AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 16: Hvite dverger, supernovaer og nøytronstjerner

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 16: Hvite dverger, supernovaer og nøytronstjerner

2 Små stjerner (< 2 solmasser): Heliumglimt

3 Gassen er degenerert

4 Degenerert gass Oppstår ved svært høytetthet (hvis temperaturen er lav nok) Vanlig gass utvider seg når den blir varmere bremser fusjon noe Det gjør ikke degenerert gass ukontrollert fusjon Når løpsk fusjon får temperaturen høy nok, slutter gassen å være degenerert og begynner å oppføre seg normalt igjen

5 Solens ferd på HR-diagrammet etter hovedserien

6 Rask overgang gap nesten uten stjerner her

7 Større stjerner mer direkte til kjempestadiet

8 Røde dverger à blå dverger? (blåses ikke opp)

9 Men hva skjer etter dette?

10 Solen: Asymptotisk kjempegren Hydrogen (ikke fusjon) H à He Helium (ikke fusjon) C, O (ikke fisjon) He à C, O

11 Skallbrenning både av hydrogen og helium: Enormt strålingstrykk Hydrogen (ikke fusjon) H à He Helium (ikke fusjon) C, O (ikke fusjon) He à C, O

12 I tillegg er stjerna svært stor: Svak gravitasjon ved overflaten (massen er jo uendret) Hydrogen (ikke fisjon) H à He Helium (ikke fusjon) C, O (ikke fusjon) He à C, O

13 Planetarisk tåke (< 8 solmasser) Stort strålingstrykk og lite gravitasjon De ytre lagene av stjerna slynges ut Dette foregår i flere omganger: Stjerna pulserer Til slutt er nesten all stjernas masse slynget ut i rommet

14 AST Stjernenes sluttstadier 14

15 AST Stjernenes sluttstadier 15

16 AST Stjernenes sluttstadier

17 AST Stjernenes sluttstadier 17

18 Varmere og varmere lag kommer til syne

19 Hva blir igjen? Når resten av stjerna slynges ut, blir trykket lavere i stjernas indre Fusjon i skallene opphører (stjerna slukkes ) Vi står igjen med en naken, varm kjerne som sakte avkjøles En HVIT DVERG

20 Luminositeten går ned når fusjonen stanser

21 Hvit dverg: Ikke stjerne (ingen fusjon), men varm stjernerest

22 Solen som hvit dverg: På størrelse med Jorden

23 Hvite dverger er kompakte Eksempel: Hvit dverg med radius lik 10 4 km og samme masse som solen. Gjennomsnittstetthet = 5 x 10 8 kg/m 3 En Iphone laget av hvit dverg-stoff ville ha veid 25 tonn!

24 Nært eksempel: Sirius B

25 De fleste hvite dverger: Sakte nedkjøling til sort dverg

26 Men ikke alle!

27

28 Dobbeltstjerne: Hvit dverg + rød kjempe Rød kjempe: Ytterste lag løst bundet til stjernen Hvit dverg: Svært kompakt og relativt massiv (en hvit dverg på 1 solmasse har radius 1.5 ganger jordens) Resultat: Gravitasjonskrefter fra dvergen vil suge til seg gass fra den røde kjempestjernen

29 Nova Hydrogengass fra kjempen går i en spiral (skive) innover mot den hvite dvergen Dermed varmes gassen kraftig opp Til slutt kan hydrogenet fusjonere, og den hvite dvergen øker kraftig i lysstyrke for en kort periode ( Nova betyr ny stjerne.)

30 Nova Hercules 1934 AST Stjernenes sluttstadier 30

31 Novamekanismen 31

32 Mer om degenerert gass Hvorfor kollapser ikke den hvite dvergen pga. gravitasjon? Ikke strålingstrykk (ingen fusjon) I en hvit dverg er materien degenerert (svært kompakt, ikke for varmt) Elektroner i degenerert gass setter opp et trykk som balanserer tyngdekraften!

33 Chandrasekhar-grensen (1.4 solmasser) Jo tyngre en hvit dverg er, jo mindre blir den! (mot normalt) Dette skyldes degenerert gass Tyngdekraften blir mer ekstrem jo mer materien pakkes sammen Ved 1.4 solmasser klarer ikke lenger degenerasjonstrykket fra elektronene å holde den hvite dvergen stabil: Den kollapser

34 Supernova type 1a Hvit dverg rett under Chandrasekhargrensen (nesten 1.4 solmasser) Suger til seg hydrogen fra rød kjempestjerne i nærheten Kommer dermed over Chandrasekhar-grensen Den hvite dvergen kollapser!

35 Supernova type 1a Den hvite dvergen kollapser! I løpet av kollapsen blir det tett og varmt nok til at C/O-kjernen begynner å fusjonere Kollapsen skjer så raskt at hele dvergen fusjonerer på en gang. En fusjonsbombe på 1.4 solmasser!

36 Supernova type 1a Kan også oppstå om to hvite dverger kolliderer (og til sammen veier mer enn 1.4 solmasser) Dette er faktisk det mest sannsynlige scenariet Det kan hende at nova-mekanismen fjerner masse fra den hvite dvergen. I så fall er dette eneste måte å få en supernova type 1a på!

37

38 (Svar: Supernovaen er ca. en milliard ganger kraftigere.) Fra boken What if? av Randall Munroe

39 Burde vi være bekymret for Sirius A og B? SN 1006A: lysår unna Sirius: 8.6 lysår unna Men: Sirius A er ikke en rød kjempe (før om 700 millioner år) Ingen grunn til panikk foreløpig J By NASA, ESA, H. Bond (STScI), and M. Barstow (University of Leicester) CC BY 3.0,

40 Men hva med stjerner større enn 8 solmasser? Disse stjernene er massive nok til å holde på de ytre lagene Ingen planetarisk tåke à ingen hvit dverg Fortsetter fusjon til tyngre og tyngre grunnstoffer opp til jern (Tyngre enn jern: Mister energi ved fusjon. Prosessene stanser her.)

41 En massiv stjerne like før sin død

42 Kjerne av jern og skallbrenning i mange lag

43 Jernkjernen Legger stadig på seg pga. fusjon i skall rundt Men ikke strålingstrykk innenfra (ingen fusjon i jernkjernen) Resultat: Jernkjernen kollapser til slutt!

44 Jernkjernens kollaps Energien som frigjøres i kollapsen splitter kjernen i elektroner, protoner og nøytroner (tidligere fusjon reverseres) Degenererte elektroner klarer ikke å stanse denne kollapsen Elektroner fanges inn: p + + e à n + ν ( (nøytroner og nøytrinoer) Degenererte nøytroner klarer å stoppe kollapen brått!

45 Kollapsen bråstopper: Sjokkbølge Kjernen (som nå består av nøytroner) stanser kollapsen brått Resten av stjerna faller ned på kjernen Sjokkbølgen fra denne kollisjonen brer seg utover i stjerna Nøytrinoene som ble dannet i kjernen (se forrige lysark) kolliderer med den tette materien og gir sjokkbølgen et ekstra dytt

46

47 Nøytrinoer (må ikke forveksles med nøytroner) Vanligvis går de nesten alltid rett gjennom annen materie (f. eks. jordkloden og mennesker) Hvis det er enormt mange av dem, og materien har ekstremt høy tetthet, vil vi likevel få mange kollisjoner I en kjernekollaps-supernova skjer dette: Du kan få en dødelig dose nøytrinostråling på en avstand av 2.3 AU

48 Om du altså av en eller annen grunn overlever selve eksplosjonen, vil altså selv nøytrinoene kunne drepe deg. Fra boken What if? av Randall Munroe

49 ??? By ESA/Hubble, CC BY 3.0,

50 Tre typer supernova Navn Kommer fra Lysstyrke Etterlater seg Karbon-detonasjon Type 1a Hvit dverg (1.4 M sol ) Stort sett alltid lik Ingenting Kjernekollaps (Type 1b, 1c, 2) Stjerne > 8 M sol Varierer med stjernas masse Nøytronstjerne eller sort hull Par-ustabil Stjerne > M sol (men ikke alle) Ca. 100 x mer enn kjernekollaps Ingenting

51 Hva er en nøytronstjerne?

52 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!

53 Kan man ta på en nøytronstjerne-bit? Fra boken What if? av Randall Munroe

54 Den første pulsaren

55

56 Forklaring? Så flere pulsarer, perioder i ms-s-området. Må være et kompakt objekt. Pulserende/roterende hvit dverg ville bli revet i biter av så raske pulser/rask rotasjon. Eneste mulighet: roterende nøytronstjerne.

57 Pulsar: Roterende nøytronstjerne med sterkt magnetfelt sender ut stråling

58 Vi får topper i signalet når en av de magnetiske polene peker mot oss

59 Under 8 solmasser: Ender som hvit dverg 59

60 8-25 solmasser: Ender som nøytronstjerne 60

61 Mer enn 25 solmasser: Ender som sort hull (neste forelesning) 61

62 Legg merke til at mye masse går tapt i planetarisk tåke/supernova 62

63 Hvit dverg/nøytronstjerne/sort hull mye mindre massiv enn opprinnelig stjerne 63

64 Neste forelesning: Galakser og sorte hull