Variabele Sterren. Instability strip: Cepheiden RR Lyrae W Virginis sterren. Rode reuzen op de z.g. instability strip in het HR diagram

Transcriptie

1 Variabele Sterren Cepheiden Lyrae W Virginis sterren ode reuzen op de z.g. instability strip in het H diagram De pulsatie en variabiliteit onstaan doordat in de buitenlagen van zulke sterren de He + nogmaals wordt geïoniseerd tot He ++ waardoor de opaciteit van de buitenlaag toeneemt. Gevolg: de stralingsdruk neemt toe en de ster zet uit. Door de uitzetting kan het grotere oppervlak meer straling kwijt en koelt de ster af zodat de He ++ recombineert tot He +. De opaciteit neemt dan af en de ster krimpt terwijl de temperatuur weer toeneemt. Dit proces begint dan weer van voor af aan: regelmatige variatie Instability strip: Positie in het H diagram waar pulserende (instabiele) rode reuzen zich bevinden.dit pulseren is een gevolg van niet in hydrostatisch evenwicht zijn. met volgt M 4π T L 6 / eff en M L T 4 4π σ eff Na maximale expansie valt de buitenlaag weer terug, en dit proces kunnen we zien als vrije-val baanbeweging. Beschouw een radiële Kepler baan (van de rand van de ster naar het centrum). Voor de periode (een omloop) geldt dan (e wet van Kepler): P 4π GM M P 1 1/ P constant met de gemiddelde dichtheid omdat: M bol.5 log (L) + constante en L M log (P) + 0. M bol +.0 log (T eff ) constant Dit is de periode lichtkracht (en kleur) relatie voor pulserende sterren De kleurafhankelijkheid is gering omdat de instability strip een klein bereik in T eff bestrijkt in het H diagram volgt: Omdat er een periode lichtkracht relatie bestaat kunnen Cepheiden gebruikt worden om afstanden te bepalen. Deze methode is gebruikt met de Hubble Space Telescope om de afstanden naar nabije melkwegstelsels te bepalen. De absolute magnitude van een Cepheide is in de range M ~ 4 tot 6. HST meet tot schijnbare magnitude m ~ 6 Dat geeft afstandsmoduli tot m M 5 log d 5 0 ofwel: afstanden tot 10 5 Mpc Voorbeeld: Melkwegstelsel Messier 100 (zie ook 1

2 Ster-resten Witte dwergen: langzaam afkoelende He of C sterkern. massa < 1.44 M zon (Chandrasekhar limiet) Neutronensterren: tot neutronen-gasbol gecomprimeerde sterkern. Massa > 1.44 M zon Zwarte gaten: zware sterkern, massa > ~ 4 M zon, die zo n grote dichtheid heeft dat de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid Witte dwerg Eigenschappen: gedegenereerd gas geen kernfusie meer koelt langzaam af heeft T eff ~ K heeft sterk magneetveld Witte Dwergen in de bolcluster M4 Neutronenster Eigenschappen: kleine afmetingen: 10-0 km hoge dichtheid: ~ kg / m zeer sterk magneetveld snelle rotatie (P ~ sec) produceert synchrotron straling Synchrotron straling electronen die met bijna de lichtsnelheid in een magneetveld voortbewegen verliezen energie in de vorm van straling. dit is de synchrotron straling, zo genoemd omdat deze het eerst in deeltjesversnellers zoals een synchrotron werd waargenomen een neutronenster heeft een sterk magneetveld dat meeroteert, electronen versnelt en zo synchrotron straling produceert die aan de polen ontsnapt Pulsar oterende neutronenster die een bundel synchrotron straling uitzend aan beide polen Werkt daardoor als een vuurtoren en geeft de waarnemer een pulserend signaal Ontdekking van de eerste pulsar CP 1919 door Jocelyn Bell in Cambridge Oorspronkelijk LGM genoemd.

3 Eenvoudige pulsar fysica 1 De hoeksnelheid voor een pulsar met periode P is: ω P Beschouw een pulsar constante dichtheid, straal en massa M Het traagheidsmoment is: I M 5 Omdat rotatie energie in stralingsenergie wordt omgezet geldt: derot derad 1 d derad + 0 ( I ω ) + dt dt dt dt derad 1 d derot 8 dp M L π M P dt dt 5 P dt 5 dt Nemen we een pulsar van M zon en een periode van 1 sec dan volgt uit dp 8 10 s/s dat L ongeveer 10 1 W bedraagt. dt Eenvoudige pulsar fysica Beschouw een massieve neutronenster met straal, massam en dichtheid. Voor de snelheid aan de equator geldt (evenwicht tussen centripetale GM versnelling en gravitatieversnelling): V / Voor de periode P geldt: P zodat met V volgt: P V GM 4 Voor een massieve bol geldt voor de massa M dat: M π Hieruit kan dan worden afgeleid: / sec P 4πG Voor een pulsar met dichtheid 4 x kg m - is dan P sec. Verdeling van pulsars aan de zuidelijke hemel Opnames van de Krabnevel bij verschillende golflengtes öntgen Zichtbaar licht Infrarood adio straling Projectie langs het vlak van de melkweg De Krab pulsar (PS 051+1) Ontdekt door Staelin en eifenstein In het optisch, P msec, energieverlies ~ 5 x 10 1 Watt SN1987a in de Large Magellanic Cloud Na de explosie Voor de explosie

4 Licht echo van SN1987a Sterren zwaarder dan ~ 4 M zon produceren geen neutronenster als rest, maar een zwart gat. Een zwart gat is een object met zo n grote dichtheid en daardoor zo n sterk zwaartekrachtsveld dat de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid. Zichtbaar gemaakt door opnames van voor en na de SN explosie van elkaar af te trekken en het verschilbeeld zichtbaar te maken De ruimte rond een zwart gat is sterk gekromd door het zwaartekrachtsveld: licht wordt volledig afgebogen en loopt in een cirkel rond het zwarte gat. Voor de totale energie van een massa m in een baan 1 Mm met straal r rond een massa M geldt: Etot Ekin + Epot mv G r Om m in oneindig te brengen (waar de potentiele energie 0 is) is de ontsnappingssnelheid V esc nodig: GM Vesc r Voor een zwart gat is dit de GM Dit is de Schwarzschildstraal s lichtsnelheid s c waarvoor geldt: S M/M zon km Zwarte gaten dus niet direct waarneembaar! Groot zwart gat in het centrum van Messier 87 Alleen waarneembaar door verschijnselen rond het zwarte gat: heet gas in accretieschijf rond zwarte gat: röntgenstraling snelle rotatie van materie rond het zwarte gat gravitatielens-werking van het zwarte gat We kennen thans zwarte gaten met massa s tussen enkele en miljarden zonsmassa s, d.w.z. we postuleren hun voorkomen! Grote massaconcentratie verraadt zich door de grote rotatie snelheden in het centrale gebied. Licht buigt af in het sterke gravitatieveld van een object met hoge massadichtheid - een fascinerend nieuw terrein van de astrofysica 4

5 Geometrie van gravitatielenzen 5