Kernkollaps-Supernovae

Gehalten am 13.12.2004 von Sebastian Scholz

Seminar „Astro/Teilchenphysik“Physikalisches Institut, Univ. Erlangen

Was ist eine Supernova?

87A

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Klassifizierung nach Spektren

Klassifizierung nach Spektren

• I

- Ia: Si/kein H

- Ib: He/kein H, Si

- Ic: kein H, Si, He

• II: H

Klassifizierung durch Mechanismus

• Ia : Thermonukleare Explosion eines weißen Zwerges (keine Überreste)

• Ib, Ic, II : Kernkollaps (Neutronenstern /schwarzes Loch)

Eisenkern

Es existieren drei Kräfte:

- Gravitationskraft (anziehend)

- Kraft, die durch die Entartung des Elektronengases hervorgerufen wird / Elektronendruck (abstoßend)

- Thermische Bewegung (abstoßend)

Eisenkern

• Ab ca. 1,5 Mo wird die eigene Gravitation so hoch, dass der Kern sich von innen her zusammenzieht

• Dichte steigt• Temperatur steigt

Eisenkern

• Temperatur steigt• Eisen dissoziert

• Weniger „Thermische“ Energie• Druck sinkt • Kern zieht sich schneller zusammen

nMeVFe 4134,1245626

Eisenkern

• Dichte steigt

• Elektronen werden von Kernen Eingefangen

• Elektronendruck sinkt

• Kern zieht sich schneller zusammen

),1(),()(

AZAZe e

W

Eisenkern

Bei höheren Temperaturen und Dichten dissoziert auch das Helium:

und der Elektroneneinfang geschieht durch freie Protonen:

npMeVHe 223,2842

npe e

W

)(

Eisenkern

• Startpunkt:

ρ~1013kg m-3 T~1010K

• Ab ρ~1015kg m-3 setzt Neutrinotrapping ein

• Bei ρ~3x1017kg m-3 ist die Dichte eines Atomkerns erreicht; der Kern kann sich nicht mehr weiter zusammen ziehen

Was ist nun da?

Kurze Bestandsaufnahme:• In der Mitte (Radius wenige 10 km):

- gefangene Neutrinos (durch Paarerzeugung/vernichtung und Elektroneneinfang entstanden; wechselwirken mit Materie)

- ein sehr dichtes, heißes Plasma ￫ entstehender Neutronenstern

• Eine starke Gravitationskraft

• Die einzelnen Schalen

Die Materie weiter außen prallt mit Überschallgeschwindigkeit auf den Kern,

der schwingt zurück, und es bildet sich eine Stoßfront

Stoßfront• Die Stoßfront propagiert durch den Stern nach außen• Währenddessen stürzt weiterhin Materie nach innen

• Energieabgabe an einfallende Materie￫ Elemente werden aufgebrochen

r

Stoßfront

• Dichte ist nun so gering, dass Neutrinos entweichen

￫ Neutrinoblitz(e- -Einfang)

Sterne mit 8-15Mo

Der Stoß durchstößt die äußeren Schalen und zerreißt den Stern

￫ „ Prompte Explosion“

Sterne über 15Mo

Energieverlust so stark, dass Stoßfront nach 100 bis 300km zum stehen kommt

Kurze Energierechnung

Durch Gravitation freiwerdende Energie:

1,5M ~M˜ M 20km,~R 350km,~Rmit

1035,1

0ternNeutronensEisenkernternNeutronensEisenkern

46

ternNeutronens

20

ternNeutronens

2

Eisenkern

2

JR

MG

R

GM

R

GMEGrav

Kurze Energierechnung

Durch Dissoziation absorbierte Energie:

1027 45Eisenkern Jm

MMeVE

HDis

Kurze Energierechnung

Durch Strahlung abgegebene Energie:

a

JLE

Sn

SnSnStrahlung

1~,L103~Lmit

103

010

Sn

44

Kurze Energierechnung

Erforderliche Energie, um die Schalen vom sich bildenden Neutronenstern zu lösen:

108 44

Eisenkern

EisenkernEisenkern JR

MMGMEBind

Kurze Energierechnung

Erforderliche kinetische Energie für die

Schalen:

s

km10000mit v

1022

1 452Eisenkern

JvMMEKin

Kurze Energierechnung

Gravitation: + 3.1046J

Dissoziation: - 2.1045J

Strahlung: - 3.1044J

Bindungsenergie: - 8.1044JKinetische Energie: - 2.1045J .

Fehlbetrag: 2,5.1046J

Genauere Rechnungen zeigen:

Fast 99% der freiwerdenden Energie steckt in Neutrinos

Sterne über 15Mo

Neutrinos wechselwirken mit der Materie:

￫ Energieübertrag

Wirkungsquerschnitt ist zwar klein, aber so viele Neutrinos, dass es reicht den Stoß wiederzubeleben

nepW

e )(

Explosion setzt sich fort

Mechanismus des Kernkollapses (Typ II)

• Eisenkern• Druck sinkt (e- - Einfang, Dissoziation)• Atomkerndichte• Überschallschneller Einfall• Entstehung einer Schockfront

-Schockfront durchstößt die Sternenhülle

￫ „ Prompte Explosion“

-Schockfront bleibt stehen

-Schockfront wird durch Neutrinos und Konvektion wiederbelebt

￫ „ Verzögerte Explosion“

Verlauf des Spektrums

• 56Nickel zerfällt nach 6 Tagen in Cobalt

• 56Cobalt hat eine Halbwertszeit von 77 Tagen

Verlauf des Spektrums

Abweichungen vom Typ II

• Ib : Vorläuferstern hat vor der Supernova Wasserstoffhülle komplett abgestoßen (möglich bei massereichen Sternen)

• Ic : Vorläuferstern hat vor der Supernova Wasserstoff- und Heliumhülle komplett abgestoßen (möglich bei sehr massereichen Sternen)

Gamma Ray Burst

Kurze (0,1-100s) Ausbrüche von Gammastrahlung

Dabei wird insgesamt mehr als 1045Joules freigesetzt;

1000 Sonnen würden soviel in ihrer ganzen Existenz abstrahlen

eVE 510

Gamma Ray Burst

Entstehen im ganzen Universum

Gamma Ray Burst

Aufteilung:

- „Short and hard“ (t<2s)

Entstehen in binären Systemen

- „Long and soft“ (t>2s)

Entstehen durch Supernovae

Long and soft

• Während einer Supernova wird ein Teil der Materie mit fast Lichtgeschwindigkeit in einem Jet ausgeworfen

• Diese wird durch interstellares Medium abgebremst

￫ Bremsstrahlung

Beweis: GRB 030329/SN 2003dh