Het leven van een ster ster - Volkssterrenwacht Urania leven van een...leven dood Carina-nevel De...

Het leven van een ster

Walter Simons

• Ontstaan (“geboorte”) van sterren

• Evolutie (“leven”) van sterren op de hoofdreeks

(fusiereacties)

• Vergaan (“dood”) van sterren

Ontstaan van sterren(Protosterren)

OerknalH, He

Interstellair gas

Ontwikkeling van sterren(verblijf op hoofdreeks)

Sterexplosie

NeutronensterrenZwarte gaten

Witte dwergen

Uitdijing van het heelal

De “geboorte” van sterren

3000S

3000C

3000M5

3600M0

5100K0

6000G0

7600F0

10000A0

25000B0

50000O0

Temperatuur(K)

Spectraal-type

SubdwergenVI

Hoofdreeks/Dwergen

VSubreuzenIVReuzenIIIHeldere ReuzenIISuperreuzenIb

Helderesuperreuzen

IaHyperreuzen0

BeschrijvingMK-

klasse

Seite 7

Algemeen onderscheidt men sterren volgens:1. Spectraaltype(Oppervlaktemperatuur, absorptie- en emissielijnen)

2. Lichtkracht resp. MK-classificatie

Deze classificatie wordt uitgezet in het Hertzsprung-Russell-diagram.

HRD enMorgan-Keenan-classificatie

Ejnar Hertzsprung(1873-1967)

Henry Norris Russell(1877-1957)

„Niets blijft voor eeuwig“ ...

...dat geldt natuurlijk ook voor sterren in het universum.Sterren zijn in het HRD geen stationaire objecten!

Drie stadia van hun evolutie:

●Geboorte (103 – 107 j) / Pre-hoofdreeksstadium

●Stabiele fase / Hoofdreeksstadium (zon ~1010 j)

●Dood / Post-hoofdreeksstadium

Geboorte: overzichtSterren in onze melkweg: ca. 10¹¹Toename per jaar: ca. 3-5

Ontstaan: contractie van stofpartikels en gaswolkenveroorzaakt door locale dichtheidsschommelingen

Sterren ontstaan, afhankelijk van hun massa, over 103-107jaar

Ontstaan van sterrenhopen in stof- en gaswolken

Orionnevel: UV- en blauwfilterAstronomy Picture of the Day13 July 2004

Interstellaire ruimte(interstellair medium, ISM)

1. Contractie en fragmentatie van interstellaire nevels

2. Vorming van een protoster uit een nevel

3. Instelling van hydrostatisch evenwicht(Kelvin-Helmholtz-tijdsschaal)

4. Ontsteking van waterstoffusie in de kern en instelling van thermisch evenwicht

DE GEBOORTE VAN EEN STERoverzicht

Sterren worden geboren,leven lange tijden sterven

Sterren bestaan uit materie die in de kosmos al aanwezig was

Ze zijn enorme nucleaire ovens : „FUSIEREACTOREN“

Ze produceren zwaardere elementen, vertrekkend van waterstof

Wij ontsnappen aan een pijnlijke dooddoor blootstelling aan straling, dankzij• de atmosfeer van onze planeet• de enorme afstand die ons van sterren scheidt

kunnen heel gevarieerd zijn !levendood

Carina-nevel

De interstellaire ruimte is bijna LEEG !(= „vacuüm“)

tot minder dan 1 deeltje cm-3

VERGELIJK:normale lucht: bijna 1024 deeltjes per cm3

beste laboratoriumvacuüm: 109 deeltjes per cm3

In het interstellaire medium (ISM) (H en He) noemen we eenregio met meer dan 1 deeltje per cm3 een (interstellaire) WOLKdie weldra zichtbaar wordt als NEVELGas en stof: uitgestoten door of overblijfsel van vorige generatiessterren.

1 cm3 leeg? ……. JA, MAAR:

In de astronomie + astrofysica rekenen we niet in cm, niet in m, niet in km,WEL in lj (9,5.1015 m = 0,3 pc = 63.241 AE – bijna 10 biljoen km) en pc (3,1.1016 m = 3,26 lj = 202.265 AE)

In 1 (lj)3 bijna lege ruimte zit ENORM VEEL MASSA !!!

ISM SamenstellingGas + stof

Ruimte is vrij LEEG!Gemiddelde afstand tussen deeltjes ≈ 108 × hun afmeting(2 personen 1 op aarde, 1 op maan)Observatie: 21 cm-lijn (spin flip bijbotsing van 2 H-atomen)

Verschillende fasenHI-gebieden (neutrale H)Moleculaire wolkenWarme en zeer warme componentenHII-gebieden (geïoniseerde H = H+)

Verschillende componentenNeutrale atomen (H,O)Ionen (H+,O++)Elektronen (e-)Moleculen (H2,CO,H2O,CH3OH,NH3,…)

1 % - grafiet, silicaten,… ~ 1 nmverantwoordelijk voorextinctie en verroding/sterrenlicht

InterstellaireInterstellaire nevelnevel::

= = diffuusdiffuus gasgas--stofmengselstofmengsel: H: H22

GMC : Giant Molecular Cloud = stellaire broedplaats

koelekoele moleculairemoleculaire wolkenwolken1010--100 K100 K

dichtheid gem. 10dichtheid gem. 10--20 g/cm20 g/cm³³ ingebedingebed in warmer,in warmer,ijlerijler gasgas

T T ~ 10~ 1033--101044 K K dichtheiddichtheid ~ 1 H~ 1 H--

atoom/cmatoom/cm³³VoorbeeldVoorbeeld: : OrionnevelOrionnevelØØ 55--6 6 ljlj, d~1270 , d~1270 ljlj

EMISSIENEVEL: aangeslagen gaswolkenREFLECTIENEVEL: omringend gas en

stof dat licht van sterren reflecteert

ReflectienevelsVb.: Plejaden (‘Zevengesternte’)

Jonge sterren, omgeven door gas, overgebleven van vormingsproces

Lage dichtheidZeer fijne (kool)stofdeeltjes blauw

licht beter verstrooid

Vb. van een reflectienevel: NGC 1435, omringt Merope (23 Tau), een der helderstesterren in M45 (Plejaden) (een GMC in de nabijheid van een open sterrencluster)

Reflectienevel vdB 152 in Cepheus: lichtzwakke, mysterieuze nevel (“geest”, “spook”, “stofgordijn”) 1400 lj ver, diameter ~ 7 lj, noordelijke Melkweg

Heksenhoofdnevel IC2118 nabij Rigel in Orion (1000 lj ver, afmeting ~50 lj)Double, double toil and trouble; Fire burn, and cauldron bubble

[Macbeth, Act IV, Scene 1 ]'Harder poken, harder stoken, Laaien, vuurgloed; ketel, koken.‘

(vert.Willy Courtaux)

Reflectienevel NGC1999 in Orion

Emissie- + reflectienevel: Trifidnevel (M20)

Helderblauwe sterrenhoopioniseert omringend waterstofgas

rode recombinatielijn

Reflectie van straling vanhete, jonge sterren, op groteafstand te zwak licht alleenweerkaatst

Bakermat van sterren: M20 Bakermat van sterren: M20 ““TrTríífidnevelfidnevel”” (emissie(emissie-- + reflectie) ~9000+ reflectie) ~9000 ljlj(in Sagittarius)(in Sagittarius)

Orion-constellatie + nevel

Open sterrenhoop, O-B-associatie, in nevel.Het rode deel is een H II- gebied, het blauwe deel is een reflectienevel. O-B-sterren zijn hete, pas gevormdesterren.

Stervorming in M16: gas (moleculaire waterstof) en stof

De Arendnevel (Adelaarnevel)in het sterrenbeeld Slang:pinakels en zuilen; jonge, hetesterren blazen stof en mole-culair gas weg. Aan de rand:

EGGs = EmbeddedGaseousGlobules

Stervorming in M16: “Adelaarnevel” ~ 6500 lj (in Slang)

Paardenkopnevel (NGC 1990)

Stervormingsgebied Stervormingsgebied NGC 2264NGC 2264 ““KegelnevelKegelnevel””,, 2600 lj (in Eenhoorn)2600 lj (in Eenhoorn)

Gas en stofnevel M17 Gas en stofnevel M17 ““OmegaOmega--””, , ““ZwaannevelZwaannevel”” ~~ 5500 5500 lj,lj,"" eeneen kokendekokende oceaan oceaan van waterstof met kleine hoeveelheden van waterstof met kleine hoeveelheden

zuurstof, zwavel e.a. elementenzuurstof, zwavel e.a. elementen““ (in Sagittarius)(in Sagittarius)

Stervormingsgebied NGC 2237 “Rosettanevel” ~ 5500 lj

recente foto (Chandra + Kitt Peak): 160 nieuwe sterren

Jonge sterren in de Kleine Magellaanse Wolk

onderlinge (bijna-)botsingen met een andere moleculaire wolk

schokgolven vanwege naburige supernova-explosies

doorgang door een spiraalarm van een melkwegstelsel (dichtheidsgolven)

Inwendige thermische druk ↔ gravitatie

Spontane stervormingTeweeggebrachte stervorming na locale

instabiliteit = storing (perturbatie)

gravitationele collaps (contractie, inklappen)

Contractie + fragmentatie protosterren

kinetische energie (Ekin = ½ Iω²)kinetische energie (Ekin = ½ mv²)moment (M = dL/dt = r.F sin(r,F)kracht (F = dp/dt = m.a)impulsmoment (L = r.p sin(r,p))impuls (p = m.v)traagheidsmoment (I = Cmr2)massa (m)hoekversnelling (α = dω/dt)versnelling (a = dv/dt)hoeksnelheid (ω = dθ/dt)snelheid (v = dx/dt)hoek (θ)afstand (verplaatsing, afgelegde weg) (x, s)

ROTATIETRANSLATIE

Belangrijk:• Moment is traagheidsmoment maal hoekversnelling.• Traagheidsmoment is massa maal (afstand tot rotatieas)².• Bij totaal moment nul blijft het impulsmoment constant.• Impulsmoment is traagheidsmoment maal hoeksnelheid.Verkleining (vergroting) van het traagheidsmoment impliceert dusvergroting (verkleining) van de hoeksnelheid.

Impulsmoment• Tijdens de contractie blijft het impulsmoment L = mrvφ

behouden• Als een wolk samentrekt van een straal van 0,04 pc naar

700.000 km, neemt vφ toe met een factor 1,7.106!• Rotatie / wolk ~ 1 km/s (~turbulentie van het interstellaire

medium) → zou bijna 6 x lichtsnelheid zijn…!• Er gaat dus impulsmoment verloren bij stervorming• Eerst vormt zich een circumstellaire schijf (laagste energie bij

gegeven L)• Fragmenteert? (planeetvorming, of dubbelster) (veel

planetenstelsels rond protosterren)• Afremming door magneetveld?• Uitstroom van gas over grote afstand (massa klein, rvφ groot)

vφ

Hubble vond meer dan 150 protosterren in de Orionnevel!

collaps moleculairewolk – vorming

protoster

protoster groeit dooraccretie/materiaal

gedurende 106 jaarimpulsmoment accretieschijf

opeenhoping magnetische veldlijnen bipolairestraalstroom (jet), botst met moleculaire wolk,veegt omgeving schoon

1 2

3 4

transport / materie naarjonge ster (wrijving);klein deel materie metgroot impulsmomentbuiten geslingerd

1-10% / materie /ster blijft in accretie-schijf

na 5.106 – 107 jaarmateriaal uit accretieschijfverdwenen

vorming / planeten

Stervorming, incl. rotatie

Debris-disks

• Schijven zichtbaar om jonge sterren

Sir James Jeans(1877 – 1946)

Engels fysicus

1902 : materie wordt in het universum voortdurend gecreëerdkwantitatief criterium / gravitationele instabiliteit

Begintoestand: statisch, homogeen, ideaal gas, oneindiguitgestrekt. Gedrag onder compressie en sinusoïdale fluctuaties

Populaire boeken over fysica, relativiteitstheorie, astronomie, kosmologie, filosofie:The Universe around Us Through Space and TimeThe Stars in their Courses The Mysterious UniversePhysics and Philosophy The New Background of Science

Stralingswet van Rayleigh-Jeans „ultravioletcatastrofe“

Dynamische theorie/gassen, theoretische mechanica, elasticiteitstheorie

2μMTk

23E

RMGE Bkin

2

G ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=>≈

ρ1

GT

μk3,7M

23

B⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛>

contractie treedt op voor M > MJ

met V = 4/3 πR3

Criterium van Jeans

nGμTk

ρGμπTk3,75R 2

BB ≈>

Conclusie: MJ ~ ρ-1/2 T3/2 en RJ ~ T1/2

Contractie (collaps) van een GMC gebeurt bij voldoendehoge dichtheid lage temperatuur

Voorbeeld: n = 10³ cm-3, μ = 2,25 amu = (2,25) (1,67.10-24 g) T = 10 K MJ ≈ 14 Mzon RJ ≈ 81.000 AE = 1,7.107 Rzon

wolk met iets grotere massa instabiel collaps

nGμTkR 2

B>ρ

1GT

μk

3,7M23

B⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛>

ja410010510010GMC

ja41010210100koude stofwolk

neen4100102101000ijle gaswolk

M > MJMJ (Mzon)M (Mzon)R (pc)T (K)soort

De Jeans-massa

Typisch stervormingsgebied:n = 106 cm-3 T = 100 KMJ = 30.000 MOSterren vormen in clusters n

T30.000MM 3

O

J ≈

begint in testorten

Dichtheid stijgt, maartemperatuur blijft constantEnergie wordt weggestraald

MJ neemt afinstabiliteit, fragmentatie

Protosterren bewegen in een golvende lijn „Hayashi-lijn“ naar de hoofdreeks toe.

De positie van een ster op de hoofdreeks is afhankelijk van de oorspronkelijke massa van de protoster.

In het laatste stadium van de contractie, net vóór het bereiken van de hoofdreeks, wordt het convectieve energietransport naar buiten toemeer en meer vervangen door stralingstransport

Massieve sterren worden heter, helderderen niet-convectief

Sterren met lage massa wordenlichtzwakker zonder noemenswaardigetemperatuurverandering en blijventotaal convectief

Sterren met gemiddelde massa, zoals dezon, gaan eerst de weg op van sterren metlage massa en later die van massievesterren en zijn bij aankomst op de hoofdreeks maar gedeeltelijk convectief

Bij nadering hoofdreeks: ± hetzelfde quasi-evenwicht als bij initiële collaps (buitenwaartsedruk ≈ compressie) maar voortdurend straling en warmteverlies contractie dichter,heter gravitatie tegengewerkt. Binnenste kern gaat snel van n.105 K (einde ionisatie-collaps) tot n.106 ster wordt kleiner.

Evenwicht in een protoster:gasdruk = gravitatie

Gravitatie blijft constant hoe verandert de druk?Gasdruk hangt af van

• temperatuur ( botsingen)• dichtheid ( veel deeltjes in dezelfde ruimte)

De protoster heeft 2 opties:

Optie 1: kern bereikt geen kritische temperatuurwordt geen ster „sterft“ (bruine dwerg)

Optie 2: kern bereikt kritische temperatuurkernfusie begint (H He): A star is born

Wat is een ster?

– Een ster is een zelfgraviterend systeem,– waarvan de gravitatie gecompenseerd wordt door

een drukgradiënt,– die gepaard gaat met een temperatuursgradiënt,– die onderhouden wordt door energieproductie via

kernfusie van lichte elementen.


OerknalH, He

Interstellair gas


Sterexplosie


Witte dwergen

Sterren op de hoofdreeksBetelgeuse = α-OrionisRigel = β-OrionisAldebaran = α-Tauri (RR)Antares = α-Scorpio (RSR)

Leven op de hoofdreeks

• HYDROSTATISCH EVENWICHT:interne drukkrachten = zwaartekracht

o druk neemt toe naar stercentrum ook temperatuuro samentrekking door zwaartekracht verhitting

van binnenste

• THERMISCH EVENWICHT:energiegeneratie = stralingsenergie

kernfusie(thermonucleaire reactie)

tunneleffect

kernstraal

aantrekkendekernpotentiaal

afstotende Coulomb-potentiaalU(r) ~ 1/r

Coulomb-barrière

gebo

nden

toes

tand

enqu

asi-g

ebon

den

toes

tand

en

U(r)

straal r

ATOOMKERNEN bijeengehouden doorsterke kernkracht (bereik 10-15 m)OP GROTERE AFSTAND: afstoting doorCoulombkracht (positieve ladingen)

kernen moeten dus zeer hoge energie hebbenom de Coulombbarrière te overbruggen

ONMOGELIJK?hulp van kwantummechanisch effect: tunneleffect

GEVOLG: reactiesnelheid neemt zeer sterk toe met temperatuur.

De voor fusie benodigde T neemt toe evenredig met Z1Z2

temperaturen voor kernfusie:

H-fusie : 107 K

He-fusie : 108 K

C-fusie : 6.108 K

O-fusie : 2.109 K

De zon op weg naar de hoofdreeks

• Collaps gaswolk protoster ~105 j• Compressie tot kerntemperatuur

~ 107 K en start H-fusie(protoster ster) ~107 j

• Contractie tot stabiel evenwicht ~2. 107 j • Verblijf op hoofdreeks – H-fusie,

lichtkracht neemt langzaan toe ~1010 j

Arthur Stanley Eddington(1877 – 1946)

Engels astrofysicus

RelativiteitstheorieMathematical Theory of Relativity(1911)

29 mei 1919: zonsverduisteringPrincipe (Afrika): lichtafbuiging(bevestiging algemenerelativiteitstheorie/ Einstein)

Dispuut met Chandrasekhar

20‘er jaren: „Fundamental Theory“(unificatie/ kwantummechanica,relativiteitstheorie, gravitatie)

Hans Bethe (1906 – 2005)Duits-Amerikaans fysicus

Medewerker/Manhattan Project (Los Alamos)Berekent o.a. kritische massa U-235Later fervent pacifist

Stellaire nucleosyntheseKernfusie in sterren pp- en CNO-cyclus

Nobelprijs fysica 1967

KernfysicaSupernova‘sNeutronensterrenZwarte gaten

OerknalH, He

Interstellair gas



Sterexplosie


Witte dwergen

4p + 4e 1α + 2e + 2ν + 26,7 MeV

KERNFUSIE - globale reactie:

2 cycli:

Proton-proton-cyclus (pp)Lichte sterren – T < 15.106 K

Koolstofcyclus (CNO)Massieve sterren – T > 15.106 K

waterstof(kernen) (protonen) helium(kernen) (α-deeltjes)

De pp-cyclus1H + 1H → 2H + e+ + ν2H + 1H → 3He + γ

7Be + e- → 7Li + ν7Li + 1H → 4He + 4He

(pp2)

3He + 3He → 4He + 2 1H(pp1)

3He + 4He → 7Be + γ

7Be + 1H → 8B + γ8B → 8Be + e+ + ν8Be → 4He + 4He

(pp3)

69% 31%

99,7% 0,3%

Compacte notatie pp-keten:

p(p,e++ νe)d(p,γ)3He(3He,2p)4He

Elke seconde wordt 600 ton H in He omgezet !

Lzon = 3,85.1026 W

Slechts een fractie 4,3.10-10 daarvanis voor de aarde bestemd (166.1015 W)

0,0023 % daarvan dient voor het onderhouden van leven (fotosynthese) (3,8 TW)

KERNREACTIES MAKEN DE WERELD

WIJ BESTAAN UIT STERRENSTOF

jaarM

M10L

LMM10τ

2,5O10O

O

10hoofdreeks ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡≈

(aangezien L ~ M 3,5 )

Een ster brengt ongeveer 90 % van haar levendoor op de hoofdreeks !

afhankelijk van haar massa

ZON: 10 miljard jaar

Huidige leeftijd: 5 miljard jaar

Vermogen: 3,8.1027 W

Levensloop van de zon

CNO-cyclus

j10HeCpNs82νeNO

j3.10γOpNj3.10γNpC

min14νeCNj10γNpC

441215e

1515

81514

51413e

1313

61312

+→+++→

+→++→+++→

+→+

+

+

12C(p,γ)13N(,e+ + νe)13C(p,γ) )14N(p,γ)15O(,e+ + νe)15N(p, 4He)12C

De CNO-cyclus

SiHeMgMgHeNe

NeHeOHe2MgOO

HeSiOOpPOOnSOOγSOO

28424

24420

20416

2241616

4281616

311616

311616

321616

→+

→+

→+

+→+

+→+

+→+

+→+

+→+

Koolstof-kernfusieprocessen Zuurstof-kernfusieprocessen

pNaCCγMgCC

HeHeOCCHeNeCCnMgCC

pNeCCγ MgCC

´231212

241212

44141212

4201212

231212

221112

241212

+→+

+→+

++→+

+→+

+→+

+→+

+→+

Evolutie van sterren

Als een ster aan het begin van haar leveneen massa heeft

M < 8MO, evolueert ze tot WITTE DWERG

8MO < M < 20MO NEUTRONENSTER(1,4MO R = 10 km)

M > 20MO ZWART GAT

Evolutie van sterren: 1Evolutie van sterren: 1--22--33--44--5 (lichte sterren) of5 (lichte sterren) of11--22--33--66--77--88--99--10 (zware sterren)10 (zware sterren)

OerknalH, He

Interstellair gas



Sterexplosie


Witte dwergen

Hoofdreeksster: waterstof fusioneert tot helium. Vb.: zon - na 4,5 miljard jaar H-fusie ~1/2 van totale voorraad H verbruiktmassa 330 000 X massa/aarde, diameter 110 aarddiameters, lichtkracht 4.1026 watt, oppervlaktemperatuur 5500°C

Andere hoofdreekssterren: lijken vaak op de zon, maar eigenschappen afhankelijk van de massa

zwaardere hoofdreekssterren: iets groter, veel heter en lichtkrachtigerlichtere hoofdreekssterren: iets kleiner, veel koeler en lichtzwakker

Bv.:

M ≥ 10 MO R ≈ 6 ROL ≈ 10 000 LOT(opp.) ≈ 23.000°C10 X grotere waterstofvoorraad, maar 10.000 X hoger verbruik

hoofdreeksfase slechts 1/1000 van die v.d. zon

M ≤ 0,8 MO meer dan de leeftijd / heelal nodig om te evolueren zien we dus altijd 'jong'.

Zware sterren zeldzaam (voor iedere 10 MO-ster 100 000 'zonnen') Lichte sterren zeer veel voorkomend.

Rode reusHoofdreeks: langstdurende fase / actieve leven / ster (80%)

meeste waargenomen sterren = hoofdreekssterren. Waterstoffusie in kern ster in evenwicht lichtkracht en oppervlaktemperatuur ≈constant.

Waterstofvoorraad uitgeput drastische verandering + andere chemie: kern = helemaal He, geen fusie meer He-kern trekt samen

toename druk en temperatuur net buiten de kern schil met p,T hoog genoeg schilverbranding van waterstofH uit mantel He, toegevoegd aan kern kern steeds zwaarder, compacter,

heter.

Hoge temperatuur in centrum ster dijt uit mantel koelt af, wordt convectief (energietransport d.m.v. opstijgende hete gasbellen).

Mantel helemaal convectief ster zwelt nog verder op. Oppervlak reuzenster ver v.h. hete centrum opp. koeler rood van kleur. = rode reus.

Evolutie rode reus

Typische waarden:L = 500 LO

R = 100 RO

T = 3600 K

427 lj ver, 9de helderste ster, diameter 800X dO, M = 14MO, V = 300VO

H-fusie

Pistoolnevel met Pistoolster

Ontdekking: 1990Centrum / Melkweg (rijk aan metalen)Één der helderste en zwaarste

sterren van de Locale GroepL = 106,3 = 10 miljoen X meer dan

de zonDiameter ~ straal/aardbaan om de

zonAfstand 110 AE (25000 lj)M = 150 Mzon aanvankelijk 200-250

zonnemassa’s, maar:stoot enorme massa/buitenste

schillen af(heliumverbranding voltooid)Leeftijd: 1,7-2,1 MjZal binnen 1-3 Mj exploderen tot

SN

Sterkern = C + O of O + Ne (zwaardere sterren). Vroegere buitenlagen worden nog een tijd bestraald door energierijk licht / centrale ster zichtbaar als planetaire nevel. In de voormalige sterkern nu geen fusie meer, alleen straling wegens hoge temperatuur. Geleidelijke afkoeling steeds zwakker.

= witte dwergzeer compact, dichtheid ~109 kg/m³ = 1 ton/cm³ !!!

ontaarde materie!

Overblijfsel / zon: vermoedelijk een C-O- witte dwerg met massa 0,6 MO, (onzekerheid / massaverlies door sterrenwind tijdens reuzenfase en AGB-fase). Witte dwerg van 0,6 MO diameter 0,015 RO ≈ 10 000 km. Zwaardere witte dwergen: sterkere zwaartekracht door grotere compressie kleiner.

Katoognevel NGC 6543 (in Draco)

Ringnevel NGC 6720 (M57) (in Lyra) NGC 6751 (in Aquila)

PLANETAIRENEVELS

PlanetairePlanetaire nevelnevel MZ3 , MZ3 , «« MiernevelMiernevel »» 3000 3000 -- 6000 6000 ljlj

PlanetairePlanetaire nevelnevel NGC 2392 NGC 2392 «« EskimonevelEskimonevel »» ~ 3000 ~ 3000 ljlj

Planetaire nevel NGC 6543 Planetaire nevel NGC 6543 ““KattenoognevelKattenoognevel”” (in Draak)(in Draak)

Planetaire nevel Planetaire nevel MyCnMyCn 18 18 ““ZandlopernevelZandlopernevel”” ~~ 80008000 ljlj

Planetaire nevel M57 “Ringnevel” (in Lyra, ~2600

Mira (omicron Ceti) = „de wonderlijke“

1572: Tycho Brahe „nieuwe ster!“1796: Johan Fabricius42 lj van ons700 X diameter/zonPeriode 331 dagen

Elektronen-ontaarding

(electrondegeneracy)

Op weg naar de dood: M > 2.5 MOMeerdere verbrandingscycli wegens hoge temperaturen.

3α-proces ook in de buitenste lagen.M > 8MO :C-verbranding, Ne-verbranding, O-verbranding, Si-verbranding → Fe

Er ontstaat een ui-structuur met ijzerkern:

ijzerkern / Si-verbranding

Fe

Ne-verbrandingO-verbrandingC-verbranding

He-verbranding

H-verbranding

waterstofhuls

De ster blaast zich op tot een superreus

Supernova Type-II

eνnpe +→+−

Na de Si-verbanding is er geenenergietoevoer meer → de stercollapseert tot een neutronenster(R ~ 10km!)

Het catastrofale einde van een zware ster:implosie van de kern

1. Zodra T ~ 5.109 K bereikt, wordt Fe afgebroken door de hoogenergetische γ –straling: 56Fe + γ → 13 4He + 4ndit kost energie ( koeling)2. Tegelijkertijd veel neutrino’s geproduceerd die uit de sterkern ontsnappen: nog meer energieverliezen ( koeling)3. Beide processen leiden tot plotselinge afname van de druk in het centrum van de ster: kern stort in (binnen paar minuten)4. In het centrum wordt een zeer compacte neutronenster gevormd of een zwart gat

• sterren met lage massakunnen niet aan fusiedoen voorbij He

ontaardingsdruk verhindertvoldoende contractie

• zware sterren hebbenvoldoende massa enkunnen zwaardereelementen verbranden

nooit sprake vanontaardingsdruk

• Naarmate het in sterkernbrandend element uitgeput raakt, trekt de kern samen.

• Schilbranden neemt toe, ster expandeert.

• Uiteindelijk trekt kern voldoende samen voorfusie van zwaarderelement.

• Schilbranden vertraagt en ster trekt samen.

Superreuzen

sterajuin

schillenstructuur

Ajuinen in de kosmos …

massa.

-10.000.00010.000Fe-kern

1 week50.0003.400Si

5 jaar16.0002.100O

10 jaar7.4001.600Ne

10.000 j240740C

1 miljoen j1,1190He

10 miljoen j0,00640H

TijdsduurDichtheid (kg/cm3)Temperatuur inmiljoen kelvin

Fusiemateriaal(resp. Fe)

Implosie / kern leidt tot explosie / buitenlagen:1.neutrino’s worden daar ingevangen en dragen hun

impuls over;

2. mee-vallende fusielagen produceren plotseling heel veel energie;

3. schokgolf die de buitenlagen wegslingert (104

km/s).= Supernova-explosie

1. Evolutiesporen van zware sterren zijn ongeveer horizontaal (L = constant).2. Zware sterren gaan door alle fusiefasen tot Fe-kern.3. Laatste evolutiefasen gaan heel snel.4. Als ster Fe-kern heeft stort deze in door:

- afbraak van Fe door γ-straling bij T = 3.109 K- vorming van neutrino’s die ontsnappen- druk valt daardoor weg

5. Schokgolf van binnenuit is zo sterk dat buitenlagen worden uitgestoten metsnelheid ~ 104 km/s.6. Dit zien we als supernova-explosie, tijdelijk (maanden) L > 108 LO

7. Later zien we supernova-resten, (bv. Krabnevel)8. In centrum blijft neutronenster (pulsar) of zwart gat over.

Samenvatting: het einde van zware sterren

Krabnevel (M1, NGC 1962) (Taurus)

Ontdekking 1054Pulsar 30,2 HzSupernova-restant (100 miljard X helderheid/zon)

Krabnevel (2000 pc = 6500 lj ver (?), expansie 1500 km/s)

SNR 0543-689Grote Magellaanse Wolk(ESO, 10/12/2004)

neutronen-ster

Duizend neutronenbommenen granaten, dat staat hierop rood en groen tegelijk !!!

Geen probleem, kapitein,dat is de blauwverschuiving,maar je kunt wachten, weworden hier toch niet ouder…

ρ ≈ 106 g/cm3

ρ ≈ 1014 g/cm3

Geen been te vinden hieren ik word gek van dierotatie en dat stommemagneetveld…!!!

Neutronenster

De ontdekking van pulsars

Jocelyn Bell (-Burnell) °1943

Anthony Hewish°1924

juli 1967 radiotelescopisch onderzoek

1974 Nobelprijs Fysica:Anthony Hewish – Martin Ryle

radiotelescoop toen en nu

PulsarsPulsars

1790: John Michell (Engels geoloog)Pierre Simon de Laplace (Fr.wisk.)

“onzichtbare sterren”ontsnappingssnelheid > c

1916: Karl Schwarzschild: berekening zwaartekracht voor puntmassa“waarnemingshorizon”

1939: J.Robert Oppenheimer + H.Snyder: nauwkeurige berekening uit gasbel

1963: Roy Kerr, exacte oplossing Einstein-vergelijkingen voor roterend ZG zonder lading1965: Newman e.a.: idem voor geladen ZG

1967: John Wheeler: “zwart gat” – “no hair”eenvoudig object (massa, elektrische lading,

impulsmoment)

ONTDEKKING VANZWARTE GATEN

0,001-10 AE~106-109 Mzonsuperzwaar

~103 km Raarde~103Mzonmiddelzwaar

~ 30 km~10 Mzonstellair

tot 0,1 mmtot ~Mmaanminiatuur

GROOTTEMASSA SOORT

twee types van zwarte gatentwee types van zwarte gaten

zwarte gaten ontstaanzwarte gaten ontstaanuit sterrenuit sterren

levensverwachting: 10levensverwachting: 107070 jaarjaarkort na ontstaan van het universum kort na ontstaan van het universum

primordiale zwarte gaten of primordiale zwarte gaten of ‘‘babybaby--holesholes’’biljoen kgbiljoen kggrootte van een protongrootte van een protonlevensverwachting: 15x10levensverwachting: 15x1099 jaarjaarkunnen exploderenkunnen exploderen

waarneming van de straling bevestigt oerknalmodelwaarneming van de straling bevestigt oerknalmodel

CLASSIFICATIE VAN ZWARTE GATEN (1)

SUPERMASSIEF ZWART GAT: 150.106 M (tot 18.109 MO waargenomen).Zwart Gat in centrum van onze Melkweg – 2,5.106 MO. Gevormd door accretievan materie.

STELLAIR ZWART GAT: 1,5-3 MO – uit collaps van massieve sterren:materie met nucleaire dichtheid (neutronensterren,1018 kg/m3)valt binnen zijn eigen RS bij M = 3Mo zwart gatSterren met massa > 20MO rode reus collaps, materie-uitstootwitte dwergen

OF: supernova-explosie neutronensterren zwarte gaten

PRIMORDIAAL ZWART GAT (MICRO of MINI of BABY Z.G.) : M << Msterontstaan kort na Big Bang GLAST-satelliet (NASA, 2008)

In centrum: puntvormige singulariteitRand = gebeurtenishorizon

RT + QM ZG instabiel„lekt“ Hawking-straling

CLASSIFICATIE VAN ZWARTE GATEN (2)Schwarzschild: eenvoudigste, geen rotatie, singulariteit + gebeurtenishorizonKerr (Roy Kerr, 1963): meest voorkomend, roterend, ontstaan uit roterendecollapserende ster (behoud/impulsmoment J), magneetveld

ANATOMIE:Singulariteit: gecollapseerde kern

(„kwantumschuim“ of vast ??) – fysische wetten niet meer geldig

Gebeurtenishorizoninwendige: alles daarbinnen opgezogen, geen ontsnapping mogelijkuitwendige: vontsnapping > c

Ergosfeer: eivormige regio van vervormderuimte (wegens rotatie) rond de geb.horizon(object dat ergosfeer doorkruist kan noguitgeworpen worden – energie gewonnen uitrotatie

Statische limiet: grens ergosfeer/normale ruimte Kerr-Newman

Reissner-NordströmQ ≠ 0

KerrSchwarz-schildQ = 0

J ≠ 0J = 0

Schwarzschildstraal RS

Met elke massa is een Schwarzschildstraalgeassocieerd

Als de massa samengeperst wordt tot haar Schwarzschildstraal zou zelfsde ontaardingsdruk verdere collaps niet kunnen verhinderen.

Karl Schwarzschild, 1916: exacte oplossing / Einstein-veldvergelijkingen buiteneen niet-roterend, sferisch symmetrisch lichaam.

Grensstraal vanwaar de ontsnappingssnelheid gelijk is aan de lichtsnelheid.Deze grens is de waarnemingshorizon (gebeurtenishorizon). Eenmaal daarvoorbij, kan geen enkel object ontsnappen aan de zwaartekracht.

De meeste hemellichamen hebben een Schwarzschildradius << hun eigenlijkediameter (een zwart gat heeft RS > R).

kmMM2,96

cMG2R

O2S ==

Voor de zon:

(m)M10 1,48R m/kg 10 1,48)sm(3.10

skgm2.6,67.10cG2 27-

S27-

218

21311

2 ×=⇒×== −

−−−

m2,96.10kg2.10.kgm10 1,48R 33027-

S =×=(voor de aarde: 8,87.10-3 m ≈ 9 mm)

RS volgt uit de Schwarzschild metriek.. Deze is af te leiden met de algemene Relativiteitstheorie: ds2 = (1 - 2GM/c2r) (c dt)2 - [dr2/(1 - 2GM/c2r) + (r dθ)2 + (r sin θ dφ)2].Deze metriek beschrijft de ruimte-tijd rond een massa M. Er treedt een singulariteitop als 1 - 2GM/c2r) = 0, dus, als 2GM/c2r = 1, met r = RS.

Roterend zwart gat

Roterend zwart gat

1)c(G θcosaMMrlimietstatische

aMMrstraalbuitenste

aMMrstraalbinnenste

222s

22u

22i

==

−+=

−+=

−−=

Zwart gat tegen achtergrond van sterren

Distorsie/lichtstralen aan gebeurtenishorizonMassa ~ 10MO gezien op 600 km versnelling 400.106 g

Centaurus A (gigantische galaxie), waarneming in verschillende gebieden van het elektromagnetische spectrum

Zwart gat in centrum~106 MO

jets langs as/galaxie

Cecin‘estpasun

trounoir

Zwarte gaten: praktische toepassingen

Het leven van een ster ster - Volkssterrenwacht Urania leven van een...leven dood Carina-nevel De...

Documents

Transcript of Het leven van een ster ster - Volkssterrenwacht Urania leven van een...leven dood Carina-nevel De...