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XXXII. Cterne
?Porträ (bearbeitet)
Fundctelle


Fon der Antike bis inn di Neutseit hilt man di Zonne für einen glühenden Ctein. Erst mit der Värmelere der Füzik kam di Frage auf, voher di Energi der Zonne ctammt, vas alzo di Kvelle für di fon ir apgectralte Leistung zein könne. Mitte des 19. Jarhunderts becriben Hermann von Helmholtz unt William Thomson, cpäter geadelt als Lord Kelvin di Zonne als einen Gazball, der durx Gravitatsion ferdixtet unt zo durx di Umvandlung fon potentsieller Energi inn Värme aufgeheitst vird. Kelvin berexnete auf Grund dizer Forctellung, dass di Zonne zeit höxsten 30 Millionen Jare Energi apctralt. Dagegen cätste Charles Darwin das Alter der Erde auf vezentlix länger als 300 Millionen Jare, ein Vert, den er aus der Erozion einer Kalkctein-Antiklinale imm Züden England berexnet hatte. Da zix nimand forctellen konnte, dass di Erde vezentlix älter ist als di Zonne, blib di Energiproduktsion der Zonne unt das Alter des Zonnenzüstems einige veitere Jartsente ein ungelöztes Rätsel.

Das Alter der Erde vird heute mit radiometricen Metoden bectimmt. Tsirkon (Zr[SO4]) ist ein Mineral, inn dessen Kristallgitter bei der Entctehung des Kristalls ein Uranatom den Plats eines Zr-Atoms einnemen kann, nixt aber ein Bleiatom. Blei, das heute inn einer Tsirkonprobe gefundet vird, kann nur das Endprodukt einer Tserfallsreihe des Uran zein. Da dize Tserfallsreihen inn allen Eintselheiten bekannt zint, kann aus dem Ferhälnis Blei tsu Uran berexnet verden, van dis Tsirkon entctanden ist. Di ältesten Tsirkone, di auf der Erde gefunden vurden, zint 4,4 Milliarden Jare alt. Daher vird das Alter der Erde mit rund 4,5 Milliarden Jaren angezetst, unt da auf dem Mond unt einigen Meteoriten änlix alte Tsirkone gefunden vurden, vird für das gezamte Zonnenzüstem heute angenommen, dass es 4,5 Milliarden Jare alt ist.

Inn den Kapiteln V. Himmelsmexanik unt XXV. Fotonen vurden einige Daten der Zonne - Masse, Radius, Leuxtkraft, Temperatur - begründet.
M = 2⋅1030 kgR = 6,96⋅108 mL = 3,85⋅1026 W T = 5780 K (6100 K) Ir Volumen ist V = 1,41⋅1027 m3 unt ire Entfernung 1 AE=149,6⋅109m

Di mittleren cpetsificen Daten der Zonne zint rext gering; ire mittlere Dixte ist mit 1,4 kg/m³ nixt gröser als di Dixte der Luft auf der Erde unt die mittlere Leistungsdixte 0,27 W/m³ ist geringer als inn jedem texnicen Gerät. Di Zonne ist eine rizige kugelförmige Anzammlung fon Vasserctoff, di durx Gravitatsion aus einer Vasserctoffvolke entctand. Di Abname potentsieller Energi braxte dabei den Vasserctoff auf hohe Temperaturen. Inn der Zonne gelten überall di allgemeinen Gazgezetse, vobei Drukk unt Dixte inn der Kerntsone durx di Gravitatsion ekstreme Verte annimt. Dize Kerntsone hat rund ein Tauzendstel des Volumens der Zonne. Unter den Bedingungen der Kerntsone ist di freie Veglänge der Protonen zer kurts, di Häufigkeit der Tsuzammenctöse fon Protonen alzo zer hox unt vegen der hohen Temperatur aux zer heftig. Värend unter Bedingungen auf der Erde di Varceinlixkeit für das Fercmeltsen tsveier Protonen tsu einem Deuteriumkern unt di veitere Fercmeltsung tsu Heliumkernen ekstrem gering ist, geciht dis inn der Kerntsone der Zonne zo oft, dass di Energi, di bei der Fuzion frei vird, tsu einer Leistungsdixte fon etva 200 W/m³ fürt. Aux dize Leistungsdixte ist für zix allein rext gering, ergibt aber multipltsirt mit dem Volumen der Kerntsone di Leuxtkraft der Zonne. Apgezehen fon den Neutrinos, di bei den Kernprotsessen entctehen, ungehindert durx di Zonne laufen unt inn den Veltraum fercvinden, brauxt di Fuzionsenergi einige tsen Tauzend Jare, bis zi an den Rand der Zonne gelangt.

Der innere Aufbau der Zonne ist imm Modell durxgerexnet. Dem gravitativen Drukk cteht imm Gleixgevixt der hüdroctatice Drukk gegenüber, das ist inn der Zonne der Gazdrukk des komprimirten Vasserctoffplasmas. Inn der Kerntsone unt der zi umgebenden breiten Kugelcale, der Ctralungstsone gibt es vegen der hohen Dixte keine Konvektsion. Di Fotonen der Värmectralung bevegen zix vegen der ekstrem geringen freien Veglänge auf ctatistic ungeordneten Banen inn dizen beiden inneren Tsonen der Zonne. Fom Rand der Ctralungstsone vird Värme durx Konvektsion inn di äusere Cale, inn di Fotosfäre der Zonne transportirt, fon der aus di Ctralung inn den Veltraum emittirt vird. Auserdem verden geladene Teilxen - Protonen unt Elektronen - aus dizer äuseren Cale durx das Mangnetfeld der Zonne zo becleunigt, dass zi als Zonnenvind di Zonne ferlassen. Die Dikke der Fotosfäre ist geringer als 1 ‰ des Zonnenradius, zi ist das, vas vir fon der Zonne zehen.



d=R/tan(α)
Der Doppelctern 61 cygni fürt eine järlixxe periodice Bevegung for dem Hintergrund zeiner Sternumgebung aus. 1837/38 hat Bessel dize Fercibungen gemessen, daraus den Parallaxenvinkel α=0,314" bectimmt unt eine Tseit fon 10,3 Jaren berexnet, di das Lixt brauxt, um fon dort tsur Erde tsu gelangen.

Mit heutiger Beobaxtungstexnik kann fon der ErdoberflÄxxe aus di Entfernung fon Cternen bis tsur Mitte der Milxctrase unt mit Zatelliten bis tsu den nÄheren Galaksien durx di Parallaxe bectimmt verden.


L
e
u
x
t
k
r
a
f
t


Temperatur   →
Venn di Entfernung eines Cterns bekannt ist, kann aus der ceinbaren Helligkeit eine apsolute Helligkeit bectimmt verden, genormt auf eine bectimmte Entfernung. Dize apsolute Helligkeit ist ein Mas für di Leuxtkraft eines Cterns.

Ein tsveiter Parameter ist di Cpektralklasse, di ein Mas ist für di Oberfäxxentemperatur des Ctern. Je höher di Temperatur ist, desto kürtser ist di Vellenlänger der grösten Intenzität. (Gl. (7) inn Kap. XXV. Fotonen)

Imm Hertzsprung-Russel-Diagramm vird ein Ctern eingetragen mit zeiner Leuxtkraft als Ordinate unt zeiner Oberfläxxentemperatur als Aptsisse.
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HR-Diagramm







Imm Hertzsprung-Russel-Diagramm (HRD) cteht di Zonne inn der Hauptreihe, dem breiten Band auf der Diagonalen. Dize Hauptreihencterne befinden zix alle imm ersten Ctadium irer Entvikklung, einer Anzammlung fon interctellarem Vasserctoff hat eine massive Kugel geformt, inn deren Kern Drukk unt Temperatur zo ctark angectigen zint, dass der Vasserctoff dort begonnen hat, tsu Helium tsu fercmeltsen (Vasserctoffbrennen). Di Energi, di durx dize Fuzion frei vird, heitst den Ctern auf unt vird fon der Oberfläxxe apgectralt. Di Ctralung entcprixxt der eines cvartsen Körper, zodas aus ir di Temperatur der Cternoberfläxxe bectimmt verden kann. An velxer Ctelle inn der Hauptreihe ein Ctern cteht, ligt an zeiner Masse. Je mer Masse ein Ctern inn der Hauptreihe hat, desto gröser ist zovol zeine Leuxtkraft als aux zeine Oberfläxxentemperatur unt aux zeine künftige Entvikklung hengt dafon ap, vi gros zeine Masse ist.

Es gibt einige Doppelcterne, di nur zo veit entfernt zint, dass zi optic aufgelöst verden können. Andere lassen zix durx Fercibungen imm Cpektrum analüziren. Venn di Bandaten, Periodendauer unt Halbaksen, zolxer Doppelcterne gemessen verden können, können daraus di Massen beider Cterne berexnet verden (Kap. V. Himmelsmexanik). Nimt man di Zonne als Masctab für Masse unt Leuxtkraft unt trägt di dimenzionslozen Grösen L/LZ gegen M/MZ doppelt logaritmic inn ein Diagramm ein, dann ligen di Eintragungen näherungsveize auf einer Geraden, di Leuxtkraft ist näherungsveize proportsional tsu einer Potents der Masse. Con 1926 leitete Arthur Eddington aus eksperimentellen Daten di Masse-Leuxtkraft-Betsihung L~M3,5 ap. Neue Modellrexnungen tsum Aufbau der Hauptreihencterne füren tsu einer dritten Potents, imm Diagramm hat di gectrixxelte grüne Gerade di Cteigung 3.
Es gilt di Masse-Leuxtkraft-Betsihung
Imm Hertzsprung-Russel-Diagramm ctehen oben di massereixen Cterne, unten di mit geringer Masse.


Imm 19.Jarhundert arbeitete Friedrich Wilhelm Bessel an einer Durxmusterung des Cternenhimmels, bei der er di Koordinaten fon 75000 Cternen überprüfte, gegebenenfalls genauer bectimmte unt ceinbare oder tatzäxxlixxe Eigenbevegungen unterzuxte. Mit der nur ceinbaren Eigenbevegung fon 61 cygni gelang im di erste Entfernungsbectimmung eines Cterns, aus Unregelmäsigkeiten in der Pozitsion des Sirius closs er, dass Sirius ein Doppelctern zein müsse mit einem massereixen, aber dunklen Begleiter. Etva 20 Jare cpäter vurde Sirius B aux optic entdekkt. Zo konnte aus den Banen beider Cterne um den gemeinzamen Cverpunkt der ungefäre Verte für di Masse fon Sirius B bectimmt verden. Aus dem Cpektrum folgt di Oberfläxxentemperatur unt aus der hohen Temperatur unt der geringen Leuxtkraft vurde eine relativ geringe Oberfläxxe, alzo ein geringer Radius des Cterns berexnet. Sirius B ist ein "Veiser Tsverg", er cteht imm HRD veit unterhalb der Hauptreihe. Di Masse inn der Grösenordnung der Zonne tsuzammen mit dem geringen Radius haben eine enorme Fallbecleunigung an der Oberfläxxe tsur Folge, zodas inn der Fotosfäre Dixte unt Drukk zer hox unt di freie Veglänge aller Teilxen unt di Lebensdauer angeregter Tsuctände zer kurts zint. Das hat eine Ferbreiterung der Cpektrallinien tsur Folge, aus der Informatsionen über di Oberfläxxe gevonnen verden. Auserdem gibt es eine gravitative Rotfercibung inn den Cpektren fon Sirius B (zihe (58) inn Kapitel XXXI. Gekrümmte Raumtseit). Zi kann apgetrennt verden fon der Rotferciebung durx den Dopplereffekt, indem aus der Dopplerfercibung fon Sirius A di Dopplerfercibung fon Sirius B berexnet vird. Aus dizen beobaxteten Daten folgt, dass Sirius B 98% der zolaren Masse unt einen Radius fon 6000 km hat. Dizer Radius ist veniger als 1% des Zonnenradius, das Volumen daher um den Faktor 106 geringer. Di mittlere Dixte fon Sirius B ist 2∙109kg/m3, eine Zonnenmasse ist inn das Volumen der Erde komprimirt.

Sirius B tseigt das Endprodukt der Entvikklung eines Cterns, der einmal inn der Hauptreihe des HR-Diagramms an änlicher Ctelle ctand vi heute di Zonne. Einige Milliarden Jare dauert inn dizen Cternen das reine 'Vasserstoffbrennen', bei dem fir Protonen tsu einem Heliumkernen fercmeltsen
(¹H+¹H→²H+e⁺ // ²H+¹H→³He // ³He+³He→⁴He+2∙¹H) oder ( ¹²C+¹H→¹³N→¹³C+e⁺ // ¹³C+¹H→¹⁴N // ¹⁴N+¹H→¹⁵O→¹⁵N+e⁺ // ¹⁵N+¹H→¹²C+⁴He).
Der Ctern ist värenddessen zer ctabil, di füzikalicen Grösen ändern zix ekstrem langzam. Inn der Kerntsone zammelt zix das Helium an unt behindert allmälix das Vasserctoffbrennen. Da di Teilxentsal imm Heliumplasma nur 3/8 der Vasserctoffteilxen tsält, ist bei zonst gleixen Bedingungen das Volumen des Heliumplasmas geringer. Di Kerntsone crumpft unt di darüber ligende Cixt zinkt ap, zi vird dadurx ferdixtet unt erhitst. Zo kann das Vasserctoffbrennen zix inn eine höher gelegene Kugelcale ausbreiten, veg fom Tsentrum des Cterns, näher tsur Oberfläxxe, deren Temperatur dadurx cteigt. Unterhalb dizer Cale des Vasserctoffbrennens erreixen clislix Dixte unt Temperatur Verte, di nötig zint, um blitsartig di Fuzion des Heliums tsu tsünden. Dabei fercmeltsen drei Heliumkernen tsu einem Kolenctoffkern ( ⁴He+⁴He → ⁸Be // ⁸Be+⁴He → ¹²C ), teilveize fuzioniren anclisend aux Kolenctoff unt Helium tsu Zauerctoff (¹²C+⁴He → ¹⁶O). Durx den ferctärkten Drukk der Ctralung beim Heliumbrennen verden di äuseren Cixten fom Cterntsentrum veg geblazen unt zo di zixtbare Oberfläxxe des Cterns ekstrem fergrösert. Ire Temperatur zinkt, veil di Leuxtkraft zix auf dize rizig fergröserte Oberfläxxe ferteilt. Imm HRD ferlässt der Ctern vegen der tsuzätslixxen Fuzionsvärme di Hauptreihe nax oben unt zeitvärts hin tsum roten Cpektrum: der Ctern vird tsum 'roten Rizen'. Inn ferner Tsukunft vird aux di Zonne tsum roten Rizen unt vird fast bis an di Ban der Erde reixen, naxdem zi Merkur unt Venus ferclukkt hat.

Venn inn einem Ctern fon änlixxer Masse vi di Zonne tsuerst der Vasserctoff unt cpäter aux das Helium nixt mer inn der nötigen Dixte forhanden unt deshalb di Fuzionen erloccen zint, bleibt ein heiser 'ausgebrannter' Ctern aus Kolenctoff unt Zauerctoff unt di apgectosene Hülle übrig, di zix als planetaricer Nebel inn di Veltraumumgebung ausbreitet unt oft mer als di Hälfte der urcprünglixxen Cternenmasse ausmaxxt. Fon jeveils 12 (16) Protonen unt 12 (16) Elektronen imm urcprünglixxen Vasserctoffplasma zint ein Kolenctoffkern (Zauerctoffkern) unt 6 (8) Elektronen imm Plasma des ausgebrannten Cterns gebliben. Das Plasma mit der ferringerten Teilxentsal nimt veniger Volumen ein, di Dichte ist größer unt der gravitative Drukk presst den ausgebrannten Ctern veiter tsuzammen. Der Kern des Cterns mit zer dünner Hülle aus Helium unt Wasserctoff tseigt jetst zeine heise Oberfläxxe, er ist ein veiser Tverg. Das Bild tseigt einen planetaricen Nebel, den Eulen-Nebel, der for etva 6000 Jaren entctand. Inn zeinem Tsentrum cteht ein ausgebrannter Ctern, dessen Leuxtkraft aber tsu gering ist, um auf dem Foto apgebildet tsu verden.
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planetarer Nebel




Di Daten der fünf Veisen Tsverge, di am näxsten tsur Zonne ctehen (Masse M, Radius R, Index für Zonne)
Sirius B
M=0,98M R=0,0086R
M∙R=0,0084 M∙R
Prokyon B
M=0,6M  R=0,012R
M∙R=0,0072M∙R
Van Maanens Ctern
M=0,68M R=0,013R
M∙R=0,0088M∙R
LP 145-141
M=0,75M R=0,1R
M∙R=0,0075M∙R
40 Eridanus Keid
M=0,5M R=0,016R
M∙R=0,008M∙R
Veise Tsverge gröserer Masse haben einen geringeren Radius imm Gegenzats tsu Hauptreihencternen, bei denen tsu gröserer Masse ein gröserer Radius gehört.
(3)



Venn inn einem zonnenänlixxen Ctern alle Fuzionen erloccen zint unt di Bedingungen für veitere Fuzionen nixt reixen, ferlirt der Ctern Värme durx Apctralung, di Temperatur zinkt unt damit aux der Gazdrukk. Um dem gravitativen Drukk ctandtsuhalten, trit irgendvan der Fermidrukk des Elektronengazes an di Ctelle des Gazdrukks. Gleixung (29) inn Kapitel X Teilxen-Ctatistik beschreibt dizen Fermidrukk (allerdings one Berükzixtigung der Energi der Elektronen, alzo bei der Temperatur T = 0 K). Demnax muss ein Ctern gröserer Masse ein geringeres Volumen haben, damit der Fermidrukk dem gröseren gravitativen Drukk ctandhalten kann. Di Ergebnisse (3) tseigen inn dize Rixtung. Chandresekhar hat Fermidrukk unt gravitativen Drukk eines Veisen Tsverges imm Gleixgevixt berexnet unt zo eine Grentse für di Masse eines ausgebrannten Ctern bectimmt, bei dem dizes Gleixgevixt nox möglix ist. Für Veise Tsverge aus Kolenctoff unt Zauerctoff ligt di Chandresekhar-Grentse bei rund 1,5 M.

Je mer Vasserctoff bei der Entctehung eines Cterns tsuzammen kommt, desto mer potentsielle Energi vird bei der gravitativen Ferdixtung frei unt desto stärker cteigen Temperatur unt Drukk des Gazes. Di Bedingungen für di Fuzion verden cneller erreixt unt alle veiteren Forgänge laufen cneller ap. Värend di Zonne rund tsen Milliarden Jare inn der Hauptreihe bleibt, um clislix tsu einem Veisen Tsverg tsu verden, ferlassen Cterme mit mer als tsvantsig Zonnenmassen di Hauptreihe con nax einigen Millionen Jaren. Venn das Heliumbrennen aus dem Tsentrum eines zolxen Cterns inn eine darüber ligende Cixt ausgevandert ist, erreixen imm Tsentrum des Cterns Drukk unt Temperatur Verte, bei denen das Kolenctoffbrennen einzetst ( ¹²C+¹²C → ²⁰Ne+⁴He ). Dizes 'Calenbrennen' - imm Tsentrum fuzionirt Kolenctoff tsu Neon, inn einer Cixt darüber Helium tsu Kolenctoff unt nox veiter darüber Vasserctoff tsu Helium - kann zix veiter fortzetsen, venn es imm Tsentrum keinen Kolenctoff mer gibt. Dan tsündet dort das Neonbrennen ( ²⁰Ne → ¹⁶O+⁴He ), venn es dort kein Neon mer gibt, beginnt das Zauerctoffbrennen, ( ¹⁶O+¹⁶O → ²⁸Si+⁴He ) unt venn es imm Tsentrum keinen Zauerctoff mer gibt, beginnt als letste eksoterme Fuzion das Zilitsiumbrennen ( ²⁸Si+²⁸Si → ⁵⁶Ni ). Clislix vandert aux das Zilitsiumbrennen als Calenbrennen veg aus dem Tsentrum des Cterns unt hinterlässt dort nur das inctabile Nikkelizotop ⁵⁶Ni, das mit einer Halbvertstseit fon 6 Tagen inn das ebenballs inctabile Kobaltizotop ⁵⁶Co tserfällt, das viderum mit einer Halbvertstseit fon 77 Tagen inn das ctabile Eizenizotop ⁵⁶Fe übergeht. Nickel, Kobalt unt Eizen zint Acce für das Fuzionsbrennen; denn für dize Atomkerne gibt es vegen irer maksimalen Nukleonenbindung keine eksotermen Fuzionen. Värend zix imm Tsentrum immer mer Eizen anzammelt, presst der Gravitatsiondrukk vegen der felenden Fuzionsvärme das Eizen immer mer tsuzammen, Dixte unt Temperatur cteigen bis clislix das Tsentrum kollabirt. Fotodesintegratsion durx γ-Kvanten des kurtsvelligen Teils der ekstrem heisen Värmectralung tserlegt di Eizenkerne inn Nukleonen ( ⁵⁶Fe+γ → 13⋅⁴He+4n ) unt (⁴He+γ → 2p+2n) unt inn einer Umkerung des Neutronentserfalls (e+p → n+νe) entctehen Neutronen aus Elektronen unt Protonen. Aus einem grosen Teil des Eizens ist zo in venigen Sekunden ein kompakter Neutronenctern imm Tsentrum des ursprünglixxen Cterns enctanden, der durx zeine eigene Masse und den Fermidrukk zeines Neutronengazes ctabilizirt vird unt der vegen der geringen de-Broglie-Vellenlänge der Neutronen deutlix veniger Raum einnimt als vorher das Eizen. Enormen Mengen an Neutrinos dringen mit nahetsu Lixtgecvindigkeit ungehindert durx alle Cixten unt transportiren di freigezetste Energi inn den Veltraum. Inn den frei gevordenen Raum rund um den Neutronenctern ctürtst jetst das Material der umgebenden Cixten, prallt ap am harten Neutronenctern unt ctöst mit hoher Gecvindigkeit inn entgegengezetster Rixtung auf das kollabirendes Material aus höheren Cixten. Es entcteht eine Ctosvelle fon zolxer Dixte unt Temperatur, dass zi für di Neutrinos undurxdringlix vird. Unter Beteiligung der Neutrinos unt deren Energi fercmeltsen di Atomkerne inn endotermen Kernfuzionen unt es entctehen alle Elemente, di vir aux auf der Erde finden. Einige Ctunden nax dem Kollaps des tsentralen Eizenkerns erreixt di Ctosvelle di Oberfläxxe des Cterns unt fürt tsu dem beobaxteten Lixtausbruxx. Grose Teile des Cterns verden apgectosen, di Energi des radioaktiven Tserfalls dizes Materials regt es nox monatelang tsum Leuxten an.

Das Grösenferhältnis tsviccen einem Vasserctoffatom unt einem Neutron ist η=5∙10⁻¹¹m/1,7∙10⁻¹⁵m=2,9∙10⁴. Mit dizem Faktor η kann grob apgecätst verden, vas fon einem Neutronenctern tsu ervarten ist. Geht man fon einem zonnenänlixxen Hauptreihenctern mit etvas gröserem Radius R=10⁹m aus, der tsu einem Neutronenctern mit dem Radius r vird, dan ist r=R/η=34km eine erste Apcätsung der tsu ervartenden Grösenordnung. Vegen des Massenferlustes vird der Neutronenctern eher nox kleiner zein. Da das Trägheitsmoment mit dem Kvadrat des Radius geht, alzo um den Faktor η⁻² kleiner vird, andererzeits aber der Drehimpulz erhalten bleibt, vird di Rotatsionsfrekvents um den Faktor η² gröser (Pirouetteneffekt) unt di Periodendauer T einer Umdrehung des Cterns um den Faktor η⁻² kürtser. Nimt man als Beicpil di Rotatsionsdauer T=26d=2,2∙10⁶s der Zonne, zo vird di Dauer der Rotatsion des Neutronencterns η⁻²∙T=2,6∙10⁻³=2,6ms. Veil aux der mangnetice Fluss Φ=BF erhalten bleibt, vird das Mangnetfeld B um den Faktor η² ctärker.

1967 entdekkte Jocelin Bell eine Radiokvelle, di alle 1,3s einen kurtsen Impulz zendete. Nax einigem Rätselraten var klar, dass ein zolxer Pulzar ein cnell rotirender Himmelkörper mit einer gerixteten Radiokvelle ist. Bald vurden andere Pulzare entdekkt, unter anderen ein Pulzar (PSR J1748-2446ad) mit einer Periodendauer fon 1,4ms. Zer grob lässt zix mit diesem Vert der maksimale Radius unt di minimale Masse apcätsen.


Vela Pulsar
Di Bangecvindigkeit eines Randpunktes muss kleiner als di Lixtgecvindigkeit zein.

Di Tsentrifugalbecleunigung darf nixt gröser zein als Cverebecleunigung.
Eine untere Grentse für di mittlere Massendixte dizes Pulzars ist
Fundctelle
Vela Pulzar










Di mittlere Dixte des Pulzars PSR J1748-2446ad ist mindestens um den Faktor 3∙10⁶ gröser als di Dixte des Veisen Tsvergs Sirius B, andererzeits ist di Massendixte fon Atomkernen aller Izotope durxveg etva 2∙10¹⁷kg/m³ unt damit kaum um den Faktor 4 gröser. Imm Tsentrum des Pulzars ist di Dixte nox einiges gröser, dort vird di Massendixte fon Kernmaterie erreixt. Pulzare zint Neutronencterne unt di Apcätsungen fallen inn di Grösenordnung der Messdaten.


Bis veit ins tsvantigste Jarhundert var Lixt di eintsige Informatsionskvelle für di Astronomen. Neben dem Lixt mit Vellenlängen tsviccen 4∙10-7m unt 7∙10-7m gibt es einen tsveiten Vellenlängenbereix elektromangneticer Ctralung, für den di Erdatmosfäre durxlässig ist, den Radiobereix tsviccen 1mm unt 18m. 1930 zuxte K. G. Jansky nax der Herkunft unidentifierter Radiovellen unt entdekkte imm Cternbild Cütse eine ctarke Kvelle für Radiovellen, cpäter SgrA* genannt. Zeitdem arbeitet di Radioastronomi mit immer gröseren Antennen, um Radiokvellen tsu lokaliziren. Einer irer Erfolge ist di becribene Entdekkung der Pulzare. Um nox mer Informatsionskvellen tsu erclisen, muss di Atmosfäre ferlassen verden. 1962 vurde unter der Leitung fon R.Giacconi ein Röntgendetektor mit einer Rakete tsum Einzats oberhalb der Atmosfäre gebraxt. Es var eine Überraccung, als di Ausvertung der Messungen eine kräftige Röntgenkvelle inn etva 9000 Lixtjaren Entfernung imm Cternbild Skorpion ergab. Heute ist di Forcung mit Röntgenteleskopen ein bezonders vixtiges Teilgebit der Astronomi. Das Röntgenteleskop Chandra ist ein Zatelit fon 4,8t auf einer ctark ekstsentricen Umlaufban mit einem Apogäum fon rund 130000km.

Scorpio-X-1,di erste entdekkte Röntgenkvelle ist ein enger Doppelctern mit den Massen 0,4 M (A) unt 1,4 M (B). Nur Ctern A tseigt ein Lixtcpektrum, Ctern B ist alzo ein Neutronenctern, der aber nixt als Pulzar erkennbar ist. Ctern A ferlirt ctändig Masse, di dan inn eine Umlaufban um Ctern B eintrit. Dize Massen zammeln zix inn einer Ceibe in der Banebene des Doppelcterns, zi bilden eine Akkretsionsceibe um den Neutronenctern. Di ctändigen Kollizionen inn dizem Materiectrom erhitsen di Akkretionsceibe auf ein Plasma fon zo hohen Temperaturen, dass das Cpektrum der Värmectralung bis tsur Röntgenctralung reixt. Da der Neutronenctern ein zer ctarkes Mangnetfeld hat, fällt ionizirte Materie, venn zi durx Kollizionen apgebremst vurde, entlang der Mangnetfeldlinien nahe den Polen auf den Neutronenctern, dessen enorme Gravitatsion di einfallende Masse auf Gecvindigkeiten nahe der Lixtgecvindigkeit becleunigt. Beim Aufprall auf der Oberfläxxe des Neutronencterns entctehen Temperaturen, di hundert Millionen Kelvin betragen, vi zix aus dem Röntgencpektrum ergibt.


Venn ein Ctern mit urcprünglix mer als 40 Zonnenmassen nax dem Erlöccen der Fuzionen eksplodirt, bleibt imm Tsentrum eine zo grose Masse übrig, dass deren gravitativer Drukk nixt durx den Fermidrukk fon Neutronen aufgehalten verden kann. Di Materie lözt zix auf inn ein Kvark-Gluon-Plasma, inn dem di Kvarks frei beveglix zint. Ein zolxes Plasma vurde einige Male für kurtse Tseit inn der Hoxenergifüzik beobaxtet (LHC Genf, GSI Darmstadt, RHIC New York). Kvarks zint Fermionen, zodas es möglixxerveize Kvarkcterne gibt, di durx den Fermidrukk der Kvarks ctabilizirt verden; gefunden vurden Kvarkcterne nox nixt. Venn clislix di Massendixte durx den gravitativen Drukk zo hox vird, dass di Materie imm Tsentrum des eksplodirenden Cterns innerhalb einer Kugel mit dem Schwartzschildradius 2GM/c² (Kapitel XXXI Gekrümmte Raumtseit) ligt, dan entcteht ein ctellares Cvartses Loxx. Tsu erkennen ist ein Cvartses Loxx nur durx di Virkung zeiner Gravitation unt eventuell zeines Drehimpulzes. Inn dem 3500 Lixtjare entfernten Doppelcternzüstem A0620-00 umkreizt ein kleiner zonnenänlixxer Ctern A fon 0,4 Zonnenmassen einen dunklen Ctern B fon 6,6 Zonnenmassen, der aufgrund zeiner Masse ein Cvartses Loxx zein muss. Aux hir gibt es eine Akkretsionsceibe um den dunklen massereixen Ctern mit zo hohen Temperaturen, dass di Ctralungskurve bis veit tsur Röntgenctralung reixt. Allerdings felt das ctarke kurtsvellige Ende, das bei einem Neutronenctern durx den Aufprall auf der Oberfläxxe entcteht, veil das Eintauxen in den Ereignishoritsont kein Aufprall ist. Augenblikklix zint etva fünftsen ctellare Cvartse Löxxer in der Milxctrase bekannt, alle gehören tsu einem Doppelcternzüstem unt maxxten als Röntgenkvelle auf zix aufmerkzam.

Cterne entctehen inn Vasserctoffvolken, di in einer Entfernung fon bis tsu hundert Tauzend Lixtjaren um ein zupermassives Cvartses Loxx kreizen. Vi zolxe Galaksien unt ire Kerne (AGN: activ galaktic nucleus) entctanden zint, ist nox unklar. AGNs zint auf Grund ser untercidlixxer Erceinung entdekkt vorden als Seyfertgalaksien (1943), ekstragalaktice Röntgenkvellen (1962), Kvazare (1963) oder Blazare(1974). Es handelt zix immer um ein zupermassives Cvartses Loxx mit einer entcprexxend grosen unt zer heisen Akkretsionsceibe. Das Cpektrum der ausgezandten elektromangneticen Ctralung reixt fon Radiovellen über Lixt unt Röntgenctralung bis tsu γ-Ctralung. Värend im Lixt fon Cternen fast nur Apzorptsionslinien vi di Frauenhoferce Linien imm Cpektrum der Zonne tsu finden zint, gibt es imm Cpektrum galakticer Kerne hauptzäxxlix Emissionslinien. Imm Tsentrum der Milxctrase vird teleskopic imm Infrarot ein Ctern S2 beobaxtet, der vi ein Planet inn etva 16 Jaren auf einer ellipticen Ban eine dunkle Masse umkreizt mit einer Gecvindigkeit fon bis tsu 5000km/s. Aus den Bandaten vird dize Masse tsu fir Millionen Zonnemassen berexnet, es ist di Masse des zupermassiven Cvartsen Loxxs SgrA*, um das zix di Milxctrase dreht. Aux inn der Galaksi M87 kann di Bevegung eintselner Cterne beobaxtet unt daraus di Masse des zupermassiven Cvartsen Loxxs imm Tsentrum apgexcätst verden. Danax hat M87* eine Masse fon etva 7 Billionen Zonnenmassen.


AGN fon M87
2017 vurden erdumcpannend mit axt zünxron arbeitenden Radioteleskopen Daten gezammelt, aus denen ein Bild des Kerns der Galaksi M87 konstruirt vurde. Man ziht cräg auf di Akkretsionsceibe, deren unterer Teil zix etvas auf uns tsu bevegt unt deshalb heller erceint. Der innere dunkle Teil ist der 'Catten' des Cvartsen Loxx, unt nur ein Teil dafon ctellt das Cvartse Loxx zelpst dar.

Durx den Lense-Thirring Effekt (Kapitel XXXI Gekrümmte Raumtseit) vird das Mangnetfeld eines Cvartsen Loxxs tsu einem mangneticen Claux ferdrillt. Darin verden elektric geladene Teilxen aus der Akkretsionsceibe auf fast Lixtgecvindigkeit becleunigt. Zolxe Jets reixen veit über di Grentsen der jeveiligen Galaksi hinaus.

Jet aus dem AGN fon M87

Fundctelle AGN*


Fundctelle Jet






Nax xinezicen Auftseixnungen vurde am 7. Detsember 185 ein 'Gastctern' inn der Nähe des Cterns Rigel entdekkt unt fast 900 Jare cpäter am 14. Juli 1054 vider ein 'Gastctern' inn der Nähe des Cterns Tinguan, der als ζ-Tauri identifiert vird. Beide Cterne varen zogar tagsüber tsu zehen, ferblassten aber imm Laufe einiger Monate unt fercvanden clislix. Inn Europa beobaxtete Tycho Brahe imm Jare 1572 einen 'neuen Ctern' unt aux 32 Jare später ercin vider ein neuer Ctern, den Johannes Kepler beobaxtete. Dize Cterne ferhilten zix änlix vi di inn Xina beobaxteten. Da es zix offenzixtlix nixt um Kometen handelte, ercütterten di neuen Cterne erstmals di hercende Forctellung, das Firmament der Fikscterne ctehe unferänderlix fest. Di fir 'Supernovae' SN185, SN1054, SN1572 unt SN1604 varen Cterneksplozionen inn der Milxctrase. Zi varen di eintsigen, di nax criftlixxen Berixten mit blosem Auge beobaxtet vurden bis 1987 vider eine Supernova tsu zehen var dismal am züdlixxen Himmel. Mit moderner Texnik verden heute pro Jar mer als Tauzend ausergalaktice Supernovae beobaxtet. Di überreste der genannten fir Zupernovae zint intsviccen gefunden vorden unt aux di fon filen anderen.

Als for rund hundert Jaren beim Fergleix fon älteren fotografischen Aufnamen auffil, dass der Krebsnebel (nebenctehende Aufname) nahe ζ-Tauri zix feränderte, berexnete Edwin Hubble aus der Ekspanzion des Nebels, dass er 900 Jare forher aus der Eksplozion eines Cterns entctanden zein musste. Damit ctimmten Ort unt Zeit mit den xinezicen Beobaxtungen imm Jare 1054 überein.Di

überreste

fon

SN 1054
Ein Pulzar imm Tsentrum des Krebsnebels rotirt 33 Mal in der Zekunde. Zein ekstrem ctarkes Mangnetfeld, dessen Pole nixt auf der Rotatsionsakse ligen, rotirt mit, zodas ctarke, vekselnde elektrice Felder indutsirt verden. Freie Elektronen verden zo auf nixtlinearen Banen fast auf Lixtgecvindigkei becleunigt, ire Bremsctralung bringt di Atome der apgectosenen Hülle tsum Leuxten.
Der Krebsnebel ist ein Beispil für einen Pulzarvindnebel.

Fundctelle Krebsnebel


Fundctelle Pulzar






Di Zupernova SN1987A ist eins der am meisten beobaxteten Objekte der Astronomi. Als Urcprung vurde naxträglix auf Aufnamen ein blauer Rizenctern inn der Grosen Magellancen Volke, der näxstgelegenen Tsverggalaksi, identifitsirt. Das erste Zingnal fon dizer Cterneksplozion var eine Gruppe fon rund tsvei Dutsend Neutrinos, di innerhalb fon veniger als tsvantsig Sekunden fon einigen Detektoren auf der Erde registrirt vurden. Erst drei Ctunden cpäter erreixte das Lixt fon der Oberfläxxe des Cterns di Erde. Dize unt file andere Beobaxtungen ctütsen das Bild, das di Astrofüzik fon einem kollabirende Ctern entvirft unt das oben becriben vurde. Mit der Beobaxtung der apgectosenen Hülle gevinnt di Astronomi ctändig veitere Informatsionen, ein Neutronenctern als Rest des Cterns oder ein Cvartses Loxx zint allerdings im überrest fon SN1978A nox nixt gefunden vorden.


Unter den fercidenen Arten fon Zupernovas gibt es eine Art, di durx zer gleixartige Lixtkurven aus dem Ramen fällt. Imm linken Bild zint einige dizer Kurven getseigt, imm rexten zint di Intenzitäten jeder Kurve zo skalirt, dass di Maksima auf einander fallen. Eine zo einfaxe Anpassung genügt, um di Messungen fon allen dizen Zupernovas durx eine eintsige Kurve über rund einen Monat dartsuctellen. Dize bezondere Art fon Cterneksplozionen vird Zupernova Tüp Ia (SN Ia) genannt. Ein Forläuferctern vurde für keine Zupernova dizes Tüps gefunden.

Fundctelle Lixtkurven






Inn den ersten Tagen nax Beginn der Eksplozion bleiben di Fotonen inn der Eksplozionsvolke gefangen. Inn den Cpektren des ersten Lixtes, das dan tsu zehen ist, zint Apzorptsionslinien fon Vasserctoff oder Helium nixt tsu finden, zondern di fon Kolenctoff unt Zauerctoff. Der Urcprung einer Zupernova Tüp Ia ist daher ein Veiser Tsverg aus Kolenctoff unt Zauerctoff (C-O-WD). Venn ein Veiser Tsverg Masse akkretirt, crumpft zein Radius, di Dixte väkst. Gerät er zo durx Massentsuname in di Nähe der Chandrasekhar Grentse, flakkern an manxen Ctellen Fuzionen des Kolenctoffs auf. Veil der Fermidrukk gröser als der Gazdrukk bleibt, fürt di freigezetste Värmeenergi nixt tsu einer Ausdenung, zondern zetst tsunäxst vi ein Brand eine Kette veiterer Kolenctoffuzionen in Gang. Das endet dan aber inn einer termonuklearen Eksplozion, bei der innerhalb veniger Sekunden alle eksotermen Fuzionen fom Kolenctoffbrennen bis tsum Zilitsiumbrennen durxlaufen verden. Durx di zo freigezetste Energi fligt der Ctern mit enormer Gecvindigkeit auseinander, es bleibt kein kompaktes Objekt übrig. Di Energi für di Lixtemissionen, di nax venigen Tagen zixtbar verden, kommt fom radioaktiven Tserfall der enctandenen inctabilen Atomkerne. Daher bectimmen di Halbvertstseiten dizer Kerne di Form der Lixtkurven, das zint insbezondere di Halbvertstseit fon zeks Tagen des Nikkelizotops ⁵⁶Ni unt cpäter fon 77 Tagen des aus dem Nikkel entctandenen Kobaltizotops ⁵⁶Co. Da Masse unt Tsuzammenzetsung des Veisen Tsverges imm Moment der Eksplozion bekannt zint unt ebenzo di Fuzions- unt Tserfallsprotsesse, kann dize termanukleare Eksplozion modellirt verden. Als Ergebnis erhält man Lixtkurve unt Cpektren in bester Übereinctimmung mit den Beobaxtungen unt mit der berexneten Leuxtkraft vird eine Zupernova Tüp Ia eine astronomice Ctandardkertse. Als Urzaxxe für di forausgehende Massentsuname vird meist angenommen, der Veise Tsverg akkretire Masse fon einem Roten Rizenctern, mit dem er ein enges Doppelcternzüstem bildet. Eindeutige Belege gibt es dafür aber nox nixt.

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