Kompakte Objekte

Abb.: Struktur eines Neutronensterns.
[Grafik: Camenzind]

Weiße Zwerge entstehen am Ende der Entwicklung sonnenartiger Sterne, haben eine Masse von etwa 0,6 Sonnenmassen, sind aber nur so groß wie unsere Erde. Sie bestehen überwiegend aus Sauerstoff und Kohlenstoff und kühlen im Verlauf von Milliarden Jahren langsam ab. Die ersten Weißen Zwerge 40 Eri B und Sirius B wurden vor fast 200 Jahren gefunden, aber lange Zeit nicht verstanden, bis es Chandrasekhar 1931 gelang, ihre Struktur theoretisch zu beschreiben. Er fand eine theoretische obere Grenze von 1,4 Sonnenmassen für Weiße Zwerge, wofür er 50 Jahre später den Nobelpreis in Physik erhielt. Mit Gaia wurden inzwischen über 230.000 Weiße Zwerge in der Milchstraße gefunden - in der Milchstraße gibt es etwa 30 Milliarden dieser Objekte.


Abb.: Schwarz-Loch Merger.
[Bild: LIGO]

Neutronensterne entstehen in der Supernova massereicher Sterne. Diese Vermutung wurde bereits 1934 von Walter Baade und Fritz Zwicky formuliert, nachdem Chadwick das Neutron entdeckt hatte. Neutronensterne weisen eine Masse von 1,2 bis 2,2 Sonnenmassen auf, haben jedoch einen Radius von nur 12 km. Ihr zentraler Bereich besteht daher aus Neutronen, die sich wie eine Flüssigkeit verhalten. Neutronensterne wurden erst 1967 als Radiopulsare entdeckt, da die Astronomen lange Zeit die falschen Objekte gesucht hatten. Heute sind etwa 3000 Radiopulsare bekannt, jedoch auch sog. nackte Neutronensterne (bekannt als die Glorreichen Sieben), die über weiche Röntgenstrahlung kühlen.

Schwarze Löcher sind globale Vakuum-Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen, die es so in der Newtonschen Physik nicht gibt. Ihr Inneres wird durch einen Ereignishorizont abgeschirmt, so dass keine Strahlung nach außen dringen kann. Schwarze Löcher entstehen am Ende der Entwicklung extrem massereicher Sterne aus dem Kollaps der zentralen Neutronensterne. Unsere Milchstraße enthält etwa eine Million solcher Objekte, die nur dann sichtbar werden, wenn sie Materie von einem Partnerstern abbekommen. Wenn zwei solcher Schwarzer Löcher in einem Doppelsternsystem liegen, verliert das System Energie durch Gravitationswellenabstrahlung, so dass nach einigen Millionen Jahren aus den zwei Schwarzen Löchern ein einziges Neues entsteht. Dieses Verschmelzen von zwei Schwarzen Löchern kann mit den LIGO-Detektoren seit 10 Jahren gemessen werden. Bis heute sind 300 dieser Ereignisse detektiert worden.

Daten und Themen des Seminars

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20. Januar: Gravitation kompakter Objekte

==> Die Minkowski Raum-Zeit.
==> Lorentz-Transformationen.
==> Die Lorentz-Gruppe.
==> Lorentz-Vektoren.

27. Januar: Gravitation kompakter Objekte II

==> Lorentz-Transformationen und die Minkowski-Invariante.
==> Die Lorentz-Gruppe.
==> Was sind Lorentz-Vektoren? Kovarianz physikalischer Gesetze.

10. Februar: Zusammenhang Riemann Geometrie

==> Die Metrik einer Raum-Zeit.
==> Zusammenhang einer Raum-Zeit, Christoffel-Symbole.
==> Geodätengleichung, Bsp.: Schwarzschild.

17. Februar: Faschings-Dienstag - Akademie geschlossen

24. Februar: Krümmung Riemann Geometrie

==> Anschauliche Bedeutung der Krümmung.
==> Mathematische Definition des Riemann-Tensors.
==> Bianchi-Identitäten und Einstein-Tensor.
==> Der Energie-Impuls-Tensor.
==> Die Einstein-Gleichungen.

3. März: Krümmung Riemann Geometrie II

==> Zusammenhang, Torsion & Krümmung.
==> Bianchi-Identitäten und Einstein-Tensor.
==> Der Energie-Impuls-Tensor.
==> Die Einstein-Gleichungen.

10. März: TOV-Gleichungen

==> Die sphärisch-symmetrische Raum-Zeit.
==> Relativistisches hydrostatisches Gleichgewicht.
==> Die relativistische Instabilität.
==> Die Schwarzschild-Lösung.

17. März: Weiße Zwerge I

==> Die 4 historischen WZ: 40 Eri B, Sirius B, Procyon B & Stein 2051 B.
==> Weiße Zwerge als Endprodukt der Sternentwicklung.
==> Struktur der WZ - Der Quantendruck der Fermionen.

24. März: Weiße Zwerge II

==> Zustandsgleichung des Fermi-Gases.
==> Die Fermi-Verteilung.
==> Weiße Zwerge und relativistische Instabilität.

31. März: Weiße Zwerge III

==> Übungen zur Zustandsgleichung.
==> Masse-Radius Relation, die typische Masse Weißer Zwerge.
==> Kühlung Weißer Zwerge.
==> Novae, Zwergnovae & Supernova Typ Ia.

7. April: fällt aus - Osterferien

14. April: Supernovae & Neutronensterne

==> Core-Kollaps Supernovae.
==> Neutronensterne als Fermionen-Sterne - Zustandsgleichung.
==> Radius-Massen-Beziehung.
==> Die Frage der maximalen Masse eines Neutronensterns.

21. April: Historische Supernovae

==> Supernova-Überreste in der Milchstraße.
==> Die Supernova in LMC SN1987A - Neutronenstern?
==> Elektron-Capture Supernovae.

28. April: Radio-Pulsare I

==> Die Entdeckung der Radiopulsare.
==> Pulsar-Timing & Pulsar-Diagramm.
==> Pulsar-Magnetosphären und Pulsarwind.
==> Binär-Pulsare.

5. Mai: Radio-Pulsare II

==> Millisekunden-Pulsare.
==> Pulsare mit NICER.
==> Kühlung der Neutronensterne.

12. Mai: Gamma-Burster & Kilonova

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19. Mai: Schwarze Löcher I

==> Horizont der Schwarzschild-Metrik.
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1. Aug. - 7. Sept.: Sommerpause

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15. Dez.: Weihnachtsfeier

==> ab 11:00 Uhr im Bootshaus

20. Dez. - 10. Januar: Weinachtspause

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................: Kompakte Binärsysteme

==> Was sind LMXBs, UCXBs und Schwarze Witwen?

................: VLT & ELT der ESO

==> VLT mit Randall.
==> ELT

................: Begünder der modernen Physik

Galilei gilt als Begründer der modernen Naturwissenschaft. Die Dokumentation zeichnet das Leben des Florentiner Patriziersohnes nach: seine bahnbrechenden Erkenntnisse in Physik und Astronomie, der Prozess gegen ihn vor dem römischen Inquisitionsgericht. Dabei wird mit alten Mythen und Vorurteilen aufgeräumt – besonders, was die Kirche anbelangt.

..............: Reguläre Schwarze Löcher

==> Elektronen tragen zwei Ladungen: elektrische Ladung & Isospin; Quarks tragen drei Ladungen: elektrische Ladung, Isospin & Farbe.
==> Der schwache Isospin und die elektroschwache Wechselwirkung.
==> Schwarz-Loch-Lösungen mit Isospin.

................: 10 Jahre NuSTAR X-Rays

==> NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), das erste Weltraumteleskop für harte Röntgenstrahlung, wurde im Juni 2012 mit einer Pegasus-Rakete gestartet. Es ist Teil des Explorer-Programms der NASA. Das doppelte Wolter-Teleskop des nur 360 Kilogramm schweren Satelliten besitzt eine Brennweite von zehn Metern, die es durch einen ausfahrbaren Arm erreicht.

..............: Akkretion und Jets von SLöchern

==> Wie entstehen die Jets der Radio-Galaxien? Wie breiten sich Jets in Galaxienhaufen aus? Erkläre Cygnus A oder Hercules A!

.................: Gravitationswellen - Zukunft

Seit September 2015 sind über 90 Verschmelzungen von kompakten Objekten nachgewiesen worden. Bis auf zwei handelt sich dabei immer um Schwarze Löcher. Bei diesen Binärsystemen handelt es sich nicht um normale Doppelsternsysteme, sonst wären die Spins eher parallel ausgerichtet. Die Ausrichtung der Spins deutet darauf hin, dass diese Systeme bestehend aus zwei Schwarzen Löchern im Zentrum von dichten Kugelsternhaufen durch Merging entstanden sind. Wir schauen auch in die Zukunft und diskutieren die Detektoren A+, Voyager, Cosmic Explorer und Einstein Teleskop.

................: Schwarze Löcher in Galaxien

Jede Galaxie beherbergt heute ein Schwarzes Loch im Zentrum. Unsere Milchstraße bildet keine Ausnahme dazu.

................: Die Plejaden in Gaia EDR3

==> Vertiefung zu Sternentwicklung.
==> arXiv:2110.03837

..................: Distanzen im expanierenden Universum

==> Vertiefung zur Bedeutung von Distanzen.

...................: Cluster Gravitationslinsen

==> arXiv:2103.16965

..............: Sterne bis zu 10 pc Gaia

==> Vertiefung zu unserer Nachbarschaft bis zu 10 pc Entfernung in Zoom-Sitzung.

..................: Bennu hin und zurück

OSIRIS-REx (Origins Spectral Interpretation Resource Identification Security – Regolith Explorer) ist eine Raumsonde der NASA, die am 8. September 2016 mit einer Atlas-V-Rakete gestartet wurde, um vom Asteroiden (101955) Bennu Proben zur Erde zurückzubringen. Bennu ist ein erdnaher Asteroid vom – häufigsten – C-Typ, der kohlenstoffreich ist und deswegen eine dunkle Oberfläche besitzt. Bennu hat einen Durchmesser von 494 m. In der Nacht vom 20. auf den 21.10.2020 erfolgte der erfolgreiche touchdown auf Bennu. Nächstes Jahr beginnt die Rückkehr zur Erde.

................: Der Solar Orbiter der ESA

Solar Orbiter: Mission zur Sonne und inneren Heliosphäre zur Untersuchung der Beziehungen Sonne-Heliosphäre und Sonne-Erde durch Beobachtungen mit hoher Auflösung. Die wissenschaftlichen Motivation für die Mission Solar Orbiter ist es, Multiwellenlängen-Beobachtungen der Sonnenatmosphäre und umfassende in-situ Messungen der unerforschten inneren Heliosphäre mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu gewinnen.