#8 Supernovae und sterbende Sterne
Verfasst: 22. Jan 2011, 15:07
Hallo liebe Abenteurer!
Es wird Zeit, diesen Teil des Forums wieder mal zu reaktivieren.
Bevor man verstehen kann, was eine Supernova ist und warum Sterne teilweise in einer großen Explosion „sterben“, muss man zunächst mal verstehen, warum dies während des Lebens der Sterne nicht passiert. Warum ist ein Stern eigentlich über Jahrmilliarden extrem stabil, obwohl doch enorme Energien freiwerden und auch Materie abgegeben wird? Der Grund ist – vereinfacht gesagt – ein näherungsweise vorhandenes thermisches Gleichgewicht. Durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium, der sogenannten Fusion, werden enorme Energiemengen frei, die einem Kollaps des Sternes aufgrund seiner eigenen Gravitation entgegenwirken. Während die Gravitation das heiße Plasma zusammenpresst, treibt die freiwerdende Energie das Plasma auseinander. In der Frühphase der Sternentstehung entsteht so ein Gleichgewichtszustand, der den Stern über einen langen Zeitraum stabilisiert.
Im Falle der Supernova, dem Tod eines alten und insbs. sehr großen Sternes wird dieses Gleichgewicht instabil und bricht letztlich zusammen. Dazu verweise ich auch auf Wikipedia, woraus ich auch den folgenden Text auszugsweise übernommen habe.
Nachdem der Wasserstoff im Kern des Sternes zu Helium fusioniert ist, setzt ein neuer Fusionsprozess ein, in dem Helium über das Zwischenprodukt Beryllium zu Kohlenstoff fusioniert. Dies wird möglich, da der Stern durch den im Inneren wegfallenden Gegendruck zusammenzufallen beginnt, wodurch sich Temperatur und Dichte erhöhen und so diese neue Fusion zünden können. In der folgenden Fusionsstufe, dem sogenannten Kohlenstoffbrennen, entsteht wiederum bei noch höherer Temperatur und Druck Sauerstoff. Die dabei frei werdende Energie garantiert weiterhin einen Inneren Gegendruck und stabilisiert der Stern gegen den Kollaps. Im Folgenden beginnt der Stern immer weiter zu schrumpfen, wobei die freiwerdende Energie weiterer Fusionsstufen, in denen immer schwere Elemente entstehen, seine vorübergehende Stabilität garantieren.
Beim Eisen stoppt die Fusionskette, da Eisenatomkerne die höchste Bindungsenergie aller Atomkerne haben und eine weitere Fusion Energie verbrauchen statt erzeugen würde. D.h. dass mit dem Eisen der Kernbrennstoff verbraucht ist und keine Energie mehr frei wird, die dem durch die Gravitation getriebenen Kollaps entgegenwirken könnte.
Die aufeinanderfolgenden Fusionsstufen laufen immer schneller ab. Während ein massereicher Stern von etwa acht Sonnenmassen einige zehn Millionen von Jahren braucht, seinen Wasserstoff zu Helium umzuwandeln, benötigt die folgende Umwandlung von Helium in Kohlenstoff „nur“ noch wenige Millionen Jahre. Die Dauer der letzten Phase, in der Silizium zu Eisen fusioniert, lässt sich in Stunden bis Tagen messen.
Der eigentliche Kollaps der inneren Regionen des Sternes läuft innerhalb von Millisekunden ab, so dass die Einfallgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit des Sternenmediums übersteigt. Sobald der innere Kern des Sterns dabei eine Dichte vergleichbar mit Atomkernen erreicht (er besteht nun fast ausschließlich aus Neutronen) wird er aufgrund quantenmechanischer Regeln absolut inkompressibel. Eine weitere Verdichtung ist nicht mehr möglich und der Kollaps wird schlagartig gestoppt. Dies bewirkt eine gigantische Druck- und Dichteerhöhung im Zentrum. Diese Druckwelle wird am Neutronenkern reflektiert und läuft nun wiederum nach außen, wobei sie die noch kollabierende Materie weiter außen liegender Schichten stoppt und als Stoßwelle nach außen mitreist. Das von der Stoßfront durchlaufene Material wird extrem stark zusammengepresst und erreicht sehr hohe Temperaturen.
Innerhalb dieser Stoßfront ist die Dichte so hoch, dass die Wechselwirkung der Neutrinos mit der Materie wichtig wird. Insbs. geben die bei der Neutronenentstehung im Kern freigewordenen hochenergetischen Neutrinos ihre Energie innerhalb der Stoßfront an die normale Materie ab.
Die Supernova kommt also letztlich dadurch zustande, dass die in Form schneller Neutrinos freiwerdende Energie effektiv absorbiert wird und so die weitere Explosion treiben kann.
Einige Stunden nach dem Kollaps des Zentralbereichs erreicht die Stoßfront die Oberfläche des Sterns, die Gasmassen werden in der nun sichtbaren Supernovaexplosion abgesprengt. Die Hülle der Supernova erreicht dabei Geschwindigkeiten von Millionen Kilometern pro Stunde.
Die Beschreibung ist nur ein kurzer Auszug; eine Supernovaexplosion ist durchaus noch wesentlich komplexer und bis heute nicht vollständig verstanden. Trotzdem, wenn Interesse besteht, kann ich gerne noch weitere Details erklären und auf andere Szenarien bei sterbenden Sternen eingehen. Insbs. die verschiedenen Typen von Supernovae (Typ Ia, Ib, Ic und II) sind interessant.
Es wird Zeit, diesen Teil des Forums wieder mal zu reaktivieren.
Bevor man verstehen kann, was eine Supernova ist und warum Sterne teilweise in einer großen Explosion „sterben“, muss man zunächst mal verstehen, warum dies während des Lebens der Sterne nicht passiert. Warum ist ein Stern eigentlich über Jahrmilliarden extrem stabil, obwohl doch enorme Energien freiwerden und auch Materie abgegeben wird? Der Grund ist – vereinfacht gesagt – ein näherungsweise vorhandenes thermisches Gleichgewicht. Durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium, der sogenannten Fusion, werden enorme Energiemengen frei, die einem Kollaps des Sternes aufgrund seiner eigenen Gravitation entgegenwirken. Während die Gravitation das heiße Plasma zusammenpresst, treibt die freiwerdende Energie das Plasma auseinander. In der Frühphase der Sternentstehung entsteht so ein Gleichgewichtszustand, der den Stern über einen langen Zeitraum stabilisiert.
Im Falle der Supernova, dem Tod eines alten und insbs. sehr großen Sternes wird dieses Gleichgewicht instabil und bricht letztlich zusammen. Dazu verweise ich auch auf Wikipedia, woraus ich auch den folgenden Text auszugsweise übernommen habe.
Nachdem der Wasserstoff im Kern des Sternes zu Helium fusioniert ist, setzt ein neuer Fusionsprozess ein, in dem Helium über das Zwischenprodukt Beryllium zu Kohlenstoff fusioniert. Dies wird möglich, da der Stern durch den im Inneren wegfallenden Gegendruck zusammenzufallen beginnt, wodurch sich Temperatur und Dichte erhöhen und so diese neue Fusion zünden können. In der folgenden Fusionsstufe, dem sogenannten Kohlenstoffbrennen, entsteht wiederum bei noch höherer Temperatur und Druck Sauerstoff. Die dabei frei werdende Energie garantiert weiterhin einen Inneren Gegendruck und stabilisiert der Stern gegen den Kollaps. Im Folgenden beginnt der Stern immer weiter zu schrumpfen, wobei die freiwerdende Energie weiterer Fusionsstufen, in denen immer schwere Elemente entstehen, seine vorübergehende Stabilität garantieren.
Beim Eisen stoppt die Fusionskette, da Eisenatomkerne die höchste Bindungsenergie aller Atomkerne haben und eine weitere Fusion Energie verbrauchen statt erzeugen würde. D.h. dass mit dem Eisen der Kernbrennstoff verbraucht ist und keine Energie mehr frei wird, die dem durch die Gravitation getriebenen Kollaps entgegenwirken könnte.
Die aufeinanderfolgenden Fusionsstufen laufen immer schneller ab. Während ein massereicher Stern von etwa acht Sonnenmassen einige zehn Millionen von Jahren braucht, seinen Wasserstoff zu Helium umzuwandeln, benötigt die folgende Umwandlung von Helium in Kohlenstoff „nur“ noch wenige Millionen Jahre. Die Dauer der letzten Phase, in der Silizium zu Eisen fusioniert, lässt sich in Stunden bis Tagen messen.
Der eigentliche Kollaps der inneren Regionen des Sternes läuft innerhalb von Millisekunden ab, so dass die Einfallgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit des Sternenmediums übersteigt. Sobald der innere Kern des Sterns dabei eine Dichte vergleichbar mit Atomkernen erreicht (er besteht nun fast ausschließlich aus Neutronen) wird er aufgrund quantenmechanischer Regeln absolut inkompressibel. Eine weitere Verdichtung ist nicht mehr möglich und der Kollaps wird schlagartig gestoppt. Dies bewirkt eine gigantische Druck- und Dichteerhöhung im Zentrum. Diese Druckwelle wird am Neutronenkern reflektiert und läuft nun wiederum nach außen, wobei sie die noch kollabierende Materie weiter außen liegender Schichten stoppt und als Stoßwelle nach außen mitreist. Das von der Stoßfront durchlaufene Material wird extrem stark zusammengepresst und erreicht sehr hohe Temperaturen.
Innerhalb dieser Stoßfront ist die Dichte so hoch, dass die Wechselwirkung der Neutrinos mit der Materie wichtig wird. Insbs. geben die bei der Neutronenentstehung im Kern freigewordenen hochenergetischen Neutrinos ihre Energie innerhalb der Stoßfront an die normale Materie ab.
Die Supernova kommt also letztlich dadurch zustande, dass die in Form schneller Neutrinos freiwerdende Energie effektiv absorbiert wird und so die weitere Explosion treiben kann.
Einige Stunden nach dem Kollaps des Zentralbereichs erreicht die Stoßfront die Oberfläche des Sterns, die Gasmassen werden in der nun sichtbaren Supernovaexplosion abgesprengt. Die Hülle der Supernova erreicht dabei Geschwindigkeiten von Millionen Kilometern pro Stunde.
Die Beschreibung ist nur ein kurzer Auszug; eine Supernovaexplosion ist durchaus noch wesentlich komplexer und bis heute nicht vollständig verstanden. Trotzdem, wenn Interesse besteht, kann ich gerne noch weitere Details erklären und auf andere Szenarien bei sterbenden Sternen eingehen. Insbs. die verschiedenen Typen von Supernovae (Typ Ia, Ib, Ic und II) sind interessant.