Supernova: Was verursacht den Rückstoß?

War das nicht so das die schwere Materie in den Kern fällt und da einfach "aushärtet"? Wenn dann leichtere Materie durch Gravitation mit hoher Geschwindigkeit auf den Kern gezogen wird, dann prallt das einfach ab. Als würdest du nen Golfball aus mehreren Metern höhe auf Asphalt fallen lassen.

Aaalso ich meine mich errinern zu können das mal so ähnlich wie Arp das schrub gelesen zu haben.
Die Dichte im Kern nimmt schlagartig zu, weshalb das Zeuch bildlich gesprochen plötzlich hart wird. Dadurch bildet sich wohl so eine Art "Oberfläche" aus, also eine sehr dünne Zone mit einem sehr starken Dichtegradienten, die dann wie eine Mauer wirkt, während die darauf zustürzende Materie eher gasförmig ist und deshalb beim Stoß den größten Teil der kinetischen Energie bekommt. In dem Zusammenhang kann man vllt. an einen Ball denken, den man gegen eine Mauer wirft. Die bewegt sich im allgemeinen nicht und der Ball ist abgeprallt.

cs
jonny

Hallo Hansen,

Das ist ein sehr komplexes Thema, das auch von der aktuellsten Forschung noch nicht abschliessend beantwortet ist.

Generell ist es ziemlich sicher so, dass die durch das "Zurückprallen" der mit ~20% Lichtgeschwindigkeit einstürzenden Sternmaterie von der harten Oberfläche des Protoneutronensternes ausgelöste Stosswelle innerhalb von Millisekunden durch energieverbrauchende Dissoziation schwerer Elemente in der Sternhülle zum erliegen kommt.

Das kann also nicht der direkte Grund für die Explosion sein. Man nennt das auch sehr poetisch "Versagen des prompten Explosionsmechanismus".

Da man die Explosion aber dennoch beobachtet, muss es einen Mechanismus geben, der innerhalb der nächsten Sekunden etwa 10^51 erg an Energie auf die Sternhülle überträgt.

Du weisst ja sicher, dass der grösste Teil der beim Kernkollaps freiwerdenden Energie in Neutrinos geht: Einmal electron capture neutrinos aus der Wechselwirkung von Elektronen und Protonen zu Neutronen, die den Kern erst zum Neutronenstern machen, und vor allem thermische Neutrino-Antineutrinopaare, die vom 100 Milliarden Kelvin heissen Protoneutronenstern "abkochen", und ihm so erst ermöglichen zu kühlen und seine Endkonfiguration zu erreichen.

Insgesamt tragen diese Neutrinos ~10^53 erg an Energie weg.

Es ist nicht unplausibel, dass davon ~Prozent durch nukleare Wechselwirkungen an die Sternhülle übertragen werden könnten, und somit genug Energie für die sichtbare Explosion zur Verfügung stellen. Zwar ist der Wechselwirkungsquerschnitt für Neutrinos sehr klein, aber das einstürzende Material erreicht auch hohe Dichten, und es gibt *sehr* viele Neutrinos
(etwa 10^57 -> der Neutrinopuls einer Kernkollaps - Supernova ist eines der leuchtkräftigsten Ereignisse überhaupt. 100 mal energiereicher als das was man als Explosion "sieht". Bei der Supernova 1987A war er stark genug um in einer Entfernung von
157 000 Lichtjahren in Experimenten detektiert zu werden, die eigentlich gebaut wurden um nach Protonzerfällen zu suchen!).

Eine weitere Rolle kann das enorm verdichtete Magnetfeld des Sternes im Zusammenhang mit der Rotation spielen. Das alles ist wie gesagt zur Zeit noch ein hochaktuelles Forschungsthema.

Ich hoffe das hilft schonmal etwas weiter, frag gerne nochmal nach!
Viele Grüsse,
Dominik

Hallo Hansen,
im Wikiartikel ist das doch eigentlich schön beschrieben. http://de.wikipedia.org/wiki/Supernova#Kernkollaps

Der im Vorfeld entstandene Eisenkern bricht zunächst durch den auf ihm lastenden Druck zusammen und kollabiert zu einer Neutronenmasse. (Das verbraucht zwar Energie, auf der anderen Seite wird durch den Kollaps ja Potentialenergie freigesetzt (Gerade im hoch kompakten Zentrum darf man die als Potentialenergie (Gravitationsenergie) gespeicherte Energie nicht unterschätzen). Dieser Kollaps hört dann allerdings abrupt auf, weil unter den typ. Bedingungen diese Neutronenkugel im Zentrum nicht weiter komprimiert werden kann. Nachstürzende Gasmassen fallen hinterher und prallen ab (wie bei einem Auffahrunfall), wodurch eine Stoßwelle erzeugt wird, die um den Kern herum zu einer massiven Verdichtung und Temperaturerhöhung führen, was die explosive Wirkung begründet. Diese Welle wandert vom gerade gestoppten Kernkollaps-Rand wieder nach außen. (An dieser Stelle müsste man mal schauen, inwieweit die Druckwelle direkt nach außen gelenkt wird oder innerhalb einer Schicht um den Kern herum gelenkt wird. Wenn ich mich nicht täusche hängt das von Dichte und deren Veränderung in den Schalenschichten ab. Wie entwickelt sich also die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit zur Temperatur und zur Dichte (und der Gaszusammensetzung).

Ähnliche Wirkungen gibt es bei Schiffsschrauben, die teilweise das umliegende Wasser so schnell bewegen, so dass der lokaler hydromechanische Wasserdruck absinkt, das Wasser kocht und in Dampf übergeht. Dreht das Schraubenblatt in tiefere Wasserschichten steigt der hydrostatische Druck (durch die Wassertiefe), die Dampfblase kollabiert plötzlich und erzeugt eine kleine implosive Druckwelle, die zu Materialermüdung an der Schiffsschraube führt (Kavitation).

Wie Stoßwellen die notwendige kritische Nova-Energie freisetzen können, müsste wohl klar sein bzw. erklärt sich über die Energieübertragung mittels Neutrinos. (Naja, eigentlich ist das alles andere als klar.)

Inwieweit nicht nur die Stoßwelle, sondern ganze Schwingungen in einer stehenden Welle als Auslöser in Frage kommen, entzieht sich meiner Kenntnis. Aber sicherlich gibt es Unterschiede in der Entstehungszeit der Stoßwelle auf der Äquatorebene des Sterns versus der Polachse am kollabierten Kern - alleine durch die unterschiedlichen Fliehkräfte. Wenn da kollabierende Prozesse im Sekundenbereich mit Sonnenmassen stattfinden, darf man den Drehimpuls sicherlich nicht mehr ignorieren. Der führt zu unterschiedlichen Zündungszeitpunkten je nach Rotationsgeschwindigkeit zwischen Äquator und Pol, und solche Effekte können sich sicherlich an Knotenpunkten verstärken. Das sind nur Überlegungen, ich da kein Speziallist, es erinnert mich halt an die Schallmuster von Sägemehl auf einer Trommel.

Wie die Gasmassen von innen nach außen durch die Schichten des Stern dann beschleunigen, erinnert mich bildhaft an den Peitscheneffekt. Schließlich nimmt die Dichte des Gases nach außen ab. (Aber der Vergleich mag auch hinken.)

Gruß
wie Du siehst, versuche ich mich in diversen Analogien, die sicherlich hinken mögen, auf der anderen Seite auch ohne Formeln zugänglich sein könnten.

Ohne Gewähr auf Richtigkeit [;)] Ist nur ein Hobby für mich.

Der Wikiartikel ist schon OK, aber der tatsächliche Ablauf kommt leider nicht mit den richtigen Prioritäten rüber.
Es stimmt, dass das Magnetfeld eine Rolle spielt, dass es Schwingungen im Sternmaterial gibt, die zu einer nicht völlig radialsymmetrischen Explosion führen werden (die Supernovareste die man findet zeigen das ja auch in ihrer Form, und auch die hohen Eigengeschwindigkeiten entwichener Neutronensterne). Es ist sogar nicht unplausibel, dass es Wechselwirkungen zwischen dem nach aussen gehenden Neutrinostrom und dem Magnetfeld gibt. Denn zusammen mit der (experimentell mittlerweile bestätigten!) Tatsache dass Neutrinos eine von null verschiedene Ruhemasse haben, sagt man für sie auch ein kleines aber vorhandenes induziertes magnetisches Moment vorraus.

Und bis in die 80er dachte man auch dass man mit dem Rebound und den Oszillationen die Explosion verstehen könnte. Nur, seitdem man brauchbare Computermodelle hat, bringt man nur damit die Supernovae nichtmehr zum explodieren. Wie gesagt, die Photodesintegration schluckt einfach viel zu effizient die anfänglich vorhandene Energie in der Stosswelle vom von meinen Vorpostern beschrieben Zurückprallen des Sternmateriales von der superdichten Neutronensternoberfläche (vergleiche: die nukleare Bindungsenergie der verbliebenen Masse an schweren Elementen ist in Summe schon vergleichbar der totalen Energie der Stosswelle!).

Um diese Stosswelle nach ihrem anfänglichen -unvermeidlichen- Tod wiederzubeleben sind - da eben fast alle anfängliche Energie in Neutrinos geht - diese eigentlich die einzig logische Wahl.

(Übrigens: Bei einer Kernkollaps-Supernova spielt Energiefreisetzung durch Fusion *zu Anfang*(!) keine Rolle. Später, wenn die Stosswelle bereits auf dem Weg zur Sternoberfläche ist, können Fusionsprozesse etwas beitragen. Weiterhin finden in Kernkollaps Supernovae vermutlich auch die sogenannten r-Prozesse statt, die durch schnellen Neutroneinfang Elemente weit jenseits Eisen aufbauen können. Es *gibt* aber auch echte thermonukleare Supernovae, die vom Typ Ia z.B., bei denen tatsächlich der Zündungsverlauf durch die Rotation beeinflusst werden kann)

Zurück zu den Neutrinos: es stimmt dass diese nur schwach wechselwirken. Aber: manchmal gibt es eben doch Wechselwirkungen, sonst könnte man die Dinger ja logischerweise gar nie direkt nachweisen! Eben über die schwache Kernkraft, welche z.B. den Betazerfall steuert. Auch durch die Erde gehen so nicht *alle* Sonnenneutrinos, einige wenige bleiben z.B. in den Neutrinodetektoren der Astrophysiker, und ab und an auch im z.B. Körpergewebe von Menschen, Tieren, und allem anderen...

Und dann ist halt der Energieübertrag einfach eine Frage der Raten: Ich brauche ja insgesamt nur ~1% der Energie in den Neutrinos um den Stern gravitativ zu "entbinden" (<- sozusagen die Supernova auf die Welt zu bringen xD), und natürlich finden umso mehr Wechselwirkungen statt je mehr Materie ich in den Weg stelle (so wie sich jede Art Strahlung durch mehr streuendes/absorbierendes Material besser abschirmen lässt). Darum hilft es dass so viel Material nachstürzt, und die Dichte sorgt wiederum für einen vorerst effizienten Einschluss der deponierten Energie. Das Durchbrechen dieses Einschlusses durch die wiederbelebte Stosswelle ist dann der Beginn der für uns sichtbaren Supernova. (-> diese Stosswelle braucht durchaus Stunden bis zur Oberfläche des Sternes, und so detektierte man auch den Neutrinopuls von 1987A 18 Stunden vor den ersten optischen Beobachtungen. Der Neutrinoburst selbst / genauer: beide Neutrinobursts / dauerten aber nur 13 Sekunden).

Die Zahl der Neutrinos insgesamt kann man ganz leicht ausrechnen: Die insgesamt freiwerdende Energie aus dem Kollaps ist 10^53 erg (-> ~~10% der Ruheenergie einer Sonnenmasse, was plausibel für den Kollaps eines Eisenkernes von Grössenordnung Sonnenmasse in einem weit entwickelten Riesenstern zu einem sehr kompakten Objekt, das allerdings noch kein schwarzes Loch ist, ist).
Ich sagte ja die meisten Neutrinos sind thermisch, und der Neutronenstern ist damit 100 Milliarden Kelvin heiss.

100 Milliarden Kelvin entsprechen einer durchschnittlichen thermischen Energie eines emittierten Teilchens von ein einigen 10 MeV oder ~~10^-4 erg (Überschlag im Kopf: der Zusammenhang ist linear, und man kennt ein anderes Beispiel: die Sonne ist 5800K heiss und emittiert bei ~2 eV im Maximum / grünes Licht. Für die Einheiten weiss man dass 1 erg ~~ 1 TeV ist). Folglich kann man die 10^53 erg in einige 10^53/(10^-4) = 10^57 Neutrinos umsetzen. Scary, oder?

Viele Grüsse,
DK