Wambach Institut für Kernphysik TU Darmstadt Was sind Neutronensterne? Wie entstehen sie? Was sind ihre Eigenschaften? Wie sind sie aufgebaut? Kompakte Objekte geringe Größe (10 − 104 km) hohe Materiedichte (107 − 1015 g/cm3 ) Weiße Zwerge (M ≤ 8 M ) Neutronensterne (8 M ≤ M ≤ 30 M ) Schwarze Löcher (M ≥ 30 M ) Meilensteine L. Landau 1931 Entdeckung des Neutrons! Proc. Roy. Soc. London A136, 692-708 J. Chadwick 1932 W.Baade und F. Zwicky 1934 Meilensteine erste Berechnungen R. Oppenheimer 1939 ∼ 0.7 Sonnenmassen ∼ 10 km Radius Meilensteine erste Berechnungen ∼ 0.7 Sonnenmassen ∼ 10 km Radius riesiger Atomkern! ∼ 1057 Neutronen R. Oppenheimer 1939 Meilensteine * Die Sonne Energie aus Kernfusion riesiger Gasball (∼ 4 × 109 Jahre) M ∼ 2 × 1030 kg R ∼ 7 × 105 km Ts ∼ 6 × 103 ◦ K Ti ∼ 2 × 107 ◦ K 92.1% H und 7.8 % He 4p+2e− →4 He+2νe Energiegewinn: ∼ 27 MeV (1 MeV ∼ 1.6×10−13 J) knapp 600 000 Tonnen H/Sekunde L = 3.8 × 1017 GW * Schicksal der Sonne zurück bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern stabilisiert durch entartete“ Elektronen ” W. Pauli 1925 Schicksal der Sonne zurück bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern stabilisiert durch entartete“ Elektronen ” W. Pauli 1925 Schicksal der Sonne zurück bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern stabilisiert durch entartete“ Elektronen ” SIRIUS B! M=1.05M R=0.01R W. Pauli 1925 Massenreiche Sterne roter Superriese Wie lange leben Sterne ? Masse 1M 5M 10M 15M 30M Lebenserwartung 1 × 1010 J 7 × 107 J 2 × 107 J 1 × 107 J 5 × 106 J je massereicher desto kürzer die Lebensdauer! R ∼ 10 Lichtminuten ∼ 108 km Sterben eines massiven Sterns Kollaps in weniger als einer Sekunde! Eisenkern wächst bis MFe ∼ M RFe − RNS 1s = 6 × 103 km/s v= Elektroneneinfang e− +(Z,N)→(Z-1,N+1)+νe * = 0.02c Explosion ! Krebsnebel Sternbild Stier freigesetzte Leistung ca. 1038 GW! ∼ 1012 Sonnen! Krebsnebel Supernova 1998S Spiralgalaxie NGC 3877 % Supernova! Historische Supernovae Entdeckungsjahr sichtbar Sternbild 185 393 1006 8 Monate 7 Monate einige Jahre Centaurus Scorpius Lupus 1054 ∼ 2 Jahre 1181 1572 1604 1987 ∼ 6 Monate 16 Monate ∼ 1 Jahr ∼ 13 Jahre beobachtet China China China,Japan Europa,Arabien Taurus China,Japan Arabien, Nordamerika Cassiopeia China,Japan Cassiopeia Tycho Brahe Ophiuchus Johannes Kepler Mag. Wolke Ian Shelton Historische Supernovae Entdeckungsjahr sichtbar Sternbild 185 393 1006 8 Monate 7 Monate einige Jahre Centaurus Scorpius Lupus 1054 ∼ 2 Jahre 1181 1572 1604 1987 ∼ 6 Monate 16 Monate ∼ 1 Jahr ∼ 13 Jahre beobachtet China China China,Japan Europa,Arabien Taurus China,Japan Arabien, Nordamerika Cassiopeia China,Japan Cassiopeia Tycho Brahe Ophiuchus Johannes Kepler Mag. Wolke Ian Shelton 14 Neutrinos! Supernova 1987A % SK-69◦202 sehr helles Ereignis ∼ 1012 L schnell expandierende Explosionswolke ∼ 104 km/s elektromagn. Energie ∼ 1042 J kinetische Energie ∼ 1044 J Neutrinos ∼ 1046 J ! Häufigkeiten ∼ 2000 Neutronensterne ∼ 109 erwartet Galaktische Verteilung Häufigkeiten ∼ 2000 Neutronensterne ∼ 109 erwartet Galaktische Verteilung hohe Fluchtgeschwindigkeiten ! Neutrinoraketen? Massenverteilung Schwerkraft gE = 9.8 m/s2 Erde: F =G mM R2 → mgE = G mME RE2 Schwerkraft gE = 9.8 m/s2 Erde: F =G mM R2 → mgE = G mME RE2 Neutronenstern: gNS MNS = gE ME RE = 6.4 × 103 km ME = 7.4 × 1022 g RE RNS 2 RNS = 10 km MNS = 2 × 1033 g Schwerkraft gE = 9.8 m/s2 Erde: F =G mM R2 → mgE = G mME RE2 Neutronenstern: gNS ∼ 1016gE gNS MNS = gE ME RE = 6.4 × 103 km ME = 7.4 × 1022 g RE RNS 2 RNS = 10 km MNS = 2 × 1033 g 1g wiegt 10 Milliarden Tonnen ! Freier Fall Fallgeschwindigkeit: v= p 2gh Fall aus 1m Höhe Erde: vE = 4.4 m/s Freier Fall Fallgeschwindigkeit: v= p 2gh Fall aus 1m Höhe Erde: vE = 4.4 m/s Neutronenstern: vNS = 4.4 × 108 m/s Freier Fall Fallgeschwindigkeit: v= p 2gh Fall aus 1m Höhe Erde: vE = 4.4 m/s Neutronenstern: vNS = 4.4 × 108 m/s aber: c = 3 × 108 m/s ! Freier Fall Fallgeschwindigkeit: v= p 2gh Fall aus 1m Höhe Erde: vE = 4.4 m/s Neutronenstern: vNS = 4.4 × 108 m/s aber: c = 3 × 108 m/s ! A. Einstein 1915 allgemeine Relativitätstheorie ! Rotation Rotation Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse Rotation Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse T = 2.6 × 106 s Rotation Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse T = 2.6 × 106 s Rotation Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse T = 2.6 × 106 s Drehimpulserhaltung: Rotation Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse T = 2.6 × 106 s Drehimpulserhaltung: L i = Lf Rotation Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse T = 2.6 × 106 s Drehimpulserhaltung: L i = Lf Rotation Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse T = 2.6 × 106 s Drehimpulserhaltung: LFe = L i = Lf 2π 2π IFe = LNS = INS TFe TNS Rotation Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR 2 Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: R 2 NS TFe ⇒ TNS = RFe I = 2/5MR 2 Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: R 2 NS TFe ⇒ TNS = RFe I = 2/5MR 2 TNS = 6s Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: R 2 NS TFe ⇒ TNS = RFe I = 2/5MR 2 TNS = 6s Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: R 2 NS TFe ⇒ TNS = RFe I = 2/5MR 2 TNS = 6s Periode von PSR 1937+21 Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: R 2 NS TFe ⇒ TNS = RFe I = 2/5MR 2 TNS = 6s Periode von PSR 1937+21 T = 1.55780644887275 ± 0.00000000000003 ms Rotation Trägheitsmoment einer Kugel: R 2 NS TFe ⇒ TNS = RFe I = 2/5MR 2 TNS = 6s PSR 0329+54 PSR 0833-45 PSR 1937+21 Periode von PSR 1937+21 T = 1.55780644887275 ± 0.00000000000003 ms Magnetfeld Magnetfeld Magnetfeld der Sonne: B = 100G = 10−2 T Magnetfeld Magnetfeld der Sonne: B = 100G = 10−2 T Magnetfeld Magnetfeld der Sonne: B = 100G = 10−2 T Erhaltung des magnetischen Flusses Magnetfeld Magnetfeld der Sonne: B = 100G = 10−2 T Erhaltung des magnetischen Flusses B A = BNS ANS Magnetfeld Magnetfeld der Sonne: B = 100G = 10−2 T Erhaltung des magnetischen Flusses B A = BNS ANS 2 R ⇒ BNS = B RNS Magnetfeld Magnetfeld R = 7 × 105 km ←→ RNS = 10 km Magnetfeld R = 7 × 105 km ←→ RNS = 10 km BNS = 5 × 1011 G Magnetfeld R = 7 × 105 km ←→ RNS = 10 km BNS = 5 × 1011 G Magnetfeld R = 7 × 105 km ←→ RNS = 10 km BNS = 5 × 1011 G → Pulsare! Pulsare entdeckt 1967 Nobelpreis 1974 Hewish und Bell Pulsar Sicht des Theoretikers“ ” Evolution Merger Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
