Supernovas und schwarze Löcher
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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. Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 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. Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.6 Prof. U. Walter © 2014, LRT 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.7 Prof. U. Walter © 2014, LRT 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.8 Prof. U. Walter © 2014, LRT Schwarze Löcher Ereignishorizont R = 3 km Masse/Sonnenmasse © NASA Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 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 Prof. U. Walter © 2014, LRT Laval-Düse Welle stromabwärts Unterschall Überschall Horizont Schwarzes Loch © S. Kaufmann Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.10 Prof. U. Walter © 2014, LRT © ESO/S. Gillessen Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.11 Prof. U. Walter © 2014, LRT Sagitarius A = Schwarzes Loch mit 4.3 ± 0.2 Millionen Sonnenmassen © ESO/S. Gillessen Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.12 Prof. U. Walter © 2014, LRT 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung © S. Kaufmann black hole accretion and flare phase 6.13 Prof. U. Walter © 2014, LRT © NASA/ Hubble © NASA/ Hubble Schwarzes Loch Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.14 Prof. U. Walter © 2014, LRT 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Radius des Ereignishorizonts =: Schwarzschild-Radius 6.16 Prof. U. Walter © 2014, LRT Effektives relativistisches Potential 6.17 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Relativistische Bahnen – I A B A B Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.18 Prof. U. Walter © 2014, LRT Relativistische Bahnen – II Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.19 Prof. U. Walter © 2014, LRT SN Typ Ia Disk Accretion from nearby star © ESO/L. Calçada Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.20 Prof. U. Walter © 2014, LRT SN Typ Ia Akkretionscheibe Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.21 Prof. U. Walter © 2014, LRT © ESO/L. Calçada Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.22 Prof. U. Walter © 2014, LRT 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.24 Prof. U. Walter © 2014, LRT 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. Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.25 Prof. U. Walter © 2014, LRT Black Hole – Jets by magnetic fields © NASA Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.28 Prof. U. Walter © 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung Prof. U. Walter © 2014, LRT Gravitationslinseneffekt durch Schwarze Löcher © NASA/Hubble Scheinbarer Ort Brennpunkt Gravitationsfeld Wirkliche Position der Wellenquelle Scheinbarer Ort Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 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 Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.31 Prof. U. Walter © 2014, LRT © A. Müller, TU München, Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 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 Sterne & Kosmos, Vorlesung 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° Sterne & Kosmos, Vorlesung © 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. Lehrstuhl Raumfahrttechnik 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 Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.39 Prof. U. Walter © 2014, LRT Galaxies & Black Hole Merge © NASA/CXC/A. Hobart Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung 6.40 Prof. U. Walter © 2014, LRT 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. Lehrstuhl Raumfahrttechnik Sterne & Kosmos, Vorlesung dM 2 dt M Virtuelle Teilchen und Anti-Teilchen entstehen an jedem Punkt im Universum 6.41 © S. Kaufmann Prof. U. Walter © 2014, LRT
