Morphologische und spektroskopische Untersuchungen von Supernova-Überresten

• Main Author: Boyer, Sonja
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2015
• Subjects: Supernovaüberrest; ddc:530
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/11910; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-119108; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-119108; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/11910/Boyer_Sonja_Dissertation.pdf

Bis heute ist nicht bekannt, in welcher Umgebung die schwersten Elemente durch Neutroneneinfangprozesse entstehen. Es gibt zwei mögliche Szenarien, die in der Literatur diskutiert werden: Supernova-Explosionen und Neutronensternverschmelzungen. Beide tragen zur Elementproduktion bei. Welches Szenario aber die dominierende Umgebung ist, bleibt umstritten. Mehrere Fakten sprechen für Supernova-Explosionen als Entstehungsorte: Wenn ein massereicher Stern kollabiert und anschließend explodiert, sind die Temperatur und die Dichte so hoch, dass Neutronen von den bereits bestehenden Elementen eingefangen und angelagert werden können. Obwohl in Simulationen mit kugelsymmetrischen Modellen nur protonen- reiche Auswürfe entstehen, kann es in asymmetrischen Explosionen aufgrund der Rotation und der Magnetfelder vermutlich zu einem neutronenreichen Auswurf kommen. Dieser ist hoch genug, dass der schnelle Neutroneneinfang auftreten kann. In dieser Arbeit habe ich daher die Überreste solcher Explosionen untersucht, um nach Asymmetrien und ihren möglichen Auswirkungen auf die Element-Entstehung und Verteilung zu suchen. Dafür wurden die beiden Supernova-Überreste CTB 109 und RCW 103 ausgewählt. CTB 109 besitzt im Zentrum einen anomale Röntgenpulsar, also einen Neutronenstern mit hohem Magnetfeld und starker Rotation, die durch Asymmetrien hervorgerufen worden sein könnten. Auch RCW 103 hat vermutlich einen solchen Pulsar als zentrale Quelle. Beide Überreste sind noch recht jung und befinden sich in ihrer Sedov-Taylor Phase. Die Distanz zur Erde beträgt für beide Überreste ungefähr 3 kpc, womit sie in der näheren Umgebung der Erde zu finden sind. Die Elemente bis zur Eisengruppe haben ihre bekanntesten Linien im Bereich der Röntgenstrahlung. Deswegen wurden für diese Arbeit archivierte Daten des Satelliten XMM-Newton ausgewählt und die Spektren in definierten Regionen in den bei- den Supernova-Überresten mit den EPIC MOS-Kameras ausgewertet. Die heutigen Röntgensatelliten haben jedoch keine ausreichende Sensitivität, um die schwersten Elemente zu detektieren. In den Spektren der beiden Überreste wurden deshalb vorwiegend die Elemente Silizium und Magnesium gefunden, in CTB 109 auch Neon. Elemente mit höheren Massezahlen konnten leider nicht signifikant aus dem Hintergrund herausgefiltert werden. Deutlich sind die Peaks der drei Elementen sichtbar, aber auch Schwefel ist in den Regionen mit hohen Zählraten zu entdecken. Für bei- de Supernova-Überreste wurde der beste Fit mit dem Modell vpshock gefunden. In diesem Modell wird ein Plasma angenommen, das bei konstanter Temperatur plan-parallel geschockt wird. Um diesen Fit zu erzielen wurden die Parameter für die Elemente Fe, S, Si, Mg, O und Ne variiert. Die restlichen Elemente wurden auf die solare Häufigkeit festgelegt. Bei CTB 109 befinden sich die Temperaturen (kT) in den Regionen mit hohen Zählraten im Bereich zwischen 0.6 und 0.7 keV und liegen damit im selben Bereich, der bereits mit anderen Teleskopen für CTB 109 gefunden wurde. In den Regionen mit niedrigen Zählraten liegen die Temperaturen etwas tiefer mit 0.3-0.4 keV. Im Supernova-Überrest RCW 103 wurde nur eine Region mit hoher Zählrate analysiert und eine Temperatur von 0.57 keV gefunden, während in der Region mit niedriger Zählrate die Temperatur kT = 0.36 ± 0.08 keV beträgt. Beide Werte passen zu den Werten in CTB 109. Die einzelnen Elementlinien wurden zusätzlich mit einer Gauß-Verteilung angepasst und die Flüsse ermittelt. Diese wurden in Intensitätskarten aufgetragen, in denen die unterschiedlichen Verteilungen der Elemente über den Supernova-Überrest zu sehen sind. Während Silizium in einigen wenigen Regionen geklumpt auftritt, ist Magnesium über die Überreste verteilt und hat in einigen Regionen höhere Werte als Silizium. Das lässt den Schluss zu, dass die beiden Elemente auf unterschiedliche Weise aus der Explosion herausgeschleudert wurden. Die Verteilung ist hier durchaus asymmetrisch, es ist jedoch nicht möglich dies auf eine asymmetrische Explosion der Supernova zurückzuführen. Dafür müssen mehr als zwei Supernova-Überreste mit dieser Methode untersucht werden und mit einer noch nicht vorhandenen Theorie zur Verteilung der Elemente in Überresten verglichen werden. Im direkten Vergleich der beiden bisher untersuchten Supernova-Überreste CTB 109 und RCW 103 sieht man, dass die beiden Überreste sich sehr in der Temperatur und der Verteilung der Elemente ähneln. Das lässt auf eine einheitliche Ausbreitung der Elemente innerhalb der Supernova-Überreste schließen. Silizium wird aufgrund der Explosion in fingerartigen Strukturen, die Rayleigh-Taylor-Instabilitäten, nach außen transportiert. Dabei bildet es Klumpen, die mit den weiter außen liegenden Schalen reagieren. Magnesium und Neon hingegen werden hauptsächlich in den Brennphasen vor der Explosion und in den äußeren Schichten des Sterns, der Zwiebelschalenstruktur, produziert. Dadurch ist eine ausgedehnte Verteilung zu er- warten. Diese Verteilungen der drei Elemente ist in dieser Arbeit bestätigt worden. Während Magnesium und Neon über den gesamten Überrest hohe Flüsse aufweisen, ist Silizium sehr lokal im Lobe von CTB 109 und im hellen Süden von RCW 103 zu finden. Mit zukünftigen Röntgenteleskopen, die eine höhere räumliche Auflösung ermöglichen, könnten die beobachteten Zusammenhänge zwischen der asymmetrischen Elementverteilung im Supernovaüberrest und den Mechanismen der Elemententstehung in der Supernova weiter untersucht werden. === Elements heavier than iron are produced via neutron capture. Where this process happens is still unknown. There are two main sites discussed in literature: supernova explosions and neutronstar mergers. Both will produce the lighter heavy elements, but the dominant producer of these two scenarios has still not determined. There are some good arguments for supernova explosions: when a massive star undergoes core collapse that results in a massive explosion, the temperatures and densities are very high. The atoms that are already in this environment can capture free neutrons. The charge number will increase and a more massive element will be created. Simulations with spherical symmetries show that the ejecta is protonrich. Due to asymmetries that are generated by rotations and magnetic fields of the progenitor star, the Explosion can produce neutronrich ejecta in the required amount to benefit the rapid neutron capture. I looked at the remnants of these explosions to find asymmetries and investigate their impact on nucleosynthesis and the distribution of elements. For this purpose, the supernova remnants CTB 109 and RCW 103 were selected for the analysis. CTB 109 has an anomalous X-ray pulsar in its center that rotates rapidly and has high magnetic fields. Both effects are assumed to exist due to asymmetries during the explosion. RCW 103 presumably has a similar central source. The remnants are both still in their Sedov-Taylor phase and are located at a distance of about 3 kpc from Earth. The elements with mass numbers up to that of iron have their prominent Emission lines in the energy range of the X-rays. For that reason, archived data from XMM-Newton were taken and the spectra in chosen regions in the remnants were analyzed with the EPIC MOS cameras. Unfortunately, the sensitivity of the present instruments is not high enough to detect the heaviest elements. In this work, mainly the element lines of silicon and magnesium were found. Neon was also detected for CTB 109. Elements with higher charge numbers could not be significantly separated from the background. All three elements can be seen clearly in the extracted spectra. In regions with high count rates even sulfur can be found. I used a model for a plan parallel shocked plasma with constant energy. To find the best fit, the elements Fe, S, Si, Mg, O and Ne were varied, while the other elements were fixed to the solar abundances. For CTB 109, the temperatures in the regions with high count rates are in the range of 0.6 and 0.7 keV and are in the same range as observations with other telescopes for CTB 109. In the regions with low count rates the temperature is lower at 0.3 to 0.4 keV. For RCW 103, only one region with high count rate was analyzed that has a temperature of 0.57 keV. In the region with low count rate, the temperature is kT = 0.36 ± 0.08 keV. Both values are very similar to CTB 109. The element lines of silicon, magnesium and neon were modeled separately with a Gaussian distribution and the fluxes were determined. They were plotted in intensity maps where the different distributions of the elements are shown. While silicon clumps in just a few regions, magnesium is spread widely over the remnants. In some regions, magnesium has an even higher flux than silicon. This leads to the assumption that both elements are transported in different ways from the explosion center into the surroundings. The Distribution of both elements shows asymmetric behavior, but it cannot be proven that this is due to the supernova explosion itself. Therefore, more than two supernova remnants have to be analyzed with this method. In addition, a theory of the evolution of element abundances in supernova remnants would help to interpret these results. The comparison of both supernova remnants CTB 109 and RCW 103 shows that the temperatures and the distributions are very similar. This indicates that the transportation of elements from the core into the remnant occurs in the same way in both supernova remnants. Silicon comes directly from the center of the explosion and is transported outwards with finger like structures that are formed by Rayleigh-Taylor instabilities. It clumps and interacts with the surrounding materials. Magnesium and neon are products of burning stages before the explosion. They will also be produced in the onion-like structure of the progenitor star. Therefore we assume a distribution that is spread widely over the whole remnant. This distribution is shown in this work. Magnesium and neon have high fluxes in nearly all analyzed regions, while silicon is only located in the Lobe of CTB 109 and the bright south of RCW 103. To extend the investigation of the correlation between asymmetrical element distributions in supernova remnants and the mechanisms of heavy element production, new X-ray telescopes are required that have higher spectral resolution than the ones today.