Ionization, Chemistry, and Dust Formation in the Outflows of Classical Novae and Red Giants

Holger Beck

Dissertation/PhD Thesis, Technische Universität Berlin, 1993

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Zusammenfassung

Klassische Novae und Rote Riesen stellen zwei exponierte Vertreter der Klasse staubbildender Objekte im Universum dar. Während Klassische Novae besondere kosmische Laboratorien darstellen, in denen anhand der Beobachtung eines einzelnen Objektes die gesamte Entwicklung von der Enstehung des Staubes bis hin zu seiner Zerstörung verfolgt werden kann, so sind Rote Riesen wegen ihres dominierenden Anteils an der galaktischen Staubinjektionsrate von Bedeutung.

In den thermonuklearen Explosionsereignissen Klassischer Novae bildet sich in der ausgestossenen Materiehülle massiv Staub. Dies ist zunächst erstaunlich, da das auströmende Gas mit hoher Geschwindigkeit expandiert und zusätzlich einem zeitlich anwachsenden, ionisierenden UV-Strahlungsfeld ausgesetzt ist. Staubbildung in einem vollionisierten Plasma ist jedoch nicht möglich, sodass die detaillierte zeitliche Entwicklung der Ionisation der verschiedenen Elemente von entscheidender Bedeutung für das Auftreten bzw. Nichtauftreten des Staubes ist und im ersten Teil der Arbeit untersucht wird. Gemeinsam mit der zeitabhängigen Ionisationsgleichung für die Elemente H, He, C, N, O, Si, Fe, Mg, S, Na werden die Heiz- und Kühlprozesse in der Novahülle bilanziert. Die Modellrechnungen zeigen, dass die typischen Zeitskalen für die Durchionisation des Kohlenstoffs, dem im Hinblick auf die Staubbildung wichtigsten Element, zwischen 20 und 50 Tagen liegen. Gleichzeitig werden schon in frühen
Phasen der Expansion Gastemperaturen unter 2000K erreicht, sodass die physikalischen Rahmenbedingungen fuer das Einsetzen von Chemie und Staubbildung günstig sind.

Der zweite Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Untersuchung der Wechselwirkung von Strahlungsfeld und komplexer Nichtgleichgewichtschemie in den Hüllen sauerstoffeicher Roter Riesen. Im Rahmen einer detaillierten Untersuchung der chemischen Bildungspfade wird die Entstehung der für die Staubbildung relevanten Moleküle diskutiert und die Abhängigkeit der berechneten Molekülkonzentrationen von der Stärke des Strahlungsfeldes untersucht. Es zeigt sich, dass die übliche Annahme chemischen Gleichgewichtes und die daraus abgeleiteten Konsequenzen für die Staubbildung nicht zutreffen. Die Rolle des CO Moleküls für die Chemie in Sternhüllen wird im Lichte dieser Erkenntnisse neu gewichtet.

Im abschliessenden Kapitel wird dann im Rahmen einer inhaltlichen und methodischen Synthese der vorangegangenen Untersuchungen Chemie und Staubbildung in den Hüllen Klassischer Novae behandelt. Die Involvierung eines komplexen chemischen Ratennetzwerkes (2000 Reaktionen, 150 Spezies) erlauben nun eine noch detailliertere Analyse der chemischen Reaktionspfade. Entscheidend für die zeitliche Entwicklung der Chemie ist die Besetzungsverteilung des Wasserstoffs, die auf der Basis eines alle Stoss- und Strahlungsübergänge für die ersten drei Niveaus umfassenden zusätzlichen, und in die Chemie integrierten Netzwerkes, und eines vereinfachten Strahlungstransportes, behandelt wird.