AST1010 En kosmisk reise. Innhold. Stjernedød i to varianter 10/13/15. Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull

Transkript

1 AST1010 En kosmisk reise Forelesning 15: Hvite dverger, nøytronstjerner og sorte hull 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 Stjernedød i to varianter LeIe stjerner (M < 8 solmasser): Når heliumfusjon i kjernen sluier, 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 fortseier opp Vl jern eier at heliumfusjon sluier. EIer deie kollapser kjernen, sjokkbølge blåser av de ytre lagene i en supernovaeksplosjon. Kjernen ender opp som enten en nøytronstjerne eller et sort hull. 1

2 Pauliprinsippet og fermigasser Pauli: To idenvske parvkler med halvtallig spinn kan ikke være i samme (kvante)vlstand. I vår sammenheng: I en gass med elektroner eller nøytroner, kan ikke midlere bevegelsesenergi være lik null ved T=0. En elektron/nøytrongass utøver et trykk ved T = 0! T > 0 T = 0 2

3 Hvite dverger er kompakte Eksempel: Hvit dverg med radius lik 10 4 km og samme masse som solen. GjennomsniIsteIhet = 5 x 10 8 kg/m 3 En Iphone laget av hvit dverg- stoff ville ha veid 25 tonn! Nova Hercules 1934 AST Stjernenes sluistadier 9 3

4 Novamekanismen 10 Chandrasekhar- massen I hvite dverger balanseres tyngdekredene av trykkgradienten i den degenererte elektrongassen. Men dersom massen blir for stor, klarer ikke elektrongassen å balansere tyngdekredene. Øvre grense for hvor tung en hvit dverg kan være kalles Chandrasekhar- massen. Den er omtrent 1.4 solmasser. Supernovaer av type Ia Samme masseoverføringsmekanisme som gir novaer kan bringe en hvit dverg over Chandrasekhargrensen. Vil begynne å kollapse, teihet og temperatur vil øke, fusjon av karbon og oksygen antennes eksplosivt. Hele stjerna eksploderer, fusjonsbombe på 1.4 solmasser! Standard lyskilde: Kan brukes Vl å bestemme avstander. Godt synlige selv i gerne galakser. 4

5 Hva er en nøytronstjerne? Zwickys supernovarester Nøytronstjerner er ekstremt kompakte Eksempel: Nøytronstjerne med radius lik 10 km, samme masse som solen. GjennomsniIsteIhet = 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! 5

6 Den første pulsaren 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 6

7 AST Variable stjerner, pulsarer, sorte hull Endring i perioden - glitch 21 7

8 10/13/15 Hulse og Taylors dobbeltpulsar 24 8

9 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 Vden ville stoppe ved Schwarzschildradien: frossen stjerne. TeoreVsk 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 Vl at muligheten ble tai alvorlig igjen. John Wheeler døpte de frosne stjernene om Vl sorte hull. Newtonske sorte hull l 26 Schwarzschildradien R s = 2GM 3 c 2 M km M sol 9

10 To myter om sorte hull De er kosmiske støvsugere eller superslurpere som Vl sist vil suge Vl seg all masse i universet. Å falle inn i et sort hull er en smertefull død. Begge påstander er gale! Stabile sirkelbaner rundt et sort hull 10

11 Å falle inn i et sort hull Å falle inn i et sort hull Det er ikke tyngdekraden i seg selv som er farlig, men forskjellen i tyngdekraden på, for eksempel hodet og føiene. Newton: forskjell i tyngdekrad 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 Vdekredene dreper deg. Masse Radius (Solmasser (km) ) Fall3d (s) Au- radius (R s ) Au- 3d (s) x x x x x x x x x x x x år! 6 x

12 Sorte hull i alle størrelser Supermassive sorte hull, M SOL i kjernene Vl akvve 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 eier supernovaer. Mikroskopiske sorte hull M ~ tonn kan ha blii dannet i Big Bang fordamper - ikke påvist. Sorte hull har en endelig levevd. 34 Sorte hull kan stråle Hawking (1974): Kvantefysiske effekter nær horisonten fører Vl at sorte hull kan sende ut stråling. SamVdig mister de masse, svarende Vl energien Vl den utsendte strålingen. Sorte hull vil derfor fordampe! Men: LeveVden er ekstremt lang i normale Vlfeller. Informasjonsparadokset Hawkingstrålingen er av sort legeme- type. Forteller derfor bare om temperaturen. Informasjon om materien som var utgangspunktet for det sorte hullet, og om parvkler som har falt inn i det, ser ut Vl å gå tapt. DeIe er i strid med kvantefysikken. Mange mener det finnes en løsning, men det er ingen enighet om nøyakvg hva den er. 12

13 M (Solmasser) R s (km) T (K) Leve3d / universets alder x x x x x x x x x x x x Sorte hull roterer 13

14 Neste forelesning: Eksoplaneter og levng eier liv 14