10/13/15 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 10/13/15 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 10/13/15 Hvite dverger er kompakte • Eksempel: Hvit dverg med radius lik 104 km og samme masse som solen. • GjennomsniIsteIhet = 5 x 108 kg/m3 • En Iphone laget av hvit dverg-‐stoff ville ha veid 25 tonn! Nova Hercules 1934 AST1010 -‐ Stjernenes sluIstadier 9 3 10/13/15 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 10/13/15 Hva er en nøytronstjerne? Zwickys supernovarester Nøytronstjerner er ekstremt kompakte • Eksempel: Nøytronstjerne med radius lik 10 km, samme masse som solen. • GjennomsniIsteIhet = 5 x 1017 kg/m3 • En Iphone laget av nøytronstjernestoff ville ha veid 2.5 x 1013 kg, ca. 30 ganger mer enn den samlede vekten av verdens befolkning! 5 10/13/15 Den første pulsaren 16 17 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 10/13/15 AST1010 -‐ Variable stjerner, pulsarer, sorte hull 19 20 Endring i perioden -‐ glitch 21 7 10/13/15 Hulse og Taylors dobbeltpulsar 24 8 10/13/15 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 Rs = ⎛ M ⎞ 2GM ≈ 3 × ⎜ ⎟ km c2 ⎝ M sol ⎠ € 9 10/13/15 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 10/13/15 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/R3. • Samme resultat i GR. • Sorte hull: R=2GM/c2. • Det vil si: Jo større sort hull, desto lenger inn kan du falle før Vdekredene dreper deg. Masse Radius (Solmasser (km) ) Fall3d (s) ”Au-‐ ”Au-‐ radius” (Rs 3d” (s) ) 1 3 6.6 x 10-‐6 1.3 x 103 0.31 10 30 6.6 x 10-‐5 280 0.31 1000 3000 6.6 x 10-‐3 13 0.31 104 3 x 104 6.6 x 10-‐2 2.8 0.31 105 3 x 105 0.66 0.60 0.31 106 3 x 106 6.6 0.13 0.31 109 3 x 109 6.6 x 103 1.3 x 10-‐3 0.31 1014 3 x 1014 20 år! 6 x 10-‐7 0.31 11 10/13/15 Sorte hull i ”alle” størrelser • Supermassive sorte hull, 109 – 1010 MSOL i kjernene Vl akVve galakser. • Mange galaksekjerner har sorte hull med masser M ~ 106 – 108 MSOL. • Middels store sorte hull 102 – 104 MSOL. • Sorte hull på noen få solmasser (mer enn 3xMSOL) er rester eIer supernovaer. • Mikroskopiske sorte hull – M ~ 104 – 106 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 10/13/15 M (Solmasser) Rs (km) T (K) Leve3d / universets alder 109 3 x 109 6 x 10-‐17 1084 106 3 x 106 6 x 10-‐14 1075 103 3 x 103 6 x 10-‐11 1066 1 3 6 x 10-‐8 1057 10-‐3 3 x 10-‐3 6 x 10-‐5 1048 10-‐9 3 x 10-‐9 60 1030 10-‐20 3 x 10-‐20 6 x 1012 10-‐3 Sorte hull roterer 13 10/13/15 Neste forelesning: Eksoplaneter og leVng eIer liv 14
© Copyright 2024