Hauptseminar Astroteilchenphysik und kosmische Strahlung

1. HauptseminarAstroteilchenphysik und kosmische Strahlung Endstadien von Sternen - Supernovae und die Bildung schwerer Elemente von Manuel Rainer Dries

2. Inhalt: 1. Supernova 2. Die Endstadien von Sternen 3. Die Bildung schwerer Elemente 3.1 Die solare Häufigkeitsverteilung 3.2 Der s-Prozess 3.3 Der r-Prozess 3.4 Der p-Prozess

3. 1. Supernova • Zwei Typen von Supernovae Klassifikation: Anhand der Wasserstofflinien im Spektrum • Zahlreiche Untergruppen Klassifikation: Anhand weiterer Merkmale im Spektrum Anhand der Lichtkurven

4. Supernova vom Typ I • Ausschließlich in engen Doppelsternsystemen Lagrange-Punkt: Ausgleich von Rotation und Gravitationswechselwirkung Rochesche Grenzfläche: Äquipotentialfläche des Doppelsternsystems • Beide Komponenten auf Hauptreihe

5. Massereiche Komponente verlässt Hauptreihe → Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche → Masseverlust über Lagrange-Punkt • Massearmer Unterriese und massereicher Hauptreihenstern

6. Weißer Zwerg und Hauptreihenstern • Massereiche Komponente verlässt Hauptreihe → Überschreitung der Rocheschen Grenzfläche → Masseverlust über Lagrange-Punkt → Ausbildung einer rotierenden Akkretionsscheibe → Ausschüttung von Materie auf Oberfläche → Nova

7. Überschreitung der Chandrasekhar-Masse • → Gravitationskollaps des Weißen Zwerges • → Explosives Einsetzen des Kohlenstoffbrennens • → Supernova vom Typ I → Vollständige Vernichtung des Weißen Zwerges „Runaway“-Stern

8. Supernova vom Typ II Abstoßung äußerer Bereiche am Ende des Riesenstadiums → Weißer Zwerg Planetarischer Nebel Explosives Einsetzen des Kohlenstoff- / Sauerstoffbrennens → Supernova vom Typ II → Vollständige Vernichtung des Sterns

9. Kette nuklearer Reaktionen endet im Kern mit → Überschreitung der Chandrasekhar-Masse → Gravitationskollaps des Kerns • Unterstützt und beschleunigt durch: • Photodissoziation von • Inversen Betazerfall: → Entartungsdruck der Neutronen beendet Gravitationskollaps des Kerns

10. → Einstürzen äußerer Bereiche auf den Kern → Nach außen laufende Schallwellen Verdichtung des Kerns bis zur dichtesten Kugelpackung von Kernteilchen → Rückprall des Kerns → Nach außen laufende Schallwellen → Bildung nach außen laufender Stoßwellen im Schallpunkt → Energieverlust der Stoßwellen bei Dissoziation von

11. → Verlassen des Kerns von → Energiegewinn bei Fusionsreaktionen → Durchlaufen äußerer Bereiche von → Supernova vom Typ II → Neutronenstern oder Schwarzes Loch → Versiegen im Kern von → Neutrinoheizung Wechselwirkung zuvor eingeschlossener → Erneutes Anregen → Durchlaufen äußerer Bereiche von → Supernova vom Typ II → Neutronenstern oder Schwarzes Loch

12. Entartungsdruck der Fermionen: • Folge des Pauli-Prinzips: • „Zwei Fermionen können nicht gleichzeitig einen Zustand • mit denselben Quantenzahlen besetzen.“ • Folge der Unschärferelation: • Verringerung des Volumens • → Vergrößerung der Abstände der Energieniveaus • → Notwendigkeit der Energiezuführung • → Entartungsdruck der Fermionen 2. Die Endstadien von Sternen

13. Weiße Zwerge: • Ursprung: • Sterne mit • Abstoßung äußerer Bereiche am Ende des Riesenstadiums • → Weißer Zwerg • Planetarischer Nebel • Effektivtemperatur: • Masse: • Durchmesser: Einige tausend bis zehntausend Kilometer • Dichte:

14. Substanz: Entarteter Kohlenstoff und Sauerstoff • Stabilisierung: Entartungsdruck der Elektronen • → Grenzmasse: • Endzustand: • Vernichtung innerhalb einer Supernova vom Typ I • Langsames Abkühlen und Erlöschen • → Schwarzer Zwerg

15. Neutronensterne: • Ursprung: • Supernovae vom Typ II bei Sternen mit • Zentraltemperatur: • Masse: • Durchmesser: • Dichte: • Rotationsfrequenz: bis • Magnetfeld: bis

16. Aufbau: • Oberfläche: • Dicke: • Dichte: • Substanz: Kristallgitter zunehmend • neutronenreicher Eisenisotope • Innere Kruste: • Dicke: • Dichte: • Substanz: Zunehmend Neutronen • Innerer Bereich: • Substanz: Überwiegend Neutronen • Zentrum: • Dichte: • Substanz: Eventuell Pionen, Kaonen, Quarks

17. Stabilisierung: Entartungsdruck der Neutronen • → Grenzmasse: • Endzustand: Abkühlen unter Abstrahlung von • Pulsare: • Neigung der Achse des Magnetfeldes gegen Rotationsachse • → Wechselwirkung mit geladenen Teilchen • → Abstrahlung elektromagnetischer Wellen im • Frequenzbereich von: • Radiowellen • Sichtbarem Licht • Röntgenwellen

18. Schwarze Löcher • Bereich, den weder Materie noch Licht verlassen kann • Begrenzt durch Ereignishorizont oder Schwarzschildradius • Sieben Typen von Schwarzen Löchern • Unter anderem: • Stellare Schwarze Löcher: • Ursprung: • Supernovae vom Typ II bei Sternen mit • Masse: bis • Supermassereiche Schwarze Löcher: • Masse: • Schwarze Löcher in Galaxiezentren • Auch im Zentrum der Milchstraße hinter Sagittarius A*: • Masse:

19. Hawking Strahlung: • Folge des Casimir-Effekts: • „Bildung virtueller Teilchen-Antiteilchen-Paare im • Vakuum - Vakuumfluktuation“ • Folge der Unschärferelation: • Vakuumfluktuation am Ereignishorizont • → Überschreitung des Ereignishorizonts durch Teilchen • → Entweichen eines Teilchens • → Hawking Strahlung • → Energie- und Masseverlust Schwarzer Löcher • → Lebensdauer Schwarzer Löcher

20. Zusammenfassung: Entwicklung eines Weißen Zwerges Entwicklung eines Neutronensterns Entwicklung eines Schwarzen Lochs

21. 3. Die Bildung schwerer Elemente 3.1 Die solare Häufigkeitsverteilung • Erste vollständige Darstellung anhand spezieller Meteoriten • Verbesserung und Ergänzung anhand des Sonnenspektrums • Übereinstimmung einer Mehrzahl der Hauptreihensterne • → Standard-Verteilung • Urknall: , , , , • Fusionsreaktionen: bis • Neutronenreaktionen

22. 3.2 Der s-Prozess • „slow neutron capture“ • Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang größer als -Zerfallszeit Stabiler Produktkern: Instabiler Produktkern: • Bildungspfad verläuft im Stabilitätstal

24. Kleiner Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang • → Große Häufigkeiten • Großer Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang • → Kleine Häufigkeiten • Abhängigkeit der resultierenden Häufigkeitsverteilung vom Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang: • Kleiner Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang bei • Isotopen magischer Neutronenzahlen • → Maxima der resultierenden • Häufigkeitsverteilung bei • und

25. Voraussetzung - Neutronen in Roten Riesen • Zwei Reaktionen zur Bildung von Neutronen Während des Heliumbrennens: → Neutronenfluss → Schwache Komponente von bis • Sternmodell: • Kern: Kohlenstoff und Sauerstoff • Heliumschale • Konvektive Hülle: Wasserstoff

26. Periodisches Heliumbrennen: Wasserstoffbrennen → Ansammeln von in Heliumschale → Heliumbrennen → Ausdehnung der konvektiven Heliumbrennzone → Erfassung eines Teils der erloschenen Heliumbrennzone durch konvektive Hülle → Verteilung gebildeter schwerer Elemente

27. Während des Wasserstoffbrennens: Protonen durchdringen Grenze zur Heliumschale → Schwacher Neutronenfluss auf kleinen Bereich • Während des anschließenden Heliumbrennens: → Erneuter Neutronenfluss → Signifikante Beeinflussung der zuvor entstandenen Häufigkeitsverteilung → Hauptkomponente von bis

28. Der klassische s-Prozess • Empirisch gefunden • Reproduktion der Hauptkomponente von bis bei • geeigneter Neutronenexposition eines Bruchteils der • vorhandenen Häufigkeit • Annahmen: • Unter anderem: • Temperatur konstant • Neutronendichte konstant • → • → Bestimmung der stellaren Wirkungsquerschnitte • für den Neutroneneinfang • → Anpassung der Parameter und

29. Verzweigungen • Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang gleicht • -Zerfallszeit • Definition: • Verzweigungsverhältnis • Allgemein: • Abhängigkeit der Neutroneneinfangrate von der • Neutronendichte • Abhängigkeit der -Zerfallsrate von der Temperatur • → Abhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses von • der Neutronendichte und der Temperatur

30. Verzweigungen - Am Beispiel der , , Isotope • Keine Abhängigkeit der -Zerfallsrate von der • Temperatur in den Verzweigungspunkten • → Abhängigkeit des Verzweigungsverhältnisses von • der Neutronendichte • Klassischer s-Prozess • → Neutronendichte • Analyse anderer Verzweigungspunkte • → Abschätzung der -Zerfallszeit • → Temperatur

31. 3.3 Der r-Prozess • „rapid neutron capture“ • Lebensdauer bezüglich Neutroneneinfang kürzer als -Zerfallszeit Bindungsenergie größer Bindungsenergie kleiner → Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - „Waiting Point“ Versiegen des Neutronenflusses: → Rückkehr ins Stabilitätstal durch Kette von -Zerfällen • Bildung neutronenreicher Isotope mit Vorgängern kleiner -Zerfallszeit

33. Abhängigkeit der resultierenden Häufigkeitsverteilung von -Zerfallszeiten der Isotope am „Waiting Point“: • Kleine -Zerfallszeiten • → Kleine Häufigkeiten • Große -Zerfallzeiten • → Große Häufigkeiten • Große -Zerfallszeiten bei Isotopen magischer • Neutronenzahlen • Bevorzugt Isotope magischer Neutronenzahlen • am „Waiting Point“ • → Maxima der resultierenden • Häufigkeitsverteilung bei • und

34. Überlagerung von s-Prozess und r-Prozess • → Solare Häufigkeitsverteilung • Existenz reiner r-Kerne • Aufgrund von Vorgängern kleiner -Zerfallszeit • Existenz reiner s-Kerne • Aufgrund der Abschirmung gegen -Zerfall Voraussetzung - Supernova vom Typ II • Hohe Temperatur • Hoher Neutronenfluss → Supernova vom Typ II Neutronenreiche Materie in Stoßwelle

35. 3.4 Der p-Prozess • Kleine Häufigkeiten von p-Kernen • Ähnlicher Verlauf der Häufigkeiten von reinen s-Kernen, reinen r-Kernen und p-Kernen → Reine s-Kerne und reine r-Kerne als Basis des p-Prozess

36. Lebensdauer bezüglich Protoneneinfang / Neutroneneinfang kürzer als / -Zerfallszeit • Kleine Massen: Bindungsenergie überschreitet kritischen Wert Bindungsenergie unterschreitet kritischen Wert → Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche Photonen - „Waiting Point“

37. Große Massen: • Bindungsenergie überschreitet kritischen Wert • Bindungsenergie unterschreitet kritischen Wert • → Gleichgewicht zur Auslösung durch energiereiche • Photonen - „Waiting Point“ • → Protoneneinfang und -Teilcheneinfang • Versiegen des Protonenflusses und Neutronenflusses: • → Rückkehr ins Stabilitätstal durch Kette von -Zerfällen • Bildung protonenreicher Kerne

39. Voraussetzung • Hohe Temperatur → Supernova vom Typ II → Nova → Supernova vom Typ I → Verdichtung der von Neutronensternen / Schwarzen Löchern akkretierten Materie → Doppelsternsysteme aus Neutronenstern und Rotem Riesen

40. Literatur: • Hannu Karttunen - Astronomie - Eine Einführung • Paul A. Tipler - Physik • FZK Nachrichten - Spätstadien der Sternentwicklung: Die Botschaft der Roten Riesen • http://ik3frodo.fzk.de - FZK Institut für Kernphysik • www.wikipedia.de - Die freie Enzyklopädie • www.google.de - Suchmaschine