AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

2 Innhold Oppsummering av stjernedød Pauliprinsippet og degenererte gasser Hvite dverger, novaer og supernovaer av type Ia Nøytronstjerner og pulsarer Sorte hull i teori og praksis

3 Stjernedød i to varianter Lette stjerner (M < 8 solmasser): Når heliumfusjon i kjernen slutter, kastes gass av i flere omganger. Vi ender opp med en planetarisk tåke og en utbrent kjerne som består av karbon og oksygen. Tunge stjerner (M > 8 solmasser): Fusjon i kjernen fortsetter opp til jern etter at heliumfusjon slutter. Etter dette kollapser kjernen, sjokkbølge blåser av de ytre lagene i en supernovaeksplosjon. Kjernen ender opp som enten en nøytronstjerne eller et sort hull.

4 Pauliprinsippet og fermigasser Pauli: To identiske partikler med halvtallig spinn kan ikke være i samme (kvante)tilstand. I vår sammenheng: I en gass med elektroner eller nøytroner, kan ikke midlere bevegelsesenergi være lik null ved T=0.

5 En elektron/nøytrongass utøver et trykk ved T = 0! T > 0 T = 0

6

7

8 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!

9 Nova Hercules 1934 AST Stjernenes sluttstadier 9

10 Novamekanismen 10

11 Chandrasekhar-massen I hvite dverger balanseres tyngdekreftene av trykkgradienten i den degenererte elektrongassen. Men dersom massen blir for stor, klarer ikke elektrongassen å balansere tyngdekreftene. Øvre grense for hvor tung en hvit dverg kan være kalles Chandrasekhar-massen. Den er omtrent 1.4 solmasser.

12 Supernovaer av type Ia Samme masseoverføringsmekanisme som gir novaer kan bringe en hvit dverg over Chandrasekhargrensen. Vil begynne å kollapse, tetthet og temperatur vil øke, fusjon av karbon og oksygen antennes eksplosivt. Hele stjerna eksploderer, fusjonsbombe på 1.4 solmasser! Standard lyskilde: Kan brukes til å bestemme avstander. Godt synlige selv i fjerne galakser.

13 Hva er en nøytronstjerne?

14 Zwickys supernovarester

15 Nøytronstjerner er ekstremt kompakte Eksempel: Nøytronstjerne med radius lik 10 km, samme masse som solen. Gjennomsnittstetthet = 5 x kg/m 3 En Iphone laget av nøytronstjernestoff ville ha veid 2.5 x kg, ca. 30 ganger mer enn den samlede vekten av verdens befolkning!

16 Den første pulsaren 16

17 17

18 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. 18

19 AST Variable stjerner, pulsarer, sorte hull 19

20 20

21 Endring i perioden - glitch 21

22 Hulse og Taylors dobbeltpulsar

23

24 24

25 Sorte hull: En kort historikk John Michell (1783): Mørke stjerner Karl Schwarzschild (1916): Løsning av GR for en kuleformet massefordeling. Inneholdt en singularitet. Einstein og Eddington (bl.a.) trodde ikke singulariteten ville forekomme i virkeligheten. Oppenheimer og Volkoff (1939): Øvre grense for nøytronstjernemasser. Oppenheimer og Snyder (1939): Beregnet hvordan implosjonen av en ustabil stjerne ville se ut utenfra. Fant at tiden ville stoppe ved Schwarzschildradien: frossen stjerne. Teoretisk gullalder på 50- og 60-tallet. Kerr-løsningen for et roterende sort hull, Newman-løsningen for et sort hull med ladning. Oppdagelsen av pulsarer i 1968 og av Cygnus X1 førte til at muligheten ble tatt alvorlig igjen. John Wheeler døpte de frosne stjernene om til sorte hull.

26 Newtonske sorte hull l 26

27 Schwarzschildradien R 2GM s c 2 3 M km M sol

28 To myter om sorte hull De er kosmiske støvsugere eller superslurpere som til sist vil suge til seg all masse i universet. Å falle inn i et sort hull er en smertefull død. Begge påstander er gale!

29

30 Stabile sirkelbaner rundt et sort hull

31 Å falle inn i et sort hull

32 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. Newton: forskjell i tyngdekraft går som 1/R 3. Samme resultat i GR. Sorte hull: R=2GM/c 2. Det vil si: Jo større sort hull, desto lenger inn kan du falle før tidekreftene dreper deg.

33 Masse (Solmasser ) Radius (km) Falltid (s) Auradius (R s ) Au-tid (s) x x x x x x x x x x x x år! 6 x

34 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 3xM SOL ) er rester etter supernovaer. Mikroskopiske sorte hull M ~ tonn kan ha blitt dannet i Big Bang fordamper - ikke påvist. Sorte hull har en endelig levetid. 34

35 Sorte hull kan stråle Hawking (1974): Kvantefysiske effekter nær horisonten fører til at sorte hull kan sende ut stråling. Samtidig mister de masse, svarende til energien til den utsendte strålingen. Sorte hull vil derfor fordampe! Men: Levetiden er ekstremt lang i normale tilfeller.

36

37 M (Solmasser) R s (km) T (K) Levetid / universets alder x x x x x x x x x x x x

38 Sorte hull roterer

39 Neste forelesning: Eksoplaneter og leting etter liv