Die kosmische Häufigkeit der Elemente
Seminar Milchstraßensystem
Stefan Kiefer 25.01.2010
Vorbetrachtung
chemische Elemente80 stabile E. (≈90% der Isotope stabil)○ H ... Pb
3 pseudostabile E.○ Bi, Th, U
Rest: ○ instabile E. unterschiedlicher Zerfallsdauer
Wo kommen die Elemente her?
Stichwort Nukleosynthese○ primordiale Synthese
1H/2H, 3He/4He & 7Li 10-3 bis 103 s nach der kosmischen Singularität (kS)Materiezusammensetzung: 76% H, 24% He +Rest Li
kosmische Kernfusion („Wasserstoffbrennen“)○ ab 1013 s nach kS
D + T → 4He + n + 17,6 MeV
Heliumreaktion („Heliumbrennen“)○ Bildung der Elemente 6 (12), 8 (16), 10 (20)
Kohlenstoff-, Sauerstoff-, Siliciumreaktionen○ Bildung aller Elemente bis 56Fe
Elemente mit Massenzahlen > 56Fe○ Bildung durch Neutroneneinfang bei Supernovaexplosionen
Elemente Li, Be, B○ stellarphysikalisch instabile E.○ Zerstörung schon bei wenigen Mill. K○ können nicht durch Reaktionen in Sternen entstehen○ Bildung durch Stoßreaktion im ISM
Atome 12, 16, 20 durch Stöße mit Teilchen der kosmischen Strahlung
Kosmische Elementhäufigkeit – Wie?
Informationenquellen der Häufigkeit der 80 (+3) stabilen Elemente
Spektrallinien der ⊙- Atmosphäre
Spektrallinien heller (naher) Sterne
Analyse der Elementhäufigkeit in C-Meteoriten
Häufigkeiten in der ⊙ und in Sternen (∗) Analyse des Spektrums
Vorrausetzung: ○ isolierte Linien im Spektrum○ keine Überlagerung
Problem:○ praktisch nicht erfüllt für Elemente kleiner Häufigkeit
Schlussfolgerung:○ einige Elemente, wie z.B. Edelgase (≠He) nicht bestimmtbar○ ca. 60 Elemente im ⊙ - Spektrum und ca. 20 im Spektrum anderer
∗
Welche Sterne eigenen sich? fast ausschließlich F/G – ∗ Problematisch:
○ kühle K/M - ∗ aufgrund zahlreicher Molekülbanden○ heiße O/B - ∗ aufgrund der großen Rotationsgeschwindigkeit
G – Sterne haben große Lebensdauer
○ alte Sterne mit geringer Metallhäufigkeit
○ Sterne aus der Frühzeit der MS
○ Möglichkeit die Elementhäufigkeitsentwicklung
nachzuvollziehen
Edvardson et al.
G – Sterne haben große Lebensdauer
○ alte Sterne mit geringer Metallhäufigkeit
○ Sterne aus der Frühzeit der MS
○ Möglichkeit die Elementhäufigkeitsentwicklung nachzuvollziehen
○ Mg/O/Si werden (vor allem) durch SN II gebildet und mit ISM
gemischt
○ bereits in der Frühphase der MS geschehen
○ C wird (vor allem) von A/G/B-Sternen gebildet
○ Produktion setzt verspätet ein -> Kurvenknick
○ Prinzipiell:
○ Elementgehalt zu Anfang niedrig
○ kontinuierliche Zunahme der Metallizität
○ älteste Sterne nur 1/1000 der Metallizität der Sonne
o C&N relativ zu Fe kaum Änderung in t
o Fe wird in SN Ia synthetisiert C und N in AGB Sternen
o in beiden Fällen wird Häufigkeit von der langen Lebensdauer kleiner
und mittlerer Sterne in der MS dominiert
o Synthese der Elemente hängt von der Art der Vorgängersterne ab
Edvardson et al.
Feststellung:
Häufigkeitsentwicklung in der MS sehr gleichförmig
○ Sterne die in gleicher Zone entstehen haben sehr ähnliche
Häufigkeiten
○ offensichtlich keine Exoten
○ nur der Anteil der schweren Elemente gegenüber H und He ändert
sich
○ der Anteil der schweren Elemente zueinander varriert dagegen kaum
Fragestellung:
Ist die solare/stellare Häufigkeit eine universelle Häufigkeit?
Oder:
○ Wie kann die solare Häufigkeit überprüft werden?
Lösung: Durch den Vergleich mit der meteorischen Häufigkeit!
© National Museum of Natural History (Washington)
© Washington University (St. Louis)
© MPI für Chemie (Mainz)
Feststellung:
Übereinstimmung der Häufigkeiten
○ geringe Abweichungen für leichtflüchtige Elemente
○ Chondriten vom Typ C1 sind:
Urmaterial in dem alle schweren Elemente auskristallisiert sind
○ Elemente in der ⊙ die sich nicht über Spektrum bestimmen lassen:
in Relation zu Si genauso häufig wie in C1 Chondriten
Ergebnis:
Kombination aus solarer und meteorischer Häufigkeit ergibt:
kosmische Elementenhäufigkeit
Allgemeines zum Schluss: die häufigsten Elemente sind H (~75) und He (~25) (Überraschung??) die einzige Variation ist:
○ die Veränderung der Metalle in Relation zu H und He
Metalle:○ O, C, Fe und Ne stellen 80% der Häufigkeit
○ Mg, Si, S und N stellen 16% der Häufigkeit
○ alle anderen schweren Elemente gehen nur mit 4% ein
Harkinsche Regel:○ Elemente mit gerader Kernladungszahl sind häufiger als die mit ungerader
Li/Be/B – Trog:○ diese drei Elemente können nicht durch Kernfusion gebildet werden
○ entstehen nur durch Kollision von kosmischer Strahlung mit schweren Atomen im ISM
Eisenspitze:○ relative Anreicherung von Fe (-Gruppe (Cr, Mn, Co, Ni)) aufgrund großer
Bindungsenergie
Bleispitze:○ die meisten instabilen radioaktiven Elemente (schwerer als Blei) zerfallen bis
zum stabilen 206/07/08Pb
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit