Der konvektive URCA Prozess in Weissen Zwergen

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Nachdem sie ihren Kernbrennstoff fast vollständig verbraucht haben, ziehen sich die meisten Sterne zusammen und bilden weisse Zwerge. Dies sind Sternleichen von der Grösse der Erde aber mit der Masse der Sonne. Wenn diese weissen Zwerge Materie von einem Begleitstern aufsammeln, können sie in einer Typ Ia Supernova explodieren. Supernova Explosionen sind spektakuläre Ereignisse und können noch in Entfernungen von Millionen von Lichtjahren beobachtet werden.

Kürzlich haben Supernovae Schlagzeilen gemacht, als sie benutzt wurden, um die Grösse und die Expansion des Universums zu vermessen. Diese Möglichkeit, die von grundlegender Bedeutung für die Kosmologie ist, erfordert eine genaue Kenntnis von der Dynamik der Supernova Explosion.

Ein wichtiger Effekt in der Entwicklung zur Supernova ist ein Prozess, der bis heute kaum verstanden ist und der eine entscheidende Rolle für die Explosion spielen könnte: Der ``konvektive URCA Prozess''. Dieser Prozess beeinflusst die späten Stadien der Entwicklung weisser Zwerge und beschreibt sich wie folgt: Atomkerne bestimmter Elemente, z.B. Neon und Natrium, existieren in kleinen Beimengungen im Innern von weissen Zwergen. Nahe des Zentrums ist es dabei energetisch günstiger für den Natriumkern, ein Elektron einzufangen und sich so zu einem Neonkern zu verwandeln. Diese Neonkerne werden dann von konvektiven Umwälzbewegungen in einen Teil des Sterns getragen, wo die Bedingungen so sind, dass es energetisch vorteilhaft ist, das Elektron wieder auszustossen und sich so wieder in Natrium zurückzuverwandeln. Die Natriumkerne koennen dann durch Materieströmungen wieder zurück ins Zentrum getragen werden, wo der Zyklus von vorne beginnt. Jedesmal, wenn die Atomkerne Elektronen einfangen oder ausstossen, emittieren sie dabei Neutrinos. Neutrinos sind geisterhafte Teilchen, die praktisch kaum mit Materie wechselwirken. Sie können den Stern deshalb ungehindert verlassen, und tragen dabei Energie mit sich fort. Dieser Prozess kann den Stern kühlen und somit die Explosion verzögern.

Abbildung 1

Hier am MPA haben wir diesen Prozess zum ersten Mal in zweidimensionalen Computersimulationen auf einem Cray T3E Supercomputer des Rechenzentrums Garching untersucht. Eines unserer Ergebnisse ist hier abgebildet. Die Pfeile zeigen die Geschwindigkeit der Materie innerhalb des Sterns; die Farben stellen Kühlung oder Erwärmung durch den URCA Prozess dar (Rot bedeutet Erwärmung und Blau Kühlung). Man kann die Wirbel in der Konvektionsströmung im Innern des Sterns erkennen, durch die der URCA Prozess angetrieben wird. Einblicke in die Arbeitsweise dieses Prozesses, die unsere Simulationen bieten, werden uns helfen, die Entwicklung bis zur Supernova Explosion besser zu verstehen. Unsere ersten Ergebnisse deuten an, dass der konvektive URCA Prozess die Erwärmung des weissen Zwerges verlangsamt und so zu höheren Dichten führt, bevor die Supernova explodiert. Dies verändert sowohl die Dynamik der Explosion als auch die Elemente, die während der Explosion entstehen und dann ins interstellare Medium ausgeschleudert werden.

M.Brueggen, A.Kercek