Supernova Typ 2

[warsteiner52]

Ich hätte noch ne Frage bzw. einen Zweifel an der geltenden Theorie der Supernova Typ 2.
Die Theorie besagt, daß mangels Brennstoff der Kern plötzlich in sich zusammenstürtzt, und danach die verbliebenen Hüllen auf die Oberfläche dieses Neutronenkerns stürtzen und von dieser abprallen ! Durch Verdichtungen in den äußeren Hüllen werden hier noch zusätzliche Kernfusionen gezündet, die aber (so habe ich es verstanden) nicht die Hauptenergiequelle der Explosion darstellen.
Mir will die Reihenfolge von Ursache und Wirkung nicht einleuchten!
Wir haben einen roten Überriesen mit ca 30 Sonnenmassen und einem ca 2 Sonnenmassen schweren Kern in ca Erdgröße.
Dieser Kern fällt plötzlich in sich zusammen, innerhalb von Millisekunden und dabei entstehen die Neutronen aus Elektronen und Protonen mit einem beachtlichen Massendefekt, der als Strahlung und Neutrinostrom ausgesendet wird. Die Implosion des Kerns bleibt bei ca 10 km Radius ruckartig stehen, da die Atomkerndichte erreicht ist. 99% der Energie einer Supernova werden durch Neutrinos transportiert, diese haben aber auf die restlichen Hüllen des Sterns keinen Einfluß. Nun fallen die restliche Hüllen des Stern dem Kern hinterher und werden von der Oberfläche des Kerns reflektiert und erreichen 30 000 km/s als Fluchtgeschwindigkeit. Diese Protonen und Elektronen , bzw Atomkerne sollen also mit dieser Geschwindigkeit auf die Neutronensternoberfläche treffen und wie ein Billardball reflektiert werden? Und der gerade gebildete Neutronenstern reagiert auf diesen Einfall von ca 27 Sonnenmassen ( ok, sagen wir, nur die innersten Schalen, also vielleicht 4 Sonnenmassen) mit stoischer Ruhe? Die Fluchtgeschwindigkeit eines Neutronenstern beträgt ca 100 000 km/s . Also selbst wenn die herabstürzenden Teilchen ideal reflektiert werden, reichen doch 30 000 km/s nicht aus!
Ein mir Laien logischer erscheinendes Szenario wäre zB, wenn in dem Bereich knapp über dem ausgebrannten Kern eine, warum auch immer, entstandene Explosion den Kern zu einem Neutronenstern zusammenpreßt und gleichzeitig den Rest des Stern in die Umgebung bläst, sodaß nur geringe Mengen an Materie später auf diesen Auf den Punkt gebracht, würde ich meinen, nicht die Implosion des Kerns ist der Auslöser der Supernova, sondern eine Explosion außerhalb des Kerns.
Gruß

[gravi]

Das ist eine Super- Antwort, Sculletto, prima erklärt.

Ich muss aber zugeben, dass es mir neu ist, dass der Neutronenstern bis auf 10 Km zusammen sackt, um dann wieder auf die Endgröße zu expandieren. Ich dachte bisher, dass bereits bei Erreichen der 25 Km der Druck des entarteten Neutronengases so groß ist, dass der Stern nicht mehr komprimierbar ist.

Kannst Du evtl. Quellen nennen, wo ich Näheres nachlesen kann?

Gruß
gravi

[warsteiner52]

Hallo Sculetto,
das hört sich für mich erstmal etwas elastischer an, aber wenn ich mich recht entsinne, hat ein Neutronenstern im Normalzustand etwa einen Radius von 10 km.
Warum sollte er sich auf 25 km Radius ausdehnen wollen? Um danach wieder auf 10 km zurückzufallen?
Gruß

[wilfried]

Tag zusammen

zwei sehr schöne Arbeiten (leider nicht ganz leicht zu lesen) über Physik der Neitronensterne als auch über langsam und schnell rotierende Neutronensterne sind:

http://crunch.ikp.physik.tu-darmstadt.d ... uswein.pdf

http://fias.uni-frankfurt.de/helmholtz/ ... hen_07.pdf

Netten Gruß

Wilfried

[seeker]

@Warsteiner und alle Interessierten:

Ich empfehle dir, dir auch mal durchzulesen, was Wiki dazu sagt. Das ist aufschlussreich, besonders der Abschnitt "Kernkollaps"!
http://de.wikipedia.org/wiki/Supernova

Auszug (mit Hervorhebungen meinerseits):

Der Kollaps des Zentralgebiets geschieht so schnell – innerhalb von Millisekunden –, dass die Einfallgeschwindigkeit bereits in 20 bis 50 km Abstand zum Zentrum die lokale Schallgeschwindigkeit des Mediums übersteigt. Die inneren Schichten können nur aufgrund ihrer großen Dichte die Druckinformation schnell genug transportieren. Die äußeren Schichten fallen als Stoßwelle in das Zentrum. Sobald der innere Teil des Kerns Dichten auf nuklearem Niveau erreicht, besteht er bereits fast vollständig aus Neutronen. Neutronenansammlungen besitzen ebenfalls eine obere Grenzmasse (Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze, je nach Modell ungefähr 2,7 bis 3 Sonnenmassen). Damit nun eine Supernova entstehen kann, darf diese Grenzmasse nicht von dem entstehenden Neutronenkern überschritten werden. Der Kern wird aufgrund quantenmechanischer Regeln (Entartungsdruck) inkompressibel, und der Kollaps wird fast schlagartig gestoppt. Dies bewirkt eine gigantische Druck- und Dichteerhöhung im Zentrum, so dass selbst die Neutrinos nicht mehr ungehindert entweichen können. Diese Druckinformation wird am Neutronenkern reflektiert und läuft nun wiederum nach außen. Die Druckwelle erreicht rasch Gebiete mit zu kleiner Schallgeschwindigkeit, die sich noch im Einfall befinden. Es entsteht eine weitere Stoßwelle, die sich jedoch nun nach außen fortbewegt. Das von der Stoßfront durchlaufene Material wird sehr stark zusammengepresst, wodurch das Material sehr hohe Temperaturen erlangt (Bethe, 1990). Ein großer Teil ihrer Energie wird beim Durchlaufen des äußeren Eisenkerns durch weitere Photodesintegration verbraucht. Da die nukleare Bindungsenergie des gesamten Eisens etwa gleich der Energie der Stoßwelle ist, würde diese ohne eine Erneuerung nicht aus dem Stern ausbrechen und keine Explosion erzeugen. Als Korrektur werden noch die Neutrinos als zusätzliche Energie- und Impulsquelle betrachtet. Normalerweise wechselwirken Neutrinos mit Materie so gut wie nicht. Jedoch bestehen in der Stoßfront so hohe Dichten, dass die Wechselwirkung der Neutrinos mit der Materie nicht mehr vernachlässigt werden kann. Da von der gesamten Energie der Supernova der allergrößte Teil in die Neutrinos geht, genügt eine relativ geringe Absorption, um den Stoß wiederaufleben und aus dem kollabierenden Eisenkern ausbrechen zu lassen.

Aha! Druck, der von Neutrinos übertragen wird! So etwas war mir völlig neu. Wieder etwas gelernt!

Grüße
seeker

[wilfried]

Guten Tag zusammen

sculetton schreibt:

Code: Alles auswählen

Auf Seite 25-30 findet sich auch eine Energiebetrachtung. Interessant: der Kollaps des Kerns zu Neutronensterndichte setzt 3*1046 Joule an Energie frei, davon werden nur 0,5*1046  Joule zum Auseinanderreißen des Sterns benötigt. Leider wird da nicht erklärt, wie bei einem harten Kern die beim Kernkollaps frei werdende Energie in kinetische Energie der Stoßwelle umgesetzt wird.

a sind solche Energien in der Tat für uns nicht mehr vorstellbar!

b) habe ich eine Literatur aus Tübingen, welche den Prozess erklären kann:

http://tobias-lib.uni-tuebingen.de/fron ... 2534&la=de

Das ist zwar durchaus "hardcore" Physik, aber für die Fachleute unter uns sehr aufschlussreich.

@Sculetto: da ich zur Zeit mit meinen Vorlesungen -Vorberitung derselben und der zugehörigen Übungen- ein wenig zu tun habe, wärst Du so nett und könntest dies paper mal durchforsten, ob meine Annahme, dass es die Fragen der Stosswellenenergie Herkunft klärt. Es wäre auch toll, wenn Du eine kurze Zusammenfassung dazu hier schreiben könntest.

Netten Gruß

Wilfried

[gravi]

Puh, das ist ja eine Menge an Stoff, die zu lesen ist!

Zunächst mal besten Dank für die vielen interessanten Links!

Gruß
gravi

[gravi]

In diesem Kontext hat unser (warsteiner ) eine Frage aufgeworfen, auf die ich noch keine rechte Antwort gefunden habe:

Vereinfacht gesagt werden ja bei der Bildung eines Neutronensterns die Elektronen in die Protonen gedrückt, woraus dann Neutronen entstehen. In Hinsicht auf den Massendefekt sehe ich jetzt 2 Szenarien:

Das entstandene Neutron ist leichter als die Summe der Ausgangsprodukte (e + p) - eben durch den Massendefekt,

Das entstandene Neutron ist schwerer als die Summe der Ausgangsprodukte, weil durch die Einwirkung der Gravitation bei diesem Prozess Energie zugeführt wird.

Hat jemand eine korrekte und plausible Antwort?

Gruß
gravi

[warsteiner52]

Hi gravi,
Ich habs Dir ja schon geschrieben, also ich denke die Sache ist eindeutig:
das Neutron hat eine um 0,0833% höhere Masse als die Summe von Elektron + Proton !
Gruß

[seeker]

In dem PDF steht, dass allein durch den Elektroneneinfang 1,6 x 10^45 J an Energie absorbiert werden.
Was bedeutet das nun?
Bedeutet es nicht, dass die Neutronenproduktion sehr viel Energie "schluckt"?
Ich vermute, dass die dazu notwendige Energie am Ende aus der Gravitation kommt. Genauer: Der Kern kollabiert ja und fällt dadurch in einen tiefen Gravitations-Potentialtopf hinein. Es wird daher Energie frei. Der entstehende hohe Druck ist u.a. die Folge davon, der wiederum für die Neutronisation verantwortlich ist.
Kann man das so sagen?

Viele Grüße
seeker

[warsteiner52]

Ist das Problem im Grunde nicht ganz einfach zu lösen?
Energie verschwindet nie, entweder wird sie in eine andere Enegieform umgewandelt, oder sie wird zu Masse.
Im Fall der Supernova werden (nach http://www-ik.fzk.de/~drexlin/astro10/AT22.pdf )1,6 x 10^45 J durch Elektroneneinfang absorbiert, weil eine entsprechende Masse entsteht. Eben genau die Mehr-masse der entstehenden Neutronen.
Wenn ich sehr grob die Masse des Neutronensterns mit 3* 10^30 kg annehme und davon widerum sehr grob 50% Protonen-und Elektronenmasse, dann entsteht durch die Verbindung zu Neutronen ein Massenzuwachs von rund 2,5*10^27 kg. Die Entstehung dieser Masse verbraucht (nach E=mc²) 1,1*10^44 J .
Der Wert im obigen link ist zwar um den Faktor 10 höher, es wird aber auch nicht auf deren Berechnung eingegangen.
Gruß
Warsteiner

[warsteiner52]

@sculletto
Ich verstehe nicht was Du meinst mit "der Elektroneneinfang kostet keine extra Energie" auf dieser Seite steht doch eindeutig:

Elektroneneinfang an Kernen:
absorbierte Energie E(EC) = 1,6x10^45 J

Es ging doch um die Frage von gravi, ob nun bei der Bildung von Neutronen Energie in Masse umgewandelt wird, oder umgekehrt.
Gruß warsteiner

[warsteiner52]

Hallo sculletto
ich fürchte, wir reden irgendwie aneinander vorbei, und da ich vieles noch nicht richtig verstanden habe, wird das wohl an mir liegen. Ich beschäftige mich jetzt erst mal mit den vielen links von Dir und anderen, die größtenteils sehr interessant sind.
Gruß warsteiner

[warsteiner52]

Das Problem Neutronenstern läßt mich einfach nicht los!
Die Bilder von SN 1987 A haben mich zu Gedanken angeregt!
Bisher wurde (soweit ich weiß) noch nie auf die Rotation bei einer Supernova eingegangen.
Wenn der entstehende Netronenstern mit einer Rotationszeit von Millisekunden entsteht, kann man doch davon ausgehen, daß diejenigen Masseteile, die am Äquator einschlagen und die größte Rotationsgeschwindigkeit mitbringen, wohl auch nicht zur selben Zeit ankommen, wie die Massen aus Polnähe. Diese dürften den Kern vorher eher ein bis mehrfach umrunden, bevor sie ihren Impuls auf die Oberfläche abgeben. Das mag zwar alles auch sehr schnell gehen, aber es wird einen Zeitunterschied geben. Ich stelle mir einen Brei vor, der schnell rotiert und durch die Gravitation zusammengezogen wird. Zuerst klatschen die Polregionen aufeinander und da ihre kinetische Energie sehr hoch ist, wird der entstehende Kern wohl plattgedrückt, denn vom Äquator ist noch kein großer Gegendruck zu erwarten, da die Ankunft noch dauert und außerdem durch die Zentrifugalkraft hier der Gegendruck nicht so groß sein kann. Wie bei einem Eierkuchen quillt deshalb ein großer Teil der Pol-Materie erstemal in die Äquatorebene. Nach und nach kommt das restliche Material am Äquator an, aber ohne die große Einschlagkraft wie an den Polregionen, da sie mit einem flachen Winkel auftreffend.
Der Zustrom an den Polen versiegt, aber das Material dieses Zustroms ist ja zu den Äquatorregionen weggequetscht worden. Die in Äquatornähe flach eintreffenden Massen üben ja keinen sehr starken Druck Richtung Zentrum aus und bilden eine Art Reifen. Damit hätten wir zwischenzeitlich einen Neutronenstern, der einem Roh-Pizzateig sehr ähnlich sieht. Eigentlich ähnlich einer Spiralgalaxie , nur ohne Priralarme. Und der Äußere Bereich wäre zu einem Reifel aufgeblasen. (sh Bild 1)
Es wird ja so sein, daß mit diesem Bild sprich dieser Form noch nicht zu 100 % das Aussehen der Bilder von SN 1987A zu erklären ist, aber bisher habe ich noch nirgends einen Versuch der Erklärung gelesen.
Die einfallenden Massen der Hüllen treffen also auf eine Oberfläche, die irgenwie einem Scheinwerfen ( natürlich auch in entgegengesetzte Richtungen ) entspricht, und werden in einer Art Trichterform reflektiert. Wenn sich später die gesamte Masse des Neutronestern beruhigt hat, wird sie die erwartete Form (leichter Diskus) einehmen, aber diese Form ist dann nicht mehr für die spektakulären Bilder der Supernova verantwortlich.
Das wäre eine mögliche Erklärung für den Ablauf einer Supernova, von einem Laien.
Wenn jemand irgendwelche anderen Erklärungen für die Trichter bzw Ringe bei eta-Carina oder SN 1987A kennt würde ich die gerne erfahren.
Gruß
warsteiner

[gravi]

Deine Überlegung, warsteiner, finde ich recht gut!
Na klar, wenn der Eisenkern in Sekundenbruchteilen kollabiert, nimmt er natürlich den ganzen Drehimpuls mit und der entstandene Neutronenstern rotiert im Millisekundenbereich. Inwieweit das jetzt einen Einfluss auf die im freien Fall einstürzende Hülle hat ist mir nicht ganz klar. Es ist denkbar, dass hier Effekte wie das frame-dragging zum Zuge kommen und damit die herabstürzende Materie zunächst in eine Rotation zwingt. Ebenso kann ich mir aber auch vorstellen, dass der ganze Stern in sich zusammensackt ohne Rücksicht darauf, was nun Pol oder Äquator ist.

Zusätzlich kann man noch überlegen, was das extreme Magnetfeld mit der einfallenden Materie macht - das wäre vermutlich ein Problem der magneto-hydrodynamischen Betrachtung.

Um aber nochmals auf meine Frage zurück zu kommen: Wenn ich es jetzt richtig kapiert habe, ist also in jedem Fall das entstandene Neutron schwerer als die Ausgangsprodukte, allein durch die Fermi- Energie?

Gruß
gravi

[warsteiner52]

also meiner Meinung nach hat das Gewicht eines Neutrons nichts mit der Fermi-Energie zu tun. Das Gewicht von Neutron, Proton und Elektron ist einfach immer konstant und in Wikipedia nachzulesen. Ich laß mich aber gern eines besseren belehren.
Gruß warsteiner

[seeker]

@gravi:
Ich nehme folgende Position ein:

Die Produktion von Neutronen aus Protonen und Elektronen braucht definitiv Energie.
Warum (und wann) läuft sie dann trotzdem ab?

Du kennst dich doch mit Chemie aus...
Also Gegenfrage: Warum (und wann) laufen endotherme Reaktionen in der Chemie ab?
Denke an die freie Enthalpie. Solche Reaktionen laufen nur ab, wenn die Temperatur (und/oder der Druck bei Druckverringerung durch die Reaktion) hoch genug ist.


Wenn negativ ist läuft die Reaktion freiwillig ab.
Siehst du?

Bei der Neutronenproduktion (p + e -> n) wird es im Prinzip genauso sein...
ist hier positiv, die Reaktion ist also endotherm. Also muss diesen Betrag übersteigen, damit die Summe negativ wird.
Bei der Reaktion entstehen aus zwei druckwirksamen Teilchen ein Teilchen - der Druck nimmt also durch die Reaktion ab (=> ).
Eine solche Reaktion wird ablaufen, wenn der Druck hoch genug ist und genügend Aktivierungsenergie (durch hohe Temperatur) zur Verfügung steht.

Der Energielieferant, um den nötigen Druck und die nötige Temperatur zu erzeugen ist die freiwerdende Gravitationsenergie.
So erkläre ich mir das. Die Sache mit dem Fermidruck stelle ich dabei nicht in Zweifel. Ich verwende nur einen anderen Ansatz.

Grüße
seeker

[gravi]

Eure Argumente sind sicher alle richtig!

Mir ist es auch klar, dass unter bestimmten Umständen ein energetisch günstigerer Zustand erreicht werden kann.
Die Frage ist nur, ob man das noch unter den Bedingungen heranziehen kann, unter denen sich ein Neutronenstern bildet.

Ich glaube nicht, dass es hier für die Elektronen noch die Auswahlmöglichkeit gibt, energetisch günstiger oder nicht - unter solchen Druckverhältnissen müssen sie in die Protonen!

Nun, wenn das Neutron schwerer ist wie seine Ausgangsprodukte, könnte man dann sagen, dass dem Neutron zusätzliche Bindungsenergie durch die Gravitation aufgezwungen wird? Das könnte mir dann endlich einleuchten
Diese wäre dann ja der gesuchte Massenzuwachs...

Netten Gruß
gravi

[warsteiner52]

Bei meinen Nachforschungen zum Thema Supernova (uA) tauchen für mich immer mehr Fragen auf. Vielleicht kann jemand die eine oder andere davon einfach erklären !
1. Pulsar ist ein Neutronenstern, der ein starkes Magnetfeld besitzt. Wie kann er ein Magnetfeld besitzen, wo doch keine Elektronen und auch keine Dipole (Eisenatome) da sind ? Gibt es dazu eine erklärende Theorie, oder nimmt man einfach die Beobachtungen als Tatsachen hin ?
2. bei http://de.wikipedia.org/wiki/Kosmische_Strahlung steht, daß die kosmische Teilchenstrahlung größtenteils aus Protonen besteht und als Beispiel wird die Energie eines dieser Protonen mit 10^15 eV angegeben. Wenn ich die maximale Energie eines Protons (bei Lichtgeschwindigkeit) errechne mit E=mc² dann erhalte ich 1,5^-10 J entspricht 9,4^8 eV . Wie kann es da den oben genannten Wert geben, der rund 1 Mio mal größer ist? Habe ich mich verrechnet?
Gruß warsteiner

[seeker]

Zu 2.:
Mit E=mc^2 errechnest du die Energie, die der Ruhemasse des Protons zugeordnet werden kann.
Bei deinen schnellen Protonen kommt aber noch die kinetische Energie der Protonen hinzu.
Klassisch ist E(kin) = 1/2mv^2. Bei dieser Geschwindigkeit muss man das aber relativistisch berechnen.
Ich denke, das können dir andere besser erklären, wie das geht.
Interessant dabei ist, dass dies die Ruhemasse bei weitem überschreitet - das schnelle Proton ist damit auch viel schwerer als ein ruhendes Proton.

Grüße
seeker

[Maclane]

Ich hoffe, ich sag jetzt nichts falsches, aber ich glaube, die Formel ging in etwa so:



Wobei p für den Impuls steht (also Masse mal Geschwindigkeit) und m ist die Ruhemasse.

Vor ein paar Jahren hat uns tensor das mal ganz wunderbar (und leicht verständlich) hergeleitet. Aber der Beitrag von damals ist weg. Vielleicht erbarmt sich ja nochmal einer....

Gruß
Mac

[warsteiner52]

Danke sculletto
Tja , die Formel E=mc² ist so berühmt , daß ich dachte, sie wäre in diesem Fall anwendbar. Mit Deiner richtigen Formel paßt es natürlich besser, und ein Problem ist damit gelöst.
Gruß warsteiner

[warsteiner52]

ich hab Spaß an der Idee mit den Simulationen, und so völlig abwegig scheint die Form des Neutronensterns nicht zu sein.
zu sehen auf :
http://picasaweb.google.de/lh/photo/DyN ... directlink
Es fehlt noch die Rotation und an der Form will ich auch noch arbeiten.
Auch wenn sich später rausstellt, das ganze ist Unsinn, ist es doch eine nette Übung mit meinem Programm.
Das Video ist mit Divx kodiert und deshalb sehr klein, eventuell muß man den Codec laden.

[gravi]

Sieht super aus! Bravo, gefällt mir!
Ja, entwickle das mal weiter, vielleicht auch mit einer größeren Anzahl an Punkten, die der Stern darstellen sollen.
Da wird dann noch ein richtig gutes Video daraus!

Danke für Deine Mühen!

Gruß
gravi

[warsteiner52]

Danke gravi,
Hallo sculletto,
Ich habe nur die Gravitationenergie der Hüllen berücksichtigt und somit einen schon bestehenden Neutronenkern angenommen. Die Gravitationsenergie, die bei der Supernova zu über 90% in Neutrinos umgesetzt wird, kann sicher zu einem Teil als Rückfederung und somit Beschleunigung der Hüllen angenommen werden.
Mir ging es bei der Simulation nur darum, daß die Form des Neutronenkerns ausschlaggebend für die beobachteten Formen der Supernovareste.
Programmiert ist bei der Simulation eigentlich nichts, soll heißen, nicht in einer Programmiersprache. Ich habe ein 3D Programm (Carrara), mit dem ich beruflich arbeite, hier gibt es die Möglichkeit, viele Partikel als Gruppe zu erstellen, und von verschiedenen Kräften beeinflussen zu lassen. Dazu kann man noch an einigen Eigenschaften wie Masse, Luftwiderstand und Aufpralldämpfung drehen. Das ganze ist also kein spezielles Programm für Vielkörpersimulationen, aber ausreichend für solche kleinen Videos. Ich muß hier zugeben, daß ich auch ein wenig tricksen mußte, denn wenn ich die Gravitationskraft nicht rechtzeitig ausschalte, dann gibt es keine Explosion, sondern nur ein immer kleiner werdendes Aufblähen. Was ja eigentlich auch Sinn macht, aber der tatsächlichen Beobachtung widerspricht. Ich könnte auch so argumentieren, daß die Gravitationskraft kompensiert wird durch den Neutrinodruck oder was auch immer.
Ob ich die Rotation noch mit darstellen kann, weiß ich noch nicht, aber die Form des Kerns ist zB noch nicht optimal und die Zahl der Partikel will ich noch erhöhen.
Gruß warsteiner