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#8 Supernovae und sterbende Sterne

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#8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von tomS » 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.
Gruß
Tom

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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von Ray Light » 22. Jan 2011, 15:24

Lieber Tom

Schön zusammengefasst! (Den Gleichgewichtszustand der Sterne nennt man übrigens hydrostatisches Gleichgewicht, bei dem sich Gravitation des Sterns und auf ihn wirkende Zentrifugalkraft, Gasdruck und radiativer Druck die Waage halten.)

Lange Zeit sind die Supernovae Typ II nicht in den Computersimulationen explodiert. Das wurde erst gelöst, als man radiative Hydromodelle inklusive dem Netzwerk der Neutrino-Reaktionen gerechnet hat. Maßgeblich dazu beigetragen, haben die Astrophysiker am MPI für Astrophysik. Hans-Thomas Janka leitet dort die Supernova-Gruppe und hat als Experte nun ein brandneues, populärwissenschaftliches Buch zu den Sternexplosionen aus der Reihe "Astrophysik Aktuell" veröffentlicht. Siehe hier:

http://www.science-shop.de/artikel/1061094
(Inhaltsverzeichnis ist dort verlinkt)

Ich habe es noch nicht gelesen, aber ich bin mir sicher, dass es wunderbar geworden ist. Ich plane eine Rezension in meinem Weblog unter den KosmoLogs zu veröffentlichen. Mal sehen, wann ich es gelesen habe...

Beste Grüße,
Ray
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von gravi » 22. Jan 2011, 17:31

Dank an Ray für den Link!
Das Buch habe ich mir auf der Stelle bestellt, dieses Thema ist ja auch in der Tat mehr als faszinierend!

Schönen Gruß
gravi
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von tomS » 22. Jan 2011, 19:48

Es soll aus der Reihe ja weitere sehr gute Bücher geben ...

Kannst du mal kurz zusammenfassen, wie derartige Simulationen fernab von allen Gleichgewichtszuständen funktionieren? Ich kenne Rechenmethoden zur Lösung partieller Differentialgleichungen (Multigrid u.ä.), Monte-Caro Simulationen (z.B. Gittereichtheorie), aber das passt ja alles nicht, wenn derartige Transportprozesse ins Spiel kommen.
Gruß
Tom

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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von Ray Light » 22. Jan 2011, 20:20

Lieber Tom

Zur Numerik möchte ich Dich an eines der Janka-Papers verweisen, z.B. hier Marek & Janka (2008)

http://arxiv.org/pdf/0708.3372v2

Die numerische Methode wird in Kap. 2 vorgestellt, im Prinzip wird eine Boltzmann-Gleichung gelöst. Auf S. 30 sieht man in Abb. 4 wie der kollabierenden Stern sich auf der Zeitskala von wenigen hundert Millisekunden aufschaukelt und schließlich explodiert. Sehr lesenswert an dem Paper - und das war auch das Neue - ist eine Instabilität namens SASI, die den Beginn der Explosion einleitet.

Weil diese Arbeit unter Beteiligung unseres Clusters geschah, gab es auch eine verständlichere Pressemeldung dazu hier:

http://www.universe-cluster.de/press/pr ... en-Anlauf/

Dort sind auch Filme gelinkt:

http://www.rzg.mpg.de/visualisation/sci ... imulations

All das wird Thomas auch im "Astrophysik Aktuell"-Buch sehr kompetent erklären.

Beste Grüße,
Ray
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von tomS » 23. Jan 2011, 16:51

Nach der kurzen Einführung wollte ich nochmals auf die Klassifizierung der Supernovae eingehen, die (leider) anhand des sichtbaren Spektrums und nicht anhand der Explosionsmechanismen vorgenommen wird (letztere wurden erst wesentlich später verstanden).

Betrachten wir zunächst eine Typ-II sowie die Typ-Ib und Typ–Ic Supernova: Den Explosionsmechanismus habe ich im wesentliche schon beschrieben. Im Falle des Typs II erfolgt die Explosion, während in den äußeren Schichten noch unverbrauchter Wasserstoff vorhanden ist, während bei den Typ-Ib und –Ic Supernovae die Wasserstoffschicht (sowie bei Ic auch noch die Heliumschicht) abgestoßen wurden, so dass deren Spektren fehlen.

Nun zum Typ Ia: Im Gegensatz zu den anderen Typen entsteht hier die Supernova nicht aufgrund des verbrauchten Kernbrennstoffs, sondern aufgrund des kontinuierlichen Massenzufluss von einem engen Doppelstern. Ein weißer Zwerg zieht dabei von seinem Begleiter Materie (Gas, Plasma) ab, und wird so kontinuierlich schwerer, bis die Gravitation den thermischen Druck übersteigt und somit der Stern kollabiert. Im Gegensatz zum vorher beschriebenen Explosionsszenario ist immer ausreichend Brennstoff vorhanden, es entsteht kein zentraler Eisenkern und somit auch kein Neuronenstern oder gar ein schwarzes Loch. Vielmehr reißt die Explosion den gesamten Stern auseinander, ohne dass ein Rest übrigbleibt.

Das Interessante an diesen Typ-Ia-Supernovae ist, dass sie durch den kontrollierten Massenzufluss untereinander nur geringe Abweichungen bzgl. Explosion und Helligkeit haben, so dass ihre Leuchtkraft immer annähernd gleich ist und sie sich hervorragend als sogenannte „Standardkerzen“ eignen. Entdeckt man eine derartige Supernova, so kennt man automatisch ihre Leuchtkraft und dann damit sehr gut ihre Entfernung (und damit z.B. die der sie beheimatenden Galaxie) bestimmen. Bei den anderen Supernova-Typen ist dies nicht ohne weiteres möglich, da Variationen in der Helligkeit nicht eindeutig der unterschiedlichen Entfernung oder der unterschiedlichen Leuchtkraft zugeschrieben werden können.

So, als nächstes möchte ich dann auf die kompakten Restobjekte näher eingehen …
Gruß
Tom

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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von gravi » 25. Jan 2011, 19:32

Gerade halte ich das von Ray erwähnte Buch von Hans-Thomas Janka in den Händen.
Lesen konnte ich es noch nicht - es ist gerade mal 10 min "alt" - aber allein das Durchblättern zeigt schon recht deutlich, dass sich die paar Euros als Investition lohnen. Gestandene Physiker sind dort allerdings weniger angesprochen als wir übrigen "Normalsterblichen". Für letztere aber jede Menge Wissen um die Vorgänge um Supernovae.

ich werde mich dann mal in eine gemütliche Ecke zurück ziehen...

Gruß
gravi
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von Ray Light » 25. Jan 2011, 20:07

Na dann viel Spaß beim Lesen, gravi!

Und für nach der Lektüre: Eine Buchbesprechung hier im Forum wäre sicher für viele interessant. ;)

Beste Grüße,
Ray
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von gravi » 31. Jan 2011, 18:28

Zunächst mal habe ich festgestellt: Das ist kein Buch für schnelles Lesen. Da ich noch anderweitig beschäftigt bin, geht es leider nur langsam voran.
Zwar habe ich noch nicht viel Neues erfahren, aber Wissen um die Dinge wird in Hülle und Fülle geboten. Lohnt sich wirklich!

Gruß
gravi
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Alexander

Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von Alexander » 13. Jun 2011, 23:21

Ich denke die Frage passt hier gut rein. Ich habe mich heute gefragt, wie die Rechnung aussieht, anhand der man von der gemessenen Helligkeit einer Supernova auf deren Entfernung schließen kann. Ich habe mir folgendes überlegt, aber ich glaube, das ist falsch.
Wie macht man das?

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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von gravi » 14. Jun 2011, 19:45

Zunächst einmal ist Supernova nicht gleich Supernova - es gibt da viele verschiedene Typen, die einerseits von der Masse abhängig sind, auf der anderen Seite von der Art der Sternexplosion.

Es könnte also ein massereicher Stern explodiert sein - wenn man dann nicht vorher seine Masse bestimmt hatte, nutzt einem die gemessene Helligkeit gar nix.
Wenn es aber eine Supernova Ia ist, dann ist die Sachlage einfacher. Es handelt sich um einen Weißen Zwerg, der von einem Begleiter Materie abzieht. Nun gibt es für einen Weißen Zwerg eine obere Massengrenze (Chandrasekhar- Grenze)- darüber hinaus müsste er zum Neutronenstern kollabieren. Wenn der Zwerg nun aber fleißig Materie akkretiert - normalerweise Wasserstoff - so wird dieser auf der Oberfläche sich ansammeln, immer weiter komprimiert und irgendwann setzt die Kernreaktion ein. Und zwar nicht nur die des Wasserstoffs, sondern, weil sich der Stern an der oberen Massengrenze befindet, zündet auch der Kohlenstoff im Kern. Die Bedingungen dazu wurden durch die Massenzunahme geschaffen.

Dieser Kohlenstoffflash ist nun aber so gewaltig, dass der ganze Stern zerrissen wird. Näheres nachzulesen unter
http://abenteuer-universum.de/sterstern ... a.html#sn1

Diese Explosion geht nun stets von gleich schweren Sternen aus und es zeigt sich eine sehr typische Helligkeitskurve.
Wenn man diese erkennt, kann man anhand der gemessenen Leuchtkraft auf die Entfernung schließen. Dies ist nun recht genau, weshalb die Astronomen die SN Ia als Standardkerze benutzen.

Schönen Gruß
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von seeker » 15. Jun 2011, 08:39

Siehe auch hier:

http://de.wikipedia.org/wiki/Standardkerze

Beste Grüße
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von Alexander » 15. Jun 2011, 18:34

Man muss also ggf. vorher die Masse des Sterns bestimmen, wenn es keine Supernova vom Typ 1a ist. Aber wie stellt man das nun an? Mit den Keplerschen Gesetzen?

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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von gravi » 15. Jun 2011, 19:01

Das ist wohl eher selten möglich, höchstens bei sich umkreisenden Doppelsternen.

Aber eine Ableitung der Masse ist aus der so genannten Masse- Leuchtkraft- Beziehung erhältlich.
Die stammt einerseits aus vielen Beobachtungsdaten, andererseits aus der theoretischen Betrachtung des Sternaufbaus.
Das sind zwar keine 100%ig genauen Werte, aber dennoch gute Näherungen. Auch kann man auf die Masse aus dem Spektraltyp oder der Temperatur schließen.

Hier noch weitere Infos:

http://de.wikipedia.org/wiki/Masse-Leuc ... -Beziehung

Schönen Gruß
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von seeker » 15. Jun 2011, 21:45

Die Sache mit den Standardkerzen bleibt jedenfalls spannend.
Man wünscht sich natürlich die Genauigkeit dieser Messungen noch zu verbessern, denn sehr genau sind sie heute noch nicht.

Bisher glaubte man, dass Supernovaexplosionen vom Typ Ia deshalb sehr gute Werte liefern, weil man die Masse des explodierenden Sterns sehr genau kennt:
Der weiße Zwerg akkreditiert Masse von einem nahen roten Riesen, bis er die Chandrasekhar-Grenze (das ist eine bestimmte Masse-Grenze) überschreitet, durch seine Eigengravitation zu kollabieren beginnt und dann explodiert.
Glaubt man dem nachfolgenden Video macht dieses Szenario nach neueren Erkenntnissen aber nur ca. 5% der beobachteten SN Ia-Explosionen in elliptischen Galaxien aus.
Der größere Teil dieser SN wird anderen Ursachen zugeschrieben. Aktuell wird z.B. diskutiert, dass zwei nahe weiße Zwerge verschmelzen.

Das Video dazu gibt es hier zu sehen:
http://www.youtube.com/watch?v=NYmKlI_scMM
http://www.youtube.com/watch?v=NYmKlI_scMM


Grüße
seeker
Zuletzt geändert von seeker am 17. Jun 2011, 21:10, insgesamt 2-mal geändert.
Grüße
seeker


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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von gravi » 17. Jun 2011, 20:11

Nun sieh aber auch... :wink:

Gruß
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Re: #8 Supernovae und sterbende Sterne

Beitrag von seeker » 17. Jun 2011, 21:11

Super! Danke gravi! :well:
Grüße
seeker


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