AST1010 En kosmisk reise

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 16: Nøytronstjerner og sorte hull HR-diagram: Logaritmisk skala for både L og T (Ikke glem at temperaturen øker mot venstre.) Karbondetonasjon vs. kjernekollaps Fusjon kun i karbondetonasjon ikke fusjon i en kjernekollaps-supernova Kjernekollaps: Resten av stjerna fortsatt utenfor den kollapsende kjernen Karbondetonasjon: Hele den hvite dvergen kollapser 1

2 Dagens tema Navn Kommer fra Lysstyrke Etterlater seg Karbon-detonasjon Type 1a Kjernekollaps (Type 1b, 1c, 2) Par-ustabil Hvit dverg (1.4 M sol ) Stort sett alltid lik Ingenting Stjerne > 8 M sol Stjerne > M sol (men ikke alle) Varierer med stjernas masse Ca. 100 x mer enn karbondetonasjon Nøytronstjerne eller sort hull Ingenting Hva er en nøytronstjerne? Nøytronstjerner er ekstremt kompakte Eksempel: Nøytronstjerne med radius lik 10 km, samme masse som solen. Gjennomsnittstetthet = 5 x kg/m 3 En milliard ganger tettere enn en hvit dverg! En Iphone laget av nøytronstjernestoff ville ha veid 2.5 x kg, ca. 30 ganger mer enn den samlede vekten av verdens befolkning! 2

3 Kan man ta på en nøytronstjerne-bit? Fra boken What if? av Randall Munroe Den første pulsaren 3

4 Forklaring? Så flere pulsarer, perioder i ms-s-området. Må være et svært kompakt objekt. Pulserende/roterende hvit dverg ville bli revet i biter av så raske pulser/rask rotasjon. Eneste mulighet: roterende nøytronstjerne. Pulsar: Roterende nøytronstjerne med sterkt magnetfelt sender ut stråling Vi får topper i signalet når en av de magnetiske polene peker mot oss Under 8 solmasser: Ender som hvit dverg 8-25 solmasser: Ender som nøytronstjerne Mer enn 25 solmasser: Ender som sort hull 4

5 Legg merke til at mye masse går tapt i planetarisk tåke/supernova Hvit dverg/nøytronstjerne/sort hull mye mindre massiv enn opprinnelig stjerne Nøytronstjerne hvis opprinnelig stjerne veier 8-25 solmasser (Mye av stjernas masse tapt i kjernekollaps-supernova.) Hva motstår tyngdekraften? Hvit dverg: Trykk fra degenererte elektroner Nøytronstjerne: Trykk fra degenererte nøytroner Sort hull: Ingenting total kollaps 5

6 Unnslipningshastighet Hvor raskt må man bevege seg for å slippe unna gravitasjonsfeltet til et himmellegeme? Sprettert-situasjon, dvs. uten motor Også uten luftmotstand, kun tyngdekraften som bremser en ned Unnslipningshastighet Jorden: km/t Hvit dverg (1 M sol ): 23 millioner km/t Nøytronstjerne (1 M sol ): 586 milloner km/t Sort hull: Over lyshastigheten (1.08 milliarder km/t) Selv ikke lys kan unnslippe 6

7 Schwarzschild-radien Schwarzschild-radien Presser du noe sammen til en kule med denne radien, blir det et sort hull Solens Schwarzschild-radius: ca. 3 km Jorden: ca. 9 mm Foreleseren: ca m Eventhorisonten Punktet der unnslipningshastigeten er akkurat lik lysets hastighet For et sort hull er dette identisk med Schwarzschild-radien Alle massive objekter har en Schwarzschildradius, men det kalles ikke en eventhorisont før objektet presses sammen til et sort hull 7

8 To myter om sorte hull 1. De er kosmiske støvsugere som til sist vil suge til seg all masse i universet. 2. Å falle inn i et sort hull er en smertefull død. To myter om sorte hull 1. De er kosmiske støvsugere som til sist vil suge til seg all masse i universet. Langt unna et sort hull vil tyngdekraften være lik den fra en stjerne med samme masse Langt nok unna kan en gå i bane rundt et sort hull uten problemer (tyngdekraften avtar raskt med økt avstand) Å falle inn i et sort hull 8

9 Å falle inn i et sort hull Det er ikke tyngdekraften i seg selv som er farlig, men forskjellen i tyngdekraften på, for eksempel hodet og føttene. Det vil si: Tidevannskrefter! Forskjell i tyngdekraft går som 1/R 3. Sorte hull: R=2GM/c 2. Det vil si: Jo større sort hull, desto lenger inn kan du falle før tidevannskreftene dreper deg. Å falle inn i et sort hull For en observatør langt borte, vil tiden se ut til å gå stadig saktere for personen som faller inn i det sorte hullet (generell relativitetsteori) Klokke på offerets arm vil gå stadig saktere Ved horisonten til det sorte hullet vil det se ut som om tiden stopper for den som faller inn Doppler-effekt: Lyset fra personen som er frosset i tid vil bli rødere og rødere Å falle inn i et sort hull For personen som faller inn i det sorte hullet, vil egen klokke gå helt normalt Tidevannskreftene øker jevnt, men man merker ikke noe spesielt idet horisonten krysses Nær horisonten kan man imidlertid se baksiden av sitt eget hode 9

10 Hvorfor ser det sorte hullet slik ut? Warner Bros. Å falle inn i et sort hull Innenfor horisonten vil en se innover i alle retninger rundt seg (se tavle) Kan etter hver se mange kopier av ting som falt inn før en selv (se tavle) Sort hull med 1 solmasse: Maksimalt 7 mikrosekunder å falle fra horisont til sentrum Sort hull i Melkeveiens sentrum: Maksimalt 1 minutt! 10

11 Å falle inn i et sort hull Nervesignaler: ms å nå hjernen I et lite sort hull rekker man ikke å føle smerte etter å ha passert horisonten Problemet er at der vil tidevannskreftene ta knekken på deg før horisonten krysses Større sort hull: Kan krysse horisonten uten å dø, men har mer tid til å føle smerte etterpå Sorte hull i alle størrelser Supermassive sorte hull, M SOL i kjernene til aktive galakser. Mange galaksekjerner har sorte hull med masser M ~ M SOL. Middels store sorte hull M SOL. Sorte hull på noen få solmasser (mer enn 3 M SOL ) er rester etter supernovaer. Mikroskopiske sorte hull M ~ tonn kan ha blitt dannet i Big Bang fordamper - ikke påvist

12 Sorte hull kan stråle Hawking (1974): Kvantefysiske effekter nær horisonten fører til at sorte hull kan sende ut stråling. Samtidig mister de masse, tilsvarende energien i den utsendte strålingen. Sorte hull vil derfor fordampe! Men: Levetiden er ekstremt lang i normale tilfeller. Levetid som funksjon av masse M (Solmasser) R s (km) T (K) Levetid / universets alder x x x x x x x x x x x x Kun de minst massive kan ha fordampet foreløpig 12

13 Roterende sorte hull Sentralområdet i galaksen 38 Sentralområdet i galaksen: Stjernebaner AST Melkeveien 39 13

14 Sort hull i sentrum av Melkeveien Massen til sentralobjektet er ca. 4.3 millioner solmasser. Kan ikke være større enn ca. 0.3 AU (44 milloner kilometer) pga. stjernebaner. Den eneste type objekt som er kompakt nok, er et sort hull! Hvordan ble det sorte hullet dannet? Alle galakser ser ut til å ha supermassive sorte hull i sentrum. Det forskes fremdeles på hvordan de ble dannet. En naturlig tanke er at utgangspunktet var et sort hull på solmasser som har vokst seg større ved å spise masse. Utfordring: Det viser seg at sorte hull med masser rundt 1 milliard solmasser fantes allerede da universet var ca. 1 milliard år gammelt. Direkte kollaps? Kan en gass-sky kollapse direkte til et sort hull uten å bli en stjerne? En enorm gass-sky vil vanligvis brytes opp i mange stjerner (om den er kald nok) Men om gassen er varm, vil ikke dette skje Tidlig univers: Varm gass (UV-stråling) kan ha forhindret stjernedannelse direkte sort hull 14