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NEUTRONENSTERNE
Eine Reise in die Vergangenheit
Jochen WambachInstitut fur Kernphysik
TU Darmstadt
Was sind Neutronensterne?
Wie entstehen sie?
Was sind ihre Eigenschaften?
Wie sind sie aufgebaut?
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NEUTRONENSTERNE
Eine Reise in die Vergangenheit
Jochen WambachInstitut fur Kernphysik
TU Darmstadt
Was sind Neutronensterne?
Wie entstehen sie?
Was sind ihre Eigenschaften?
Wie sind sie aufgebaut?
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Kompakte Objekte
geringe Große (10− 104 km)hohe Materiedichte (107 − 1015 g/cm3)
Weiße Zwerge (M ≤ 8 M�)
Neutronensterne (8 M� ≤ M ≤ 30 M�)
Schwarze Locher (M ≥ 30 M�)
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Meilensteine
L. Landau 1931
Entdeckung des Neutrons!
Proc. Roy. Soc. London A136, 692-708
J. Chadwick 1932
W.Baade und F. Zwicky 1934
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Meilensteine
erste Berechnungen
R. Oppenheimer 1939
∼ 0.7 Sonnenmassen∼ 10 km Radius
riesiger Atomkern!∼ 1057 Neutronen
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Meilensteine
erste Berechnungen
R. Oppenheimer 1939
∼ 0.7 Sonnenmassen∼ 10 km Radius
riesiger Atomkern!∼ 1057 Neutronen
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Meilensteine
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*
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Die Sonne
riesiger Gasball(∼ 4× 109 Jahre)
M� ∼ 2× 1030 kgR� ∼ 7× 105 kmT s� ∼ 6× 103 ◦K
T i� ∼ 2× 107 ◦K
92.1% H und 7.8 % He
Energie aus Kernfusion
4p+2e− →4He+2νe
Energiegewinn:∼ 27 MeV
(1 MeV ∼ 1.6×10−13 J)
knapp 600 000 TonnenH/Sekunde
L� = 3.8× 1017
GW
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Schicksal der Sonne
zuruck bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern
stabilisiert durch”entartete“ Elektronen
W. Pauli 1925
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Schicksal der Sonne
zuruck bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern
stabilisiert durch”entartete“ Elektronen
W. Pauli 1925
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Schicksal der Sonne
zuruck bleibt ein kristalliner Kohlenstoffstern
stabilisiert durch”entartete“ Elektronen
W. Pauli 1925
SIRIUS B!
M=1.05M� R=0.01R�
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Massenreiche Sterne
Wie lange leben Sterne ?
Masse Lebenserwartung
1M� 1× 1010 J5M� 7× 107 J10M� 2× 107 J15M� 1× 107 J30M� 5× 106 J
je massereicher desto kurzerdie Lebensdauer!
roter Superriese
R ∼ 10 Lichtminuten
∼ 108 km
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Sterben eines massiven Sterns
Eisenkern wachst bisMFe ∼M�
Elektroneneinfang
e−+(Z,N)→(Z-1,N+1)+νe
Kollaps in weniger alseiner Sekunde!
v =RFe − RNS
1s= 6× 103 km/s
= 0.02c
Explosion !*
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Krebsnebel
Sternbild Stier
freigesetzte Leistungca. 1038 GW!∼ 1012 Sonnen!
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Krebsnebel
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Supernova 1998S
Spiralgalaxie NGC 3877
↗Supernova!
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Historische SupernovaeEntdeckungsjahr sichtbar Sternbild beobachtet
185 8 Monate Centaurus China393 7 Monate Scorpius China
1006 einige Jahre Lupus China,JapanEuropa,Arabien
1054 ∼ 2 Jahre Taurus China,JapanArabien, Nordamerika
1181 ∼ 6 Monate Cassiopeia China,Japan1572 16 Monate Cassiopeia Tycho Brahe1604 ∼ 1 Jahr Ophiuchus Johannes Kepler1987 ∼ 13 Jahre Mag. Wolke Ian Shelton
14 Neutrinos!
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Historische SupernovaeEntdeckungsjahr sichtbar Sternbild beobachtet
185 8 Monate Centaurus China393 7 Monate Scorpius China
1006 einige Jahre Lupus China,JapanEuropa,Arabien
1054 ∼ 2 Jahre Taurus China,JapanArabien, Nordamerika
1181 ∼ 6 Monate Cassiopeia China,Japan1572 16 Monate Cassiopeia Tycho Brahe1604 ∼ 1 Jahr Ophiuchus Johannes Kepler1987 ∼ 13 Jahre Mag. Wolke Ian Shelton
14 Neutrinos!
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Supernova 1987A
↗SK-69◦202
sehr helles Ereignis ∼ 1012L�schnell expandierende Explosionswolke ∼ 104 km/s
elektromagn. Energie ∼ 1042 J
kinetische Energie ∼ 1044 J
Neutrinos ∼ 1046 J !
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Haufigkeiten
∼ 2000 Neutronensterne∼ 109 erwartet
Galaktische Verteilung
hohe Fluchtgeschwindigkeiten !
Neutrinoraketen?
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Haufigkeiten
∼ 2000 Neutronensterne∼ 109 erwartet
Galaktische Verteilung
hohe Fluchtgeschwindigkeiten !
Neutrinoraketen?
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Massenverteilung
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Schwerkraft
Erde: gE = 9.8 m/s2
F = GmM
R2→ mgE = G
mME
R2E
Neutronenstern:gNSgE
=MNS
ME
(RE
RNS
)2
RE = 6.4× 103 km RNS = 10 kmME = 7.4× 1022 g MNS = 2× 1033 g
gNS ∼ 1016gE
1g wiegt 10 Milliarden Tonnen !
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Schwerkraft
Erde: gE = 9.8 m/s2
F = GmM
R2→ mgE = G
mME
R2E
Neutronenstern:gNSgE
=MNS
ME
(RE
RNS
)2
RE = 6.4× 103 km RNS = 10 kmME = 7.4× 1022 g MNS = 2× 1033 g
gNS ∼ 1016gE
1g wiegt 10 Milliarden Tonnen !
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Schwerkraft
Erde: gE = 9.8 m/s2
F = GmM
R2→ mgE = G
mME
R2E
Neutronenstern:gNSgE
=MNS
ME
(RE
RNS
)2
RE = 6.4× 103 km RNS = 10 kmME = 7.4× 1022 g MNS = 2× 1033 g
gNS ∼ 1016gE
1g wiegt 10 Milliarden Tonnen !
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Freier Fall
Fallgeschwindigkeit:v =
√2gh
Fall aus 1m Hohe
Erde: vE = 4.4 m/s
Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s
aber: c = 3× 108 m/s !
allgemeine Relativitatstheorie !
A. Einstein 1915
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Freier Fall
Fallgeschwindigkeit:v =
√2gh
Fall aus 1m Hohe
Erde: vE = 4.4 m/s
Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s
aber: c = 3× 108 m/s !
allgemeine Relativitatstheorie !
A. Einstein 1915
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Freier Fall
Fallgeschwindigkeit:v =
√2gh
Fall aus 1m Hohe
Erde: vE = 4.4 m/s
Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s
aber: c = 3× 108 m/s !
allgemeine Relativitatstheorie !
A. Einstein 1915
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Freier Fall
Fallgeschwindigkeit:v =
√2gh
Fall aus 1m Hohe
Erde: vE = 4.4 m/s
Neutronenstern: vNS = 4.4× 108 m/s
aber: c = 3× 108 m/s !
allgemeine Relativitatstheorie !
A. Einstein 1915
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung: Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung: Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung: Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung: Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung:
Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung: Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung: Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Sonne rotiert 1 mal pro Monat um ihre Achse
T� = 2.6× 106 s
Drehimpulserhaltung: Li = Lf
LFe =2π
TFeIFe = LNS =
2π
TNSINS
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel:
I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel:
I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe
TNS = 6s
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
Periode von PSR 1937+21
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
Periode von PSR 1937+21
T = 1.55780644887275± 0.00000000000003 ms
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Rotation
Tragheitsmoment einer Kugel: I = 2/5MR2
⇒ TNS =(RNS
RFe
)2TFe TNS = 6s
Periode von PSR 1937+21
T = 1.55780644887275± 0.00000000000003 ms
PSR 0329+54
PSR 0833-45
PSR 1937+21
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Magnetfeld
Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T
Erhaltung des magnetischen Flusses
B�A� = BNSANS
⇒ BNS =
(R�RNS
)2
B�
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Magnetfeld
Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T
Erhaltung des magnetischen Flusses
B�A� = BNSANS
⇒ BNS =
(R�RNS
)2
B�
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Magnetfeld
Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T
Erhaltung des magnetischen Flusses
B�A� = BNSANS
⇒ BNS =
(R�RNS
)2
B�
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Magnetfeld
Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T
Erhaltung des magnetischen Flusses
B�A� = BNSANS
⇒ BNS =
(R�RNS
)2
B�
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Magnetfeld
Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T
Erhaltung des magnetischen Flusses
B�A� = BNSANS
⇒ BNS =
(R�RNS
)2
B�
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Magnetfeld
Magnetfeld der Sonne: B� = 100G = 10−2T
Erhaltung des magnetischen Flusses
B�A� = BNSANS
⇒ BNS =
(R�RNS
)2
B�
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Magnetfeld
R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km
BNS = 5× 1011G
→ Pulsare!
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Magnetfeld
R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km
BNS = 5× 1011G
→ Pulsare!
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Magnetfeld
R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km
BNS = 5× 1011G
→ Pulsare!
![Page 58: Jochen Wambach Institut f ur Kernphysik TU Darmstadt · Eine Reise in die Vergangenheit ... TU Darmstadt Was sind Neutronensterne? Wie entstehen sie? Was sind ihre Eigenschaften?](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022042411/5f291326c828821e9856e040/html5/thumbnails/58.jpg)
Magnetfeld
R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km
BNS = 5× 1011G
→ Pulsare!
![Page 59: Jochen Wambach Institut f ur Kernphysik TU Darmstadt · Eine Reise in die Vergangenheit ... TU Darmstadt Was sind Neutronensterne? Wie entstehen sie? Was sind ihre Eigenschaften?](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022042411/5f291326c828821e9856e040/html5/thumbnails/59.jpg)
Magnetfeld
R� = 7× 105 km ←→ RNS = 10 km
BNS = 5× 1011G
→ Pulsare!
![Page 60: Jochen Wambach Institut f ur Kernphysik TU Darmstadt · Eine Reise in die Vergangenheit ... TU Darmstadt Was sind Neutronensterne? Wie entstehen sie? Was sind ihre Eigenschaften?](https://reader034.vdokument.com/reader034/viewer/2022042411/5f291326c828821e9856e040/html5/thumbnails/60.jpg)
Pulsareentdeckt 1967
Nobelpreis 1974 Hewish und Bell
Pulsar
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Sicht des”
Theoretikers“
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Evolution
Merger
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Vielen Dank furIhre Aufmerksamkeit!