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