Forelesning 16: Nøytronstjerner og sorte hull

Presentasjon om: "Forelesning 16: Nøytronstjerner og sorte hull"— Utskrift av presentasjonen:

1 Forelesning 16: Nøytronstjerner og sorte hull
AST1010 – En kosmisk reise Forelesning 16: Nøytronstjerner og sorte hull

2 HR-diagram: Logaritmisk skala for både L og T
(Ikke glem at temperaturen øker mot venstre.)

3 Karbondetonasjon vs. kjernekollaps
Fusjon kun i karbondetonasjon – ikke fusjon i en kjernekollaps-supernova Kjernekollaps: Resten av stjerna fortsatt utenfor den kollapsende kjernen Karbondetonasjon: Hele den hvite dvergen kollapser

4 Dagens tema Navn Kommer fra Lysstyrke Etterlater seg Karbon-detonasjon
Type 1a Hvit dverg (1.4 Msol) Stort sett alltid lik Ingenting Kjernekollaps (Type 1b, 1c, 2) Stjerne > 8 Msol Varierer med stjernas masse Nøytronstjerne eller sort hull Par-ustabil Stjerne > Msol (men ikke alle) Ca. 100 x mer enn karbondetonasjon

5 Hva er en nøytronstjerne?

6 Nøytronstjerner er ekstremt kompakte
Eksempel: Nøytronstjerne med radius lik 10 km, samme masse som solen. Gjennomsnittstetthet = 5 x 1017 kg/m3 En milliard ganger tettere enn en hvit dverg! En Iphone laget av nøytronstjernestoff ville ha veid 2.5 x 1013 kg, ca. 30 ganger mer enn den samlede vekten av verdens befolkning!

7 Kan man ta på en nøytronstjerne-bit?
Fra boken ”What if?” av Randall Munroe

8 Den første pulsaren I

9

10 Forklaring? Så flere pulsarer, perioder i ms-s-området.
Må være et svært kompakt objekt. Pulserende/roterende hvit dverg ville bli revet i biter av så raske pulser/rask rotasjon. Eneste mulighet: roterende nøytronstjerne.

11 Vi får topper i signalet når en av de magnetiske polene peker mot oss
Pulsar: Roterende nøytronstjerne med sterkt magnetfelt sender ut stråling Vi får topper i signalet når en av de magnetiske polene peker mot oss

12 Under 8 solmasser: Ender som hvit dverg
8-25 solmasser: Ender som nøytronstjerne Mer enn 25 solmasser: Ender som sort hull

13 Legg merke til at mye masse går tapt i planetarisk tåke/supernova
Hvit dverg/nøytronstjerne/sort hull mye mindre massiv enn opprinnelig stjerne

14 Nøytronstjerne hvis opprinnelig stjerne veier 8-25 solmasser
(Mye av stjernas masse tapt i kjernekollaps-supernova.)

15 Hva motstår tyngdekraften?
Hvit dverg: Trykk fra degenererte elektroner Nøytronstjerne: Trykk fra degenererte nøytroner Sort hull: Ingenting – total kollaps

16 Unnslipningshastighet
Hvor raskt må man bevege seg for å slippe unna gravitasjonsfeltet til et himmellegeme? ”Sprettert-situasjon”, dvs. uten motor Også uten luftmotstand, kun tyngdekraften som bremser en ned

17 Unnslipningshastighet
Jorden: km/t Hvit dverg (1 Msol): 23 millioner km/t Nøytronstjerne (1 Msol): 586 milloner km/t Sort hull: Over lyshastigheten (1.08 milliarder km/t)

18 Selv ikke lys kan unnslippe

19 Schwarzschild-radien

20 Schwarzschild-radien
Presser du noe sammen til en kule med denne radien, blir det et sort hull Solens Schwarzschild-radius: ca. 3 km Jorden: ca. 9 mm Foreleseren: ca m

21 Eventhorisonten Punktet der unnslipningshastigeten er akkurat lik lysets hastighet For et sort hull er dette identisk med Schwarzschild-radien Alle massive objekter har en Schwarzschild-radius, men det kalles ikke en eventhorisont før objektet presses sammen til et sort hull

22 To myter om sorte hull De er ”kosmiske støvsugere” som til sist vil suge til seg all masse i universet. Å falle inn i et sort hull er en smertefull død.

23 To myter om sorte hull De er ”kosmiske støvsugere” som til sist vil suge til seg all masse i universet. Langt unna et sort hull vil tyngdekraften være lik den fra en stjerne med samme masse Langt nok unna kan en gå i bane rundt et sort hull uten problemer (tyngdekraften avtar raskt med økt avstand)

24 Å falle inn i et sort hull

25 Å falle inn i et sort hull
Det er ikke tyngdekraften i seg selv som er farlig, men forskjellen i tyngdekraften på, for eksempel hodet og føttene. Det vil si: Tidevannskrefter! Forskjell i tyngdekraft går som 1/R3. Sorte hull: R=2GM/c2. Det vil si: Jo større sort hull, desto lenger inn kan du falle før tidevannskreftene dreper deg.

26 Å falle inn i et sort hull
For en observatør langt borte, vil tiden se ut til å gå stadig saktere for personen som faller inn i det sorte hullet (generell relativitetsteori) Klokke på offerets arm vil gå stadig saktere Ved horisonten til det sorte hullet vil det se ut som om tiden stopper for den som faller inn Doppler-effekt: Lyset fra personen som er ”frosset” i tid vil bli rødere og rødere

27 Å falle inn i et sort hull
For personen som faller inn i det sorte hullet, vil egen klokke gå helt normalt Tidevannskreftene øker jevnt, men man merker ikke noe spesielt idet horisonten krysses Nær horisonten kan man imidlertid se baksiden av sitt eget hode

28

29 Hvorfor ser det sorte hullet slik ut?
Warner Bros.

30 Å falle inn i et sort hull
Innenfor horisonten vil en se innover i alle retninger rundt seg (se tavle) Kan etter hver se mange ”kopier” av ting som falt inn før en selv (se tavle) Sort hull med 1 solmasse: Maksimalt 7 mikrosekunder å falle fra horisont til sentrum Sort hull i Melkeveiens sentrum: Maksimalt 1 minutt!

31 Å falle inn i et sort hull
Nervesignaler: 20 – 40 ms å nå hjernen I et lite sort hull rekker man ikke å føle smerte etter å ha passert horisonten Problemet er at der vil tidevannskreftene ta knekken på deg før horisonten krysses Større sort hull: Kan krysse horisonten uten å dø, men har mer tid til å føle smerte etterpå

32

33 Sorte hull i ”alle” størrelser
Supermassive sorte hull, 109 – MSOL i kjernene til aktive 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 3 MSOL) er rester etter supernovaer. Mikroskopiske sorte hull – M ~ 104 – 106 tonn kan ha blitt dannet i Big Bang – ”fordamper” - ikke påvist.

34 Sorte hull kan stråle Hawking (1974): Kvantefysiske effekter nær horisonten fører til at sorte hull kan sende ut stråling. Samtidig mister de masse, tilsvarende energien i den utsendte strålingen. Sorte hull vil derfor fordampe! Men: Levetiden er ekstremt lang i normale tilfeller.

35

36 Levetid som funksjon av masse
M (Solmasser) Rs (km) T (K) Levetid / 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 Kun de minst massive kan ha fordampet foreløpig

37 Roterende sorte hull

38 Sentralområdet i galaksen

39 Sentralområdet i galaksen: Stjernebaner
AST Melkeveien

40 Sort hull i sentrum av Melkeveien
Massen til sentralobjektet er ca. 4.3 millioner solmasser. Kan ikke være større enn ca. 0.3 AU (44 milloner kilometer) pga. stjernebaner. Den eneste type objekt som er kompakt nok, er et sort hull!

41 Hvordan ble det sorte hullet dannet?
Alle galakser ser ut til å ha supermassive sorte hull i sentrum. Det forskes fremdeles på hvordan de ble dannet. En naturlig tanke er at utgangspunktet var et sort hull på solmasser som har vokst seg større ved å ”spise” masse. Utfordring: Det viser seg at sorte hull med masser rundt 1 milliard solmasser fantes allerede da universet var ca. 1 milliard år gammelt.

42 Direkte kollaps? Kan en gass-sky kollapse direkte til et sort hull uten å bli en stjerne? En enorm gass-sky vil vanligvis brytes opp i mange stjerner (om den er kald nok) Men om gassen er varm, vil ikke dette skje Tidlig univers: Varm gass (UV-stråling) kan ha forhindret stjernedannelse  direkte sort hull