Supernovas und schwarze Löcher

Sterne & Kosmos
Supernovas & Schwarze Löcher
Nach einer Abb. Aus dem Buch von :Cammille Flammarion: L'Atmosphère, Paris 1888
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
Sterne & Kosmos, Vorlesung
6.1
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Sternenentwicklung
1,46 M < M < 3 M
© NASA/Chandra
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
Sterne & Kosmos, Vorlesung
6.2
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Das Ende massenreicher Sterne – Super Nova
Cassiopeia A
© NASA/CXC/SAO/D.Patnaude et al.
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
Sterne & Kosmos, Vorlesung
6.3
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Supernova-Explosion
© NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/UC Berkeley/N.Smith et al.; IR: Lick/UC Berkeley/J.Bloom & C.Hansen.
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6.4
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Neutronensterne
10
3
Atome werden für   C  3 10 kg m instabil und immer mehr Elektronen
werden in den Protonkern gequetscht (inverser -Zerfall)
e   p   n  ve
Dadurch entstehen immer mehr neutronenreiche Atomkerne. Für  = 1016
kg/m3 lösen sich Atome auf und es existieren nur noch dichtgepackte
Neutronen = Neutronenstern. Der Gegendruck zur Gravitation wird nun durch
die Austausch-Wechselwirkung der Neutronen übernommen.
Der Radius eines Neutronensterns ist von der Größenordnung 10 km.
Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne (teilweise weniger als eine
Sekunde Umdrehungdauer!) mit einem sehr starken (etwa 108 Tesla)
Magnetfeld.
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6.5
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Oberfläche aus metallischem Eisen
(Eisenkerne in einem Elektronensee)
äußere Kruste
(neutronenreiche Atomkerne und Elektronen)
innere Kruste
(neutronenreiche Atomkerne, Elektronen und freie
Neutronen)
Superfluide Neutronenflüssigkeit
(hauptsächlich Neutronen sowie einige Elektronen
und supraleitende Protonen)
Neutronenkern
Aufbau eines klassischen
Neutronensterns
© S. Kaufmann
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6.6
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Neutronenstern mit
Kaonenkondensat
Die Materie in Neutronensternen nimmt mit
zunehmender Tiefe und Dichte verschiedene
exotische Formen an, die mit unterschiedlichen
Modellen beschrieben werden
Kondensat aus Kaonen
Neutronenstern mit
Pionenkondesat
Kondensat aus Pionen
Hadronenstern
Feste Mischung aus kalten
Hadronen
Mischung aus freien up-,
down- und strange-Quarks
Stern aus
Quarkmaterie
Modelle für Neutronenkerne
Seltsamer Stern
© S. Kaufmann
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6.7
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Pulsar
Rotationsachse
Magnetpol
Akkretion auf
Magnetpole
Ein Pulsar ist ein schnell rotierender
Neutronenstern (1,4 ms bis 8,5 s),
dessen Magnetfeldachse nicht mit
der Rotationsachse zusammenfällt.
Über die Magnetpole einfallende
Materie trifft mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf die Oberfläche
des Neutronensterns und erzeugt
dort Röntgenstrahlen, die entlang
der Magnetfeldachse den Stern
verlassen. Befindet sich ein Beobachter in diesem Emissionskegel,
dann sieht man dies als einen Puls
(Röntgenpulsar).
Emission von
Röntgenstrahlung
© S. Kaufmann
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6.8
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Schwarze Löcher
Ereignishorizont
R = 3 km  Masse/Sonnenmasse
© NASA
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Analogie zwischen
Schwarzem Loch
und Laval-Düse
Eine Lavaldüse, wie sie am Ende von Raketen
zu finden ist, liefert eine Analogie zum
Schwarzen Loch. Das einströmende Fluid ist
im Unterschall, die Einengung zwingt es zur
Beschleunigung, sodass das Austrittsfluid
Überschall
erreicht.
Schallwellen
im
Unterschallbereich können sich stromaufwärts
bewegen, was Wellen im Überschallbereich
nicht können. Die Verengung verhält sich wie
der Horizont eines Schwarzen Lochs: Schall
kann eintreten, jedoch nicht in der
Überschallregion austreten. Wahrscheinlich
generieren Vakuumfluktuationen einen Schall,
analog zur Hawking-Strahlung.
6.9
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Laval-Düse
Welle stromabwärts
Unterschall
Überschall
Horizont
Schwarzes Loch
© S. Kaufmann
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6.10
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© ESO/S. Gillessen
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6.11
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Sagitarius A = Schwarzes Loch
mit 4.3 ± 0.2 Millionen Sonnenmassen
© ESO/S. Gillessen
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6.12
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AGN Emission
AGN = Active Galactive Nuclei
Stellar tidal disruption by a supermassive black hole
I
doomed star
II
black
hole
black
hole
deformed star
approaching phase
tidal deformation phase
III
accretion of stellar
relic material
IV
X-rays
star debris
black
hole
Röntgenflare
Freisetzung von 1044 J !
tidal disruption phase
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© S. Kaufmann
black
hole
accretion and flare phase
6.13
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© NASA/ Hubble
© NASA/ Hubble
Schwarzes Loch
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6.14
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No-Hair Theorem
Schwarze Löcher haben als einzige
charakteristische Größen:
Masse, Drehimpuls (und Ladung)
Alle anderen Eigenschaften gehen
während des Kollapses verloren.
Das war jedenfalls die Meinung Hawkings (und Gegenstand einer Wette) bis zum Juli 2004.
Dann änderte er seine Meinung folgendermaßen (womit er die Wette verlor):
Von außen gesehen hat ein Schwarzes Loch tatsächlich nur diese drei Eigenschaften. Wäre das
Schwarze Loch eine Singularität, dann hätte es dies auch im Innern. Da es aber Quanteneffekte gibt,
das Loch tief im Inneren also nur auf Planck-Länge (Strings) schrumpfen kann, geht die Information, die
in ein Schwarzes Loch fällt, nicht verloren, sondern bleibt bestehen. Sie kommt wieder zum Vorschein,
wenn das Schwarze Loch nach der Hawking-Strahlung zu leicht wird und in einem Blitz explodiert. Die
Korrelationen zwischen den ausgespienen Teilchen tragen die gesamten Informationen.
Hawking wörtlich: If you jump into a black hole, your mass energy will be returned to our universe but in
a mangled form which contains the information about what you were like but in a state where it can not
be easily recognized. It is like burning an encyclopedia. Information is not lost, if one keeps the smoke
and the ashes. But it is difficult to read.
6.15
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Ereignishorizont
Unter der Annahme, dass Licht aus Korpuskeln besteht sagte John Michell in 1783 die
Existenz Schwarzer Löcher voraus. Den Ereignishorizont leitete er ab zu:
Falsche Theorie,
richtiges Ergebnis!
= 3 M/M km
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Radius des Ereignishorizonts
=: Schwarzschild-Radius
6.16
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Effektives relativistisches Potential
6.17
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Relativistische Bahnen – I
A
B
A
B
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6.18
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Relativistische Bahnen – II
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6.19
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SN Typ Ia
Disk Accretion from nearby star
© ESO/L. Calçada
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6.20
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SN Typ Ia
Akkretionscheibe
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6.21
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© ESO/L. Calçada
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6.22
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Typ II: Sternkollaps  Explosion
© NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/UC Berkeley/N.Smith et al.; IR: Lick/UC Berkeley/J.Bloom & C.Hansen.
Black Hole – Jets by magnetic fields
1. Das stetig nach innen strömende
Gas erhitzt sich stark und wird zu
rotierendem Plasma, das ein
Magnetfeld senkrecht zur
Akkretionsebene erzeugt.
© Sternwarte Feuerstein e.V. / Werner Stupka /
Grafik: S. Kaufmann
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6.24
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Black Hole –
Jets by magnetic fields
© S. Kaufmann
Die Rotation des Schwarzen Loches mit
nahezu Lichtgeschwindigkeit an seiner
Oberfläche verzerrt die Geometrie der
Raumzeit in seiner Umgebung, wodurch
die Magnetfeldlinien verdrillt werden, so
dass sich über den Polen des Schwarzen
Loches eine düsenförmige
Magnetfeldstruktur bildet.
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6.25
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Black Hole – Jets by magnetic fields
© NASA
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6.26
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
© S. Kaufmann
© S. Kaufmann
Black Hole –
Jets by
magnetic fields
Knotenpunkt
Blazar
GASBEWEGUNG
einströmendes
Gas
Der Magnetfeldgradient der Magnetfeld-Trichter über beiden Polen
erzeugt einen Plasma-Druckgradienten, der Teile des einfallenden
Gases mit etwa 99% Lichtgeschwindigkeit als Jet wieder gepulst
(etwa 1-2 Pulse pro Jahr) hinaus schleudert. Galaxien mit solchen
Jets nennt man Blazar. Die Spiralstruktur des Magnetfeldes führt zu
spiralartigen Bahnen und zu Fokussierungspunkten (Knoten) des
Plasmas.
herausströmendes Gas
6.27
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Cygnus A – Active Galactic Nucleus
heißes Intraclustergas
Perimeter des
Galaxieclusters
Gürtel
AkkretionsRadiowolke
scheibe
Hot Spot
Jet
Schwarzes Loch
Cygnus A
Optische Galaxie
komprimiertes
Intraclustergas
© S. Kaufmann
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6.28
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© 2014, LRT
Blazar M87
Elektronen werden mit fast Lichtgeschwindigkeit auf diesem Strahl
5000 Lichtjahre ins All geschleudert
Das bisher größte bekannte Schwarze
Loch existiert in der Galaxie M87 mit
3 Milliarden Sonnenmassen
6.29
© ESA/Hubble
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Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Gravitationslinseneffekt
durch Schwarze Löcher
© NASA/Hubble
Scheinbarer Ort
Brennpunkt
Gravitationsfeld
Wirkliche Position
der Wellenquelle
Scheinbarer Ort
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Objekt mit großer Masse
© S. Kaufmann
6.30
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Rotierende Schwarze Löcher
Kerr Black Holes
© A. Müller, TU München,
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
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6.31
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
© A. Müller, TU München,
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
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6.32
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Kerr Black Hole – Doppler Effect
© A. Müller, TU München,
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
Sterne & Kosmos, Vorlesung
6.33
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Ansicht unter verschiedenen Blickwinkeln
i=
© A. Müller, TU München,
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
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6.34
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
© A. Müller, TU München,
Kerr Hole – Anblick
So etwa muss das Schwarze Loch im
Lehrstuhl
Raumfahrttechnik
Zentrum
unserer
Milchstraße aussehen.
6.35
Computersimulation
Prof. U. Walteri = 40°
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© 2014, LRT
Astronaut fällt ins schwarze Loch
© S. Kaufmann;
ClipArtLord.com
ZEIT
Ereignishorizont des Schwarzen Loches
11:00:00
Der Astronaut
landet auf der
Oberfläche eines
kollabierenden
Sterns.
Das Signal, das
der Astronaut um
11:00:00 sendet,
gelangt nie zum
Raumschiff.
Raumschiff
beobachtet, wie
der Astronaut
beim Sturz ins
Schwarze Loch
Signale sendet.
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Sterne & Kosmos, Vorlesung
6.36
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Fall in ein Schwarzes Loch – direkt
© University of Colorado Boulder Professor Andrew Hamilton
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
Sterne & Kosmos, Vorlesung
6.37
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Trip through a Wormhole
Lehrstuhl Raumfahrttechnik
Sterne & Kosmos, Vorlesung
6.38
Prof. U. Walter
© 2014, LRT
Kollision zweier Black Holes – Gravitationswellen
© Mark Bajuk, Edward Seidel; NCSA [Anninos et al. 1993].
PSR 1913 + 16
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6.39
Prof. U. Walter
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Galaxies & Black Hole Merge
© NASA/CXC/A. Hobart
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6.40
Prof. U. Walter
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Zeit
Hawking-Strahlung
(Black hole evaporation)
Der größte Teil der
Hawking-Strahlung
hat eine Wellenlänge,
die dem Radius des
Schwarzen Loches
entspricht. Sie
transportiert die
Masse, die zuvor ins
Loch fiel und so das
Loch wachsen ließ,
wieder zurück ins
Universum und lässt
so das Loch
schrumpfen.
Teilchen-Antiteilchen-Paar
annihiliert sich
Entfernung von der Singularität
Teilchen fällt ins
Schwarze Loch,
während das
Antiteilchen ins
Unendliche entweicht
Die Singularität
Der Ereignishorizont des
Schwarzen Loches
Ein Teilchen (Teilchen oder
Antiteilchen) entkommt ins
Universum mit positiver Energie
Das andere Teilchen, das ins Loch fällt,
muss aus Energieerhaltungs-Gründen
negative Energie besitzen.
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dM

 2
dt
M
Virtuelle Teilchen und
Anti-Teilchen entstehen
an jedem Punkt im
Universum
6.41
© S. Kaufmann
Prof. U. Walter
© 2014, LRT