Nova
nennt man das Aufleuchten eines weißen Zwergensterns, wenn es zu einer Wasserstoffexplosion auf seiner Oberfläche kommt.
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Nova
Erläuterungen zu einigen Begriffen:
Wasserstoff
Wasserstoff ist das leichteste chemische Element im Periodensystem der Elemente und hat die "Ordnungszahl" 1, denn der Atomkern dieses Elements besteht nur aus einem elektrisch positiv geladenen Teilchen, dem Proton, das von einem negativ geladenen Teilchen, dem Elektron, umkreist wird. Bei den Temperaturen, die auf weißen Zwergen herrschen, kann das Proton das Elektron nicht halten und beide Teilchen sind nicht aneinander gebunden. Man sagt der Wasserstoff ist "ionisiert".
Helium
Helium ist das im Periodensystem der Elemente auf den Wasserstoff folgende Element. Sein Atomkern besteht aus zwei Protonen und zwei neutralen Teilchen, den Neutronen. Er wird von zwei Elektronen in der Atomhülle umkreist. Auch He kommt auf einem weißen Zwerg nur vollständig ionisiert vor. Man nennt den nackten Atomkern auch Alpha-Kern, oder Alpha-Teilchen.
Fusion
Es ist möglich, Atomkerne von leichten Elementen wie Wasserstoff oder Helium zu denen schwererer Elemente zu verschmelzen. Den Prozeß der Verschmelzung nennt man nukleare Fusion. Damit eine Fusion von Atomkernen ablaufen kann, sind extrem hohe Temperaturen von mehreren Millionen Grad notwendig. Bei nuklearen Fusionsreaktionen werden enorme Energiemengen frei, pro Gewichtseinheit des reagierenden Stoffes das Millionenfache der Energie chemischer Reaktionen. In der Tat ist die nukleare Fusion von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen in den Zentren von Sternen der Prozeß, aus dem die meisten Sterne, auch unsere Sonne, ihre Strahlungsenergie beziehen. Bei Novaausbrüchen werden durch nukleare Fusionsreaktionen Temperaturen von einigen 100 Millionen Grad erzeugt. Man nennt einen solchen Ausbruch eine thermonukleare Explosion.
Doppelsterne
Zwei Sterne, die sich unter dem Einfluß ihrer gegenseitigen gravitativen Anziehung um ihren gemeinsamen Schwerpunkt bewegen. Ein großer Teil aller Sterne befinden sich in solchen Doppelsternsystemen. Sirius beispielsweise ist ein solches Doppelsternsystem, bestehend aus den Sternen Sirius A und Sirius B (siehe Bild links).
Roter Zwerg
Rote Zwergsterne sind kalte, massearme Sterne. In ihnen "verbrennt" Wasserstoff zu Helium wie in unserer Sonne, jedoch über wesentlich längere Zeiträume.
Weißer Zwerg
Sterne mit einer Masse vergleichbar der unserer Sonne entwickeln sich am Ende ihres Lebens zu weißen Zwergen. Sobald die Sonne Wasserstoff verbrannt hat, wird sie sich zusammenziehen und einen weißen Zwerg von der Größe der Erde bilden. Ihre mittlere Dichte wird dabei etwa eine Million mal höher werden. Die Abbildung links zeigt eine Aufnahme des Weltraumteleskops Hubble, auf der weiße Zwerge durch Kreise gekennzeichnet sind.
Nova
Eine Nova ist eine thermonukleare Explosion auf der Oberfläche eines weißen Zwergs, der sich in einem Doppelsternsystem befindet. Der zweite Stern in derartigen Doppelsternsystemen ist häufig ein roter Zwergstern, der Gas an den weißen Zwerg abgibt.
Cygni 1992
Nova Cygni 1992 explodierte im Februar 1992 im Sternbild Schwan (Cygnus). Sie ist etwa 10000 Lichtjahre entfernt (1 Lichtjahr = 9.46 Billionen km), was bedeutet, daß sie eigentlich nicht im Februar 1992 explodierte, sondern in Wirklichkeit 10000 Jahre früher.
CRAY T3E-900
In der Astrophysik, wie auch in vielen anderen Disziplinen, ist man für manche Aufgaben auf die leistungsfähigsten Großrechner angewiesen. Der "Supercomputer", der für unsere Nova Rechnungen benutzt wurde, war eine T3E-900 der Firma CRAY, die im Rechenzentrum Garching steht. Dabei handelt es sich um einen sogenannten "massiv parallelen" Supercomputer, bei dem man, wie der Name schon sagt, eine Rechnung parallel auf sehr viele Prozessoren verteilen kann. Das führt zu einer großen Zeitersparnis verglichen mit der gleichen Rechnung, die nur auf einem Prozessor, z.B. auf einem PC, durchfgeführt wird. Die T3E in Garching besteht aus 784 Prozessoren des Typs DEC Alpha eV5 (21164) mit einer maximalen Leistung von 600 Mflops/s pro Prozessor (= 600 Millionen Gleitkomma- oder Rechenoperationen pro Sekunde und pro Prozessor). Damit ist die gesamte T3E im Idealfall so schnell wie 768 DEC Alpha Workstations! Trotzdem dauerte eine Simulation auf der gesamten Maschine etwa 400 Stunden! Auf einer schnellen DEC Alpha Workstation würde das gleiche Vorhaben etwa 35 Jahre dauern.
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Transkript des Filmtextes:
Filmtext
Immer wieder kommt es vor, daß am Himmel plötzlich ein scheinbar neuer Stern erscheint, der vorher selbst mit starken Teleskopen kaum sichtbar war. Ein solcher Stern, der seine Leuchtkraft plötzlich verfielfacht, heißt "Nova". Mit dem Weltraumteleskop "Hubble" kann man Novae noch viele Jahre nach ihrem scheinbaren Verlöschen beobachten, wie hier die Nova, die im Jahr 1992 im Sternbild Schwan aufleuchtete. Nach unseren heutigen Vorstellungen ereignen sich Novae in Doppelsternsystemen, bestehend aus einem entwickelten roten Zwergstern sowie einem ausgebrannten Stern, einem sogenannten weißen Zwerg. Dieser enthält etwa die Masse der Sonne zusammengepreßt auf die Größe der Erde. Aufgrund seiner enormen Anziehungskraft strömt auf den weißen Zwerg wasserstoffreiche Materie des Partners. Diese Materie sammelt sich zunächst in einer Gasscheibe, um von dort auf den weißen Zwerg zu fallen und allmählich einen Ozean von Wasserstoff auf ihm zu bilden. Durch die Schwerkraft auf der Oberfläche des weißen Zwergs wird der Wasserstoffozean sehr dicht und heiß, so daß die nukleare Fusion von Wasserstoff zu Helium beginnt. Die Prozesse, die dann ablaufen, müssen im Computer simuliert werden, da es unmöglich ist, sie direkt zu beobachten. Dazu betrachten wir den weißen Zwerg und den ihn umgebenden Wasserstoffozean kurz vor dem Novaausbruch. Im Querschnitt zeigt sich der weiße Zwerg umrandet von seinem Ozean. Da die Computersimulationen sehr aufwendig sind, kann man die Vorgänge nur in einem kleinen Teil des Ozeans simulieren. Für den hier dargestellten Ausschnitt bedarf es eines CRAY T3E Supercomputers mit 512 Prozessoren. Aus der Simulation der physikalischen Prozesse im Ozean zeigen wir hier die Entwicklung der Größe der Strömungsgeschwindigkeiten im Ozean. Helle Farben bedeuten hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Dargestellt ist ein vertikaler Schnitt durch das dreidimensionale Rechengebiet. Die Wasserstofffusion bewirkt starke Turbulenz, die Geschwindigkeiten von bis zu einigen Hundert Kilometern pro Sekunde aufweisen kann. Dabei breiten sich diese Strömungen allmählich von den tiefen Schichten über den gesamten Ozean aus. Die Fusion nimmt dabei an Intensität zu, und der Ozean wird immer heißer. Die Temperaturen können 200 Millionen Grad Kelvin und mehr erreichen. Dieser Prozeß führt dazu, daß der Wasserstoffozean am Ende abgesprengt wird und sich die Leuchtkraft des Sterns um einige Größenordnungen erhöht. Dieses Ereignis ist als Nova beobachtbar.