Stern- und Planetenbildung

Max Camenzind – Senioren Uni Würzburg - 2018

Gaia Data Release DR2 2018

Ste

rne

He

rtzsp

run

g-

Ru

sse

ll-D

iag

ram

m

Stephan-Boltzmann:

L = 4π R2 σT4 R = const

d < 100 pc 4.277.000 Sterne

212.728 Sterne Sterndichte = N/V = 212.728/4,2x106 pc³ = 0,05/pc³

Hauptreihe

Rote Riesen

Weiße Zwerge

Red Clump

Stellare Radien & Temperaturen

Interpretation?

Hauptreihe

Rote Riesen

Wasserstoff H

Helium He

Kohlenstoff CO

26.264 Weiße Zwerge in Gaia DR2 aufgeschlüsselt nach Atmosphären

Die Plejaden-

Kontroverse ist

gelöst -

Gaia Distanz

Einklang mit VLBI

Gaia DR2

Veränderliche Sterne:

RR Lyrae Cepheiden

LP Veränderliche

Veränderung der Farbe

(Temperatur) [Gaia DR2] Farbindex Gaia

Ab

solu

te H

ellig

keit

G G

aia

Woher kommt das Sonnensystem und wie hat es sich gebildet ?

Inhalt • Molekülwolken – die Geburtsstätten Sterne.

• Turbulenz, Fragmentierung und Kollpas.

• Die treibende Kraft – die Jeans Instabilität.

• Kleine und große Sterne – die Massen-verteilung der Sterne.

• Wege zur Bildung von Planeten: das 5-Stufen-Modell.

• Der Weg zu Gesteinsplaneten.

• Der Weg zu Gasplaneten.

Molekül- wolken ---------- Stern- und

Planeten-bildung

Molekülwolke

Protostern & Scheibe

Planetensystem Kollaps

Fragmentation

LH 95 stellar

nursery in Large

Magellanic Cloud.

N11, part of a complex

network of gas clouds and

star clusters within our

neighbouring galaxy, the

Large Magellanic

Cloud.

The Orion Nebula is an archetypical example of

star formation, from the massive,

young stars that are

shaping the nebula to the

pillars of dense gas

Erst seit etwa 50 Jahren wissen wir, dass solche Wolken in filamentartige Strukturen eingebettet sind (Filament Orion A). Magnetfelder halten das Filament zusammen.

Star-forming region

Westerhout 40 and the Serpens-

Aquila Rift- cloud

filaments containing

new stars fill the region

Nebel NGC 602 Bild: HST

Zwei Molekülwolken vor dem Hintergrund der Galaxis

Wir beginnen mit einer turbulenten Gaswolke

Wolke kühlt verringert Druck

Jeans Instabilität Homogene Wolke

Jeans-Kriterium • Die Wolke beginnt zu kollabieren, falls die

zusammenziehenden Gravitationskräfte größer sind als die stabilisierende Kraft des Gasdruckes (Jeans-Kriterium). Dieser Zustand ist erreicht, wenn die Masse der Gaswolke bei einer bestimmten Dichte und Temperatur die zugehörige Jeans-Masse überschreitet. Sie kann sowohl über das Gleichgewicht der Drücke als auch über das der Energien (Virialsatz) ermittelt werden.

• Wie sich aus der Formel ablesen lässt, ist die Jeans-Masse für kalte Gaswolken kleiner als für heiße, dafür aber bei niedrigen Gasdichten höher.

Sir James Jeans • Sir James Hopwood Jeans (* 11. September 1877

in Ormskirk, Lancashire; † 16. Sept. 1946 in Dorking, Surrey) war ein englischer Physiker, Astronom und Mathematiker.

• Er studierte in Cambridge am Trinity College.

• Er lehrte in Cambridge, unterrichtete aber ab 1904 auf der Princeton University in New Jersey als Professor für Angewandte Mathematik. Im Jahr 1910 kehrte er nach Cambridge zurück.

• Jeans erforschte auf astrophysikalischem Gebiet die Dynamik der Sternsysteme, den inneren Aufbau der Sterne und kosmologische Probleme.

• Rayleigh-Jeans Gesetz, Jeans Instabilität.

Molekülwolke: Masse: 500 MS

Radius: 0,8 pc Temperatur: 10 K µ = 2,46 mu

Jeans Masse: 1 Sonnenmasse Freifall-Zeit: 190.000 Jahre Simulation: 285.000 Jahre Anfangsbedingung Supersonische Turbulenz

38.000 Jahre Supersonic Motions

Molekülwolke: Code: SPH mit 35 Mio. Teilchen 100.000 CPU h Entwicklung: Supersonische Turbulenz mit Turbulenz- Spektrum

76.000 Jahre Shock formation

Molekülwolke: Entwicklung: Supersonische Turbulenz Ausbildung von Schocks

152.000 Jahre Energieverlust

Molekülwolke: Wenn genügend Energie abgestrahlt, dann bilden sich kleine Cores durch Gravitation Keime der Protosterne

190.000 Jahre Sternbildung

Molekülwolke: Jeans Masse durch Dichte reduziert Bildung von Sternen und Braunen Zwergen beginnt in den dichten Cores

209.000 Jahre Sterne wechselwirken

Molekülwolke: Am Ende der Simulation werden einige Sterne und Braune Zwerge aus der Wolke heraus- geschleudert

209.000 Jahre Sterne wechselwirken Closeup Molekülwolke:

Endzustand nach 210.000 J

Molekülwolke – Filamente - Protosterne

Protosterne T Tauri Sterne

0,3 MS

Braune Zwerge

30 10 0,1 0,01

Massereiche Sterne

5-Stufen-Modell der Planetenbildung

Nach dem Kollaps haben wir ein Objekt, das wie Stern aussieht, umgeben von

einer Gas- und Staubscheibe

Die Temperatur in der protostellaren Scheibe fällt nach außen hin ab –

Am Außenrand richtig kalt

Die protostellare Scheibe

Fortsetzung 3.12.2018 Wie bilden sich Planeten ?

Milchstraße ~ 2 Mrd. Sonnenmassen H2

Sterne bilden sich im Verband Plejaden M45: 1200 Sterne / 125 Mio. Jahre alt

Sternhaufen Hyaden: 150 LJ entfernt / ~ 350 Sterne / 625 Mio. Jahre alt

Massen-verteilung

IMF junger

Sternhaufen

Planeten entstehen in Scheiben 1 – 5 Mio. Jahre alte Scheibe

Copyright © 2013 American Chemical Society

Scheiben um junge Sterne

Von Staubteilchen zu Planetesimalen & Asteroiden

Kondensation von Staubteilchen

Schneeball-Effekt: Staubteilchen wachsen zu größeren Strukturen

4.6-billion-year-old, sparkly, green meteorit

Ein 4,6 Milliarden Jahre alter grüner Meteorit

Embryos wachsen zu Asteroiden (Asteroidengürtel) und Eisklötzen

Bildung von Gesteinsplaneten

Wachstum von

Asteroiden und

Massen- verteilung

Embryos der Planeten - Asteroidengürtel

Kollision von

Asteroiden

Summary der Planetenbildung

Wie hat sich Jupiter gebildet ? Zentrale Frage: Enthält der Jupiter eine Super-Erde?

Bild: JunoCam/NASA/JPL

Bildung von Gasplaneten (Jupiter)

• Wenn die Masse des Gesteinsplaneten etwa 10 Erdmassen erreicht (Super-Erde), beginnt der Planet Gas von der Scheibe zu akkretieren über Gravitationseffekte.

• Da die Gasmasse in der Scheibe die Staubmasse bei weitem übertrifft, können diese Gas-Planeten beträchtlich wachsen.

Bildung einer Lücke in Scheibe

Wenn Planeten genügend anwachsen, bildet sich um den Planeten eine Lücke in der Scheibe

und das Wachstum wird beendet.

Lücken in Scheiben Planeten

PDS 70 – Jupiter im Wachstum

Bild: VLT/SPHERE 2018

Stern-Masse: 0,82 MS

Alter: 10 Mio. Jahre Temperatur: 4400 K Entfernung: 370 LJ Planet: Jupiter Temperatur: 1000 C Halbachse: 20 AE Umlaufperiode: 120 Jahre

2 Planeten bilden sich um den jungen Stern

HD 169142, der in einer Entfernung 470 LJ liegt

Bild: ALMA

Computersimulation Jupiter-Bildung

ß Pictoris – 100 AE Scheibe Der Stern ist etwa 20 Mio. Jahre alt

Anne-Marie Lagrange, NACO, VLT, ESO

Der Stern Beta Pictoris ist mit etwa 20 Mio. Jahren noch extrem jung und befindet sich erst am Beginn der Hauptreihen-phase. Er befindet sich in einer Entfernung von etwa 63 Lichtjahren. 1983 wurde mit dem Infrarot-satelliten IRAS um ß Pictoris eine Staubscheibe entdeckt. Bild: NACO/VLT

PDS 70 Vergleich

mit Saturn Orbit VLT/

NACO

VLT Aufnahmen – Planet etwa Saturnbahn

Sternfabrik Lupus 3

Eine dunkle Wolke aus kosmischem Staub schlängelt sich durch diese spektakuläre Weitwinkelaufnahme der Sternenbildungsregion Lupus 3. In ihr entstehen hell leuchtende, heiße Sterne aus kollabierenden Gas- und Staubmassen. Weil dieser Staub das Licht der jungen Sterne absorbiert und streut, erscheint er fast pechschwarz. Solche Nebel werden daher auch Dunkelwolken oder Absorptionsnebel genannt. [Bild: VLT-Survey Teleskop]

Protoplanetare Scheibe mit SPHERE

Credit: ESO/H. Avenhaus et al./E. Sissa et al./DARTT-S and SHINE collaborations IM Lupus