Late%20evolutiestadia%20van%20sterren

1
Late evolutiestadia van sterren
Paul Groot Afdeling Sterrenkunde, IMAPP Radboud
Universiteit Nijmegen pgroot_at_astro.ru.nl
2
Leven na de hoofdreeks

• Op de hoofdreeks fuseren sterren waterstof.
• Hoeveelheid is eindig.
• Bij de Zon Na zon 10 miljard jaar houden de
  fusie processen op.

3
Sterstructuur
Waterstof mantel
helium kern
4
De He kern

• Wat gebeurt er met deze kern?
• Gewicht van de lagen erboven duwt op de kern
• Geen fusie om tegendruk te leveren.

Fg(mantel)
H mantel
Fg(kern)
He kern
Pgas
5
Drukevenwicht
Kracht naar buiten gasdruk van de kern Pkern
(R /µ) ? T Kracht naar binnen gewicht van
buitenlagen eigen gewicht van de kern.
6
Schönberg-Chandrasekhar limiet
Als Mkern lt 0.13 Mzon kern is stabiel.
? Geen
ineenstorting! Als Mkern gt 0.13 Mzon kern is
instabiel ?
Directe instorting Dit treedt op voor een begin
massa van 2 - 2.5 Mzon
7
De Helium kern
Voor sterren met M gt 2 Mzon
Kern stort in elkaar, Temperatuur gaat
omhoog door potentiele energie die vrijkomt.
T? P ?
8
Evolutie van een 10 Mzon ster

• Temperatuur van kern loopt snel op bij
  ineentrekking
• Twee gevolgen
• Waterstof schilverbranding
• De ster wordt een reus.

9
Waterstofschilverbranding
Elk fusie proces heeft ontbrandings temperatuur

10
Waterstofschilverbranding
Elk fusie proces heeft ontbrandings temperatuur

Ontbranding van H 4 miljoen Kelvin Ontbranding
van He 100 miljoen Kelvin. De kern is
isothermal de temperatuur is hetzelfde door
de kern heen
T
R
Rkern
11
Waterstofschilverbranding
Als T (Rkern) gt 10 miljoen K Ontbranding van
waterstof in schil
T
10 MK
He
H
He
H
R
Rkern
Schilverbranding
12
Waterstofschilverbranding
Omdat T? door contractie gaat L? ook enorm
omhoog. Fusie verloopt via CNO proces e e0 T16
L
T
L
10 MK
He
H
He
L
H
L
R
Rkern
Schilverbranding
13
Viriaal theorema

• Eén vorm van het viriaal theorema is dat bij
  contractie de helft van
• de potentiele energie in de lichtkracht gaat
  zitten en de andere helft
• in de opwarming van de ster.
• Echter Voor sterren in hydrodynamisch evenwicht
  geldt ook dat
• De totale kinetische energie van de ster moet
  gelijk blijven en
• De totale potentiele energie van de ster moet
  gelijk blijven.
• Ekin S (½ mi vi2) N k T
• Epot -GM2 / R

14
De tweedelige ster
Stel we splitsen de ster op in twee delen een
kern en een mantel Ekin (Ekin)kern
(Ekin)mantel Nkern k Tkern Nmantel
kTmantel Epot (Epot)kern (Epot)mantel
-G(Mkern2 / Rkern Mmantel2 /
Rmantel) Dus als Tkern omhoog gaat en Rkern
naar beneden, gaat (Ekin)kern omhoog en
(Epot)kern naar beneden. Dit moet gecompenseerd
worden door de mantel!!
15
De tweedelige ster
Na contractie v/d kern
Voor contractie v/d kern
schilverbranding
16
Een rode reus
Na contractie v/d kern
De ster wordt dus helderder en groter/koeler
schilverbranding
17
Evolutie in het HRD
Hoofdreeks
Rode Reus
100 R_sun
10 R_sun
1 R_sun
10 Mzon
Snel!!
log L
0.1 R_sun
0.01 R_sun
log T
18
Hertzsprung Gap
Kans om zware ster op weg naar reuzentak te zien
is klein Dit is het Hertzsprung Gat
19
Dredge-up fase
Materiaal uit het binnenste komt naar de
oppervlakte
20
Helium ontbranding

• Op het bovenste punt van de reuzentak bereikt de
  kern
• de helium ontbrandings temperatuur.
• Kernfusie van helium in het centrum komt op gang

21
Helium ontbranding
Bij fusie van He wordt koolstof en zuurstof
gemaakt.
22
Helium kern fusie
Als de kern weer opwarmt door fusie zet hij uit.
I.e. de mantel moet weer krimpen. De ster
komt neer van de reuzentak en komt op de
horizontale tak
Epot (Epot)kern (Epot)mantel
Potentiele energie van de kern neemt toe die van
de mantel neemt af krimp.
23
Helium kern fusie
Als de kern weer opwarmt door fusie zet hij uit.
I.e. de mantel moet weer krimpen. De ster
komt neer van de reuzentak en komt op de
horizontale tak
24
Evolutie in het HRD
Hoofdreeks
Helium kern verbranding start
100 R_sun
10 R_sun
1 R_sun
Horizontale tak
10 Mzon
log L
0.1 R_sun
0.01 R_sun
log T
25
Helium kern fusie
Energie die vrijkomt bij helium fusie is
ongeveer 1/10e van H-fusie. Levensduur van
He hoofdreeks is dus ook slechts 1/10e van
de hoofdreeks
En dan?
26
De asymptotische reuzentak
Ster bestaat nu uit C/O kern, helium laag en
daaromheen H laag.
H mantel
He mantel
C/O
27
De C/O kern
Als helium op is in de kern deze gaat
samen trekken, T?
H mantel
He mantel
28
De C/O kern
Potentiele energie van de kern neemt af Mantel
gaat weer uitzetten.
H mantel
He mantel
29
Helium schil verbranding
Buiten de C/O kern kan nu helium in een
schil verbranden en buiten He mantel kan H in
schil verbranden.
H mantel
H schilverbranding
He schilverbranding
He mantel
30
Evolutie in het HRD
Rode super reus
Hoofdreeks
Rode Reus
100 R_sun
10 R_sun
1 R_sun
Horizontale tak
10 Mzon
log L
0.1 R_sun
0.01 R_sun
log T
31
Rode Superreuzen
32
Rode Superreuzen
33
Tweede dredge-up fase
Weer komt materiaal uit het binnenste naar het
oppervlak
Materiaal uit het binnenste komt weer naar de
oppervlakte
34
Vervolg fasen
Als een ster meer dan 8 Mzon heeft bij het
begin op de hoofdreeks, dan doorloopt hij alle
fusiestadia tot aan de ijzer kern.
35
En dan?
Wat gebeurt er als de ijzer kern is gevormd
volgende week.
36
Evolutie van 1 Zonsmassa
De kern van 1 Mzon aan het einde van de
hoofdreeks is lt0.13 Mzon. Dit is te licht om
meteen te gaan samentrekken. Eerst ontbrandt H in
schil waarmee de kernmassa toeneemt. De ster zal
langzaam de reuzentak op gaan.
37
Evolutie in het HRD
Rode super reus
Hoofdreeks
Rode Reus
100 R_sun
10 R_sun
1 R_sun
Horizontale tak
10 Mzon
log L
0.1 R_sun
0.01 R_sun
log T
38
Einde van de Aarde
39
Helium verbranding
Op de top van de reuzentak kan helium verbranding
in de kern.
Maar.
40
Gedegenereerde materie
Normaal gesproken is het gas in een ster een
ideaal gas
maar als de dichtheid heel hoog oploopt kan er
een andere toestand optreden.
Harde bollen
P (R /µ) ? T
41
Gedegenereerde materie
Deeltjes zoals electronen en neutronen mogen niet
oneindig dicht op elkaar zitten Het
uitsluitingsprincipe van Pauli
Komt volgende week uitgebreider aan bod, maar
belangrijk punt De druk hangt niet van de
temperatuur af!
P K1 ?5/3
42
De thermostaat
P? R?
Fusie in een ideaal gas is een thermostaat
T? P?
Fusie, T?
R? T?
Een stabiele configuratie
R? T?
T? P? Fusie ?
P? R?
43
Maar in een gedegenereerd gas
Fusie in een gedegenereerd gas is instabiel
Fusie, T?
T? P
T? Fusie?
Boem!!!!
Fusie? T?
44
De Helium flits
De kern van een 1 zonsmassa ster op de rode
reuzentak is licht gedegenereerd. Helium
ontbranding leidt tot een heliumflits. De
ster overleeft het want meeste energie wordt
geabsorbeerd door de mantel. Eén zonsmassa
ster komt plotseling weer te voorschijn op
horizontale tak.
45
Evolutie in het HRD
Hoofdreeks
Rode Reus
100 R_sun
10 R_sun
1 R_sun
Horizontale tak
10 Mzon
Heliumflits
log L
0.1 R_sun
0.01 R_sun
log T
log T
46
Na de horizontale tak
Rode super reus
Hoofdreeks
Rode Reus
100 R_sun
10 R_sun
1 R_sun
Horizontale tak
10 Mzon
Heliumflits
log L
0.1 R_sun
0.01 R_sun
log T
47
Het HRD