2005 World Year of Physics

Cosmology and Astro Physics


*
Structures of Macro Objects
*

Cosmological Standard Model and Evolution of Stars
Die Kosmologie erklärt die Evolution (zeitliche Entwicklung) und
die großräumigen Strukturen des Kosmos (Universums, der Welt).
[griech. "ho kósmos" ... Welt(ordnung), (gestirnter) Himmel;
lat. "univérsum" ... Weltall.]

Die Astrophysik erforscht die Entwicklung und Zusammensetzung
der Sterne und Galaxien.
[griech. "to ástron" ... Stern(bild), Gestirn;
"ho galaxías (kýklos)" ... Milchstraße am Himmel.]

1. Das kosmologische Standardmodell.



Im Folgenden bedeutet t die absolute Zeit
in Sekunden s bzw. Jahren a nach der Schöpfung,
T die mittlere Temperatur des Weltalls in Kelvin K und
E die mittlere thermische Energie in Elektron-Volt eV.
(*) t = 0s ... Die Schöpfung des Universums
aus dem Ylem (Uratom, kosmischen Ei),
der Urknall oder Big Bang.
Die 4 Wechselwirkungen sind in einer fundamentalen vereinigt.
(*) t = 10-43s ... 1. Phasenübergang,
Abkopplung der Gravitation aber weitere Vereinigung von
starker, elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung,
entsprechend den "Großen vereinheitlichten Theorien"
(Grand Unified Theories);
T = 1032K, E = 1019GeV;
Ununterscheidbarkeit von Leptonen und Quarks;
Gleichgewicht mit Photonen;
leichter Überschuß von Teilchen gegenüber Antiteilchen
im Verhältnis (109 + 1) : 109.
(*) t = 10-35s ... 2. Phasenübergang,
Entkopplung der starken Wechselwirkung aber weiterhin
Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung
als elektroschwache Kraft;
Zusammenschluß von Quarks zu Hadronen einschließlich Nukleonen;
T = 1027K, E = 1014GeV.
(*) t = 10-12s ... 3. Phasenübergang,
Abkopplung der elektromagnetischen Wechselwirkung;
T = 1016K, E = 103GeV.
(*) t = 10-6s ... Annihilation aller Anti-Hadronen
und der Hadronen bis auf 10-9 ihrer ursprünglichen Anzahl;
T = 1013K, E = 1GeV;
Unterschreiten der Minimalenergie für Proton- und Neutron-Paarerzeugung,
gamma --> p+ + p-, gamma --> n + n*.
Nur mehr die Umkehrprozesse laufen ab.
Nach der hadronischen Paarvernichtung herrscht
Gleichgewicht zwischen Leptonen und Photonen: Leptonen-Ära.
(*) t = 10s ... Annihilation aller Anti-Leptonen
und der Leptonen bis auf 10-9 ihrer ursprünglichen Anzahl;
T = 109K, E = 1MeV;
Unterschreiten der Minimalenergie für Elektron-Paarerzeugung,
gamma --> e- + e+.
Nur mehr der Umkehrprozess läuft ab.
Nach der leptonischen Paarvernichtung beginnt die
Strahlungs-Ära der Neutrinos und Photonen.
Nun wird die Nukleosynthese möglich: Fusion von Protonen und Neutronen
zu leichten Atomkernen, wie Deuterium-, Helium- und Lithium-Ionen.
(*) t = 104a ... Bildung von leichten Atomen,
wie Wasserstoff und Helium;
T = 3000K, E = 1eV.
Nach der Bindung freier Elektronen entsteht erstmals Licht
mit Rotverschiebung durch die Expansion des Universums.
(*) t = 109a ... Bildung von Galaxien;
T = 10K, E = 1meV;
Domination von Materie über Strahlung.
(*) t = 1010a ... Bildung von Sonnen-Systemen;
T = 3K, E = 0.3meV.

2. Die Genese (Entstehung) der Sterne.



(*) Aus interstellaren Gas- und Staub-Wolken,
die hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen
und eine gewisse Minimal-Masse überschreiten.
Diese Wolken weisen im allgemeinen eine leichte Rotation auf,
besitzen also einen Drehimpuls S != 0.
(*) Unter der eigenen Gravitation findet eine
sukzessive Kontraktion (Verdichtung) der Gas-Wolke statt.
Durch Abnahme des Radius verringert sich das Trägheitsmoment theta,
erhöht sich also die Rotationsgeschwindigkeit omega
(wegen der Erhaltung des Drehimpulses, theta*omega = S = const.).
(*) Durch die Schwerkraft kann weiter Gas und Staub aufgesammelt werden.
(*) Infolge der Kontraktion wird potentielle Schwerefeld-Energie der Gas- bzw. Plasmateilchen
in kinetische Energie umgewandelt und äußert sich in einer Temperaturerhöhung.
(*) Bei hinreichend großer Masse des Objektes steigt die
Kompressions-Temperatur auf 1.5*107K
und dann besitzen die Protonen im hochenergetischen Bereich der
Maxwell/Boltzmann-Verteilung
genügend Bewegungsenergie, um mit einer gewissen Reaktionsrate
die elektrostatische Coulomb-Abstoßung zu überwinden und in Fusionsprozessen
(z. B. Bethe/Weizsäcker-Zyklus) zu reagieren,
wodurch ein junger, heißer Stern geboren ist.
(*) Je nach seiner Masse M
(oberhalb einer Minimalmasse von 0.08 Sonnenmassen, 0.08*Mo)
besitzt der Stern verschiedene Temperatur T und Leuchtkraft L (=Strahlungsleistung);
dementsprechend wird er Gelber oder Blauer Zwerg genannt.

3. Das Hertzsprung/Russell-Diagramm.



(*) Ist ein T-L-Diagramm, das die Leuchtkraft L eines Fixsterns
in Abhängigkeit von dessen Temperatur T darstellt.
(*) Statistisch liegen die meisten Fixsterne in der Hauptreihe des Diagramms
und heißen Zwerge (Zwergsterne).
Diese Hauptreihe ist gekennzeichnet durch folgende Proportionalitäten:
L ~ M4, Radius R ~ M, T ~ M1/2,
also log(L) = 8 log(T) + const. (doppelt logarithmisch aufgetragen eine Gerade).
(*) Die Massen M der Zwerge variieren zwischen 0.08 und 60 Sonnenmassen.
Makro-Objekte kleinerer Masse erreichen nicht die Fusionstemperatur und
Makro-Objekte größerer Masse erlangen eine derart hohe Zentraltemperatur,
dass der Strahlungsdruck den Gravitationsdruck übertrifft (Instabilität).

Hauptreihe
M / MoR / RoL / LoT / KFarbe
606010770000bläulichweiß
101010440000grünlichweiß
3310225000weiß
1116000gelblichweiß
0.30.310-24000orangeweiß
0.080.0810-42500rötlichweiß


(*) Zwerge sind als statistisch normale Sterne
durch homogene Zusammensetzung außerhalb des Kernes und
durch Fusionszyklen von H zu He im Kern charakterisiert.
(*) Die Lebensdauer tau eines Zwerges ist
proportional zu seiner anfänglichen Gesamtenergie E = M*c2 ~ M
und umgekehrt proportional zur Energieabstrahlungsrate
(Strahlungsleistung, Energiestrom, Leuchtkraft) L,
also insgesamt proportional zu M-3:
leichte Sterne leben wesentlich länger als schwere.

4. Evolution (Entwicklung) eines Zwergsternes

nach Verbrauch des Wasserstoffs.




4.1. Gelbe Zwerge mit Masse M < 6*Mo
(*) Bei gleichbleibender Leuchtkraft wächst der Radius und damit die Oberfläche,
also nimmt die Intensität und somit die Effektivtemperatur ab:
längerwelliges Strahlungsmaximum und Expansion zum Roten Unterriesen (z. B. Aldebaran).
(*) Die Photosphäre wird mit fallender Effektivtemperatur transparenter,
wodurch die Leuchtkraft zunimmt und die Temperaturerniedrigung stoppt:
Roter Riese (z. B. Beteigeuze).
(*) Falls die Zentraltemperatur auf 108K steigt,
beginnt die Fusion von He zu C und
die Effektivtemperatur steigt (Horizontalast im Diagramm).
(*) Nach Verbrauch des Heliums kann Kohlenstoff weiterverschmelzen:
Roter Überriese (z. B. Antares).
(*) Nach dem Verbrauch des letzten bei der herrschenden Kerntemperatur
fusionsfähigen Materials
kollabiert der Innenbereich gravitativ zu einem
Weißen Zwerg ,
während der Außenbereich durch Hüllenabstoßung
in einen Planetarischen Nebel übergeht,
der durch die Aufheizung infolge des heißen Kerns leuchtet.


4.2. Blaue Zwerge mit Masse M >= 6*Mo
(*) Durch die Eigengravitation entstehen im Zentralbereich
sehr hoher Druck und sehr hohe Temperatur.
(*) In immer kürzeren Zeitintervallen wechseln die thermonuklearen Prozesse
im Kern zu immer höheren Fusions-Reaktionen.
Es werden nacheinander Kohlenstoff, Sauerstoff, Neon, Silicium und schließlich
Metalle bis zum Eisen mit dem größten Massendefekt erzeugt.
(*) Danach herrscht eine starke Tendenz zu
Kataklysmischen Ereignissen
(kosmischen Katastrophen wie Supernovae).

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