Dlaczego gwiazdy wybuchają?

Zawsze słyszę, jak narrator filmów dokumentalnych mówi, że gwiazda wybuchła, ponieważ zabrakło jej paliwa. Zwykle rzeczy wybuchają, gdy mają za dużo paliwa, a nie gdy zabraknie paliwa. Proszę wytłumacz...

star explosion

— Ciężarówka Laurence mc Larry
źródło

(Wystarczająco duża) gwiazda ma dużo materii. Grawitacja próbuje zebrać całą tę materię razem w środku masy, więc coś musi się odsunąć. Dla gwiazdy proces stapiania się w rdzeniu wytwarzającym światło jest tym, który odpycha. W pewnym momencie gwiazda zaczyna brakować paliwa i „wypychanie” znika, więc wszystko bardzo szybko zapada się w centrum. Potem eksploduje.

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Kluczową kwestią jest to, że nie wszystko się załamuje. Gdyby tak było, uwolniona energia potencjalna grawitacji byłaby niewystarczająca nawet do odwrócenia zapaści, a co za tym idzie - wybuchu. Tylko rdzeń się zawala. Koperta pozostaje błogo nieświadoma zawalenia, dopóki nie zostanie wyrzucona w kosmos.

— Rob Jeffries

Czy w tym SE dozwolone są „odpowiedzi jako komentarz”?

— dav1dsm1th

@ dav1dsm1th Nie, nie jest dozwolone na żadnej SE. Jest to jednak dość powszechna praktyka; nie każdy ma czas na napisanie pełnoprawnej odpowiedzi, więc zapisują wszystko, co mogą i mają nadzieję, że ktoś przyjdzie, by udzielić pełnej odpowiedzi.

— Setsu

@Setsu Dobrze słyszeć. Mam nadzieję, że te komentarze zostaną w pewnym momencie usunięte (w tym mój hałas).

— dav1dsm1th

Odpowiedzi:

Krótka odpowiedź:

Niewielka część grawitacyjnej energii potencjalnej uwolnionej w wyniku bardzo szybkiego zapadania się rdzenia z obojętnego żelaza zostaje przeniesiona na zewnętrzne warstwy, co wystarcza do zasilania obserwowanej eksplozji.

Bardziej szczegółowo:

Zastanów się nad energią wyidealizowanej gwiazdy modelowej. Ma „rdzeń” masy i promień początkowy i zewnętrznej powłoki z masy i promienia . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Załóżmy teraz, że rdzeń zapada się w znacznie mniejszym promieniu w tak krótkim czasie, że oddziela się od obwiedni. Ilość grawitacyjnego potencjalnej energii uwalnianej będzie . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Część tej uwolnionej energii można przenieść do obwiedni w postaci wstrząsów na zewnątrz i promieniowania. Jeśli przenoszona energia przekracza grawitacyjną energię wiązania obwiedni wówczas obwiednię można wysadzić w kosmos. $\sim Gm^2/r$

W eksplodującego gwiazdy typu II (rdzenia załamanie supernowej) km, km i km. Masa rdzenia wynosi a masa obwiedni wynosi . Gęsty rdzeń jest w większości wykonany z żelaza i wspierany przez ciśnienie degeneracji elektronowej . Mówi się, że gwiazda „skończyła się paliwo”, ponieważ reakcje fuzji z jądrami żelaza nie uwalniają znacznych ilości energii. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

Zapadanie się jest wyzwalane, ponieważ wokół jądra trwa spalanie jądrowe, a zatem masa rdzenia jest stopniowo zwiększana, a wraz z tym stopniowo się kurczy (osobliwość struktur wspieranych przez ciśnienie zwyrodnieniowe), gęstość wzrasta, a następnie elektron wprowadza niestabilność przechwytywanie reakcji lub fotodezintegracja jąder żelaza. Tak czy inaczej, elektrony (które są co zapewnia wsparcie dla rdzenia) są zebrany przez protonów do neutronów formy i rdzeń zapada na swobodne opadanie skali czasowej s! $\sim 1$

Upadek zostaje zatrzymany przez silną siłę jądrową i presję zwyrodnieniową neutronów. Rdzeń odbija się; fala uderzeniowa przemieszcza się na zewnątrz; większość energii grawitacyjnej jest magazynowana w neutrinach, a jej część jest przenoszona na szok zanim neutrina uciekną, odpychając zewnętrzną otoczkę. Doskonały opisowy opis tego i poprzedniego akapitu można przeczytać w Woosley i Janka (2005) .

Wprowadzanie niektórych liczb.

sol {M.}^{2)} / R = 4 \times 10^{46} jot

$GM^2/R = 4\times 10^{46}\ {\rm J}$

sol m^{2)} / r = 3) \times 10^{44} jot

$Gm^2/r = 3\times 10^{44}\ {\rm J}$

Wystarczy więc przenieść 1% uwolnionej energii potencjalnej zapadającego się rdzenia do obwiedni, aby doprowadzić wybuch supernowej. W rzeczywistości nie jest to jeszcze szczegółowo rozumiane, chociaż supernowe znajdują sposób, aby to zrobić.

Kluczową kwestią jest to, że szybkie zapadanie ma miejsce tylko w jądrze gwiazdy. Gdyby cała gwiazda zapadła się w jedną całość, wówczas większość energii potencjalnej grawitacji uciekłaby jako promieniowanie i neutrina, a energia byłaby niewystarczająca nawet do odwrócenia zapaści. W modelu zapadania się rdzenia większość (90% +) uwolnionej energii grawitacyjnej jest tracona jako neutrina, ale to, co pozostaje, jest nadal łatwo wystarczające do uwolnienia niezwiązanej otoczki . Zapadnięty rdzeń pozostaje związany i staje się gwiazdą neutronową lub czarną dziurą.

Drugim sposobem wywołania wybuchu gwiazdy (białego karła) jest reakcja termojądrowa. Jeśli węgiel i tlen można zapalić w reakcjach syntezy jądrowej, wówczas uwalniana jest wystarczająca energia, aby przekroczyć grawitacyjną energię wiązania białego karła. Są to supernowe typu Ia.

— Rob Jeffries
źródło

Warto zauważyć, że modele supernowych zawalających się jądra zasadniczo nie potrafiły konsekwentnie wytwarzać supernowych. W symulacjach szok zwykle zatrzymuje się, a nawet gdy tak się nie dzieje, symulacje zwykle mają trudności z dopasowaniem obserwowanych jasności. Wprowadzenie do tego artykułu stanowi dobre wprowadzenie do niektórych trudności w tej dziedzinie: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

Moje pytanie brzmiałoby ogólnie: dlaczego eksploduje, a nie przechodzi nieoczekiwanie, gdy punkt stabilności wędruje przez dowolną przestrzeń parametrów. Jest kluczową kwestią, że kiedy masz wystarczająco dużo temperatury / gęstości, aby zablokować protony i elektrony razem, to nagle usuwa to, co trzyma wszystko, więc spada, może dalej zwiększać gęstość, usuwa więcej ... ale z drugiej strony dlaczego nie jest T , który to proces, który może „wolno” rampy i utrzymywać pewną stabilność? Z pewnością gwiazda nie przechodzi od przechwytywania elektronów do wszystkich wychwytów elektronów?

— Nick T

@ J.O'BrienAntognini Rzeczywiście, modele mogą mieć trudności z wypracowaniem sposobu na przekazanie 1% wymaganej energii - jak już wspomniałem powyżej. Ale prawdziwe gwiazdy to rozgryzły i nikt nie kwestionuje źródła energii.

— Rob Jeffries

@NickT to rzeczywiście chwiejna niestabilność. Wychwytywanie elektronów zachodzi przy progowej gęstości, ponieważ zdegenerowane elektrony mają wyraźną, zależną od gęstości maksymalną energię (nie mają rozkładu Maxwellego). To zniknięcie elektronów zmniejsza ciśnienie, więc gwiazda zapada się, zwiększając gęstość, a tym samym maksymalną energię zdegenerowanych elektronów, pozwalając coraz większej ich liczbie uczestniczyć w neutronizacji. Rezultatem jest całkowite załamanie w ciągu sekundy od wystąpienia.

— Rob Jeffries

@RobJeffries To prawda, chociaż należy również zauważyć, że równie dobrze może być tak, że znaczna część masywnych gwiazd, które zawiodły supernowe! Tak więc, choć kilka gwiazd na pewno to rozgryzło, niekoniecznie tak jest w przypadku wszystkich! Istnieją pewne luźne ograniczenia, które stawiają ułamek nieudanej supernowej gdzieś pomiędzy 5 a 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Aby udzielić odpowiedzi w prostszych zakrętach. (Tak, bardzo uproszczony, ale powinien wprowadzić podstawową koncepcję).

Gwiazda „pali się” przez syntezę jądrową między lżejszymi pierwiastkami, takimi jak wodór, zwracający się do helu. Ciepło i energia tego spalania nieustannie popychają materię wewnątrz gwiazdy, która ją podtrzymuje. Topiący się wodór wytwarza wystarczającą ilość energii, aby powstrzymać go przed zapadnięciem się w centrum.

Gdy gwiazda zaczyna brakować paliwa, „ogień” staje się zimniejszy, a wypychanie słabnie.

W końcu pchnięcie nie wystarcza, aby rozdzielić gwiazdę i wszystko się zbliża. To załamanie uwalnia ogromną ilość energii, która powoduje wybuch.

— Tim B.
źródło

„Gdy gwiazda zaczyna brakować paliwa,„ ogień ”staje się zimniejszy, a wypychanie słabnie”. Temperatura jądra gwiazdy stale rośnie przez całe życie aż do wybuchu supernowej.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Nie twierdzę, że jestem ekspertem, ale rozumiem, że jest to spowodowane załamaniem grawitacyjnym uwalniającym energię potencjalną, a nie ciepło z trwającej fuzji? „Ogień” stał się zimniejszy, ale inne czynniki przejmują kontrolę.

— Tim B

Przekształcenie energii potencjalnej grawitacji w ciepło jest w najlepszym razie minimalne. Wzrost temperatury jest w rzeczywistości spowodowany ciągłym stopieniem się coraz cięższych pierwiastków w rdzeniu. Na przykład przeczytaj tę stronę wiki .

— zephyr

Fajnie i krótko, ale do opisu dodam termin „odbijanie się”, tak jak Rob Jeffries. Jest żywy i dopełnia twojego opisu ładniej niż „powoduje eksplozję”

— Mike Wise

n

$n$

n + 1

$n+1$