Чому вибухають зірки?

Я завжди чую, як оповідач документальних фільмів говорить про те, що зірка вибухнула через те, що у неї закінчилося пальне. Зазвичай речі вибухають, коли у них занадто багато палива, а не тоді, коли у них закінчується пальне. Будь ласка, поясніть...

star explosion

— Lorry Laurence mcLarry
джерело

У (досить великої) зірки багато речовини. Гравітація намагається зібрати всю цю справу разом у центрі маси, тому щось потрібно відштовхувати. Для зірки процес синтезу в ядрі, що виробляє світло, - той, який відштовхується назад. У один момент у зірки не вистачає палива, а "виштовхування" зникає, тому все швидко руйнується в центр Потім він вибухає.

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Ключовим моментом є те, що не все руйнується. Якби тоді вивільнена гравітаційна потенціальна енергія була б недостатньою навіть для зворотного колапсу, нехай разом це спричинить вибух. Руйнується лише ядро. Конверт залишається блаженно не знаючи про крах, поки його не вибухнуть у космос.

— Роб Джефріс

Чи дозволені "відповіді як коментар" на цьому ПП?

— dav1dsm1th

@ dav1dsm1th Ні, це заборонено в будь-якому SE. Однак це досить поширена практика; не у кожного є час написати повноцінну відповідь, тому вони записують все, що можуть, і сподіваються, що хтось може прийти разом, щоб перетворити її на повну відповідь.

— Сецу

@Setsu Приємно чути. Сподіваємось, ці коментарі будуть очищені в якийсь момент (включаючи мій шум).

— dav1dsm1th

Відповіді:

Коротка відповідь:

Невелика частка гравітаційної потенціальної енергії, що виділяється при дуже швидкому руйнуванні інертного залізного ядра, переноситься на зовнішні шари, і цього достатньо для живлення спостережуваного вибуху.

Більш детально:

Розглянемо енергетику ідеалізованої зірки моделі. Він має "серцевину" масою і початковим радіусом і зовнішню оболонку масою і радіусом . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Тепер припустимо, що ядро згортається на набагато менший радіус за такий короткий часовий масштаб, що воно від'єднується від конверта. Величина гравітаційної потенційної енергії , що виділяється буде . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Частка цієї енергії, що вивільняється, може бути передана в оболонку у вигляді рухомих назовні ударів і випромінювання. Якщо передана енергія перевищує гравітаційну енергію зв’язку оболонки то оболонку можна підірвати в простір. $\sim Gm^2/r$

У вибухаючій зірці (супернові II типу) км, км і км. Основна маса а маса конверта . Щільна серцевина здебільшого виготовлена із заліза та підтримується тиском виродження електронів . Кажуть, що зірка "закінчилася паливом", тому що реакції синтезу з ядрами заліза не виділяють значної кількості енергії. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

Колапс викликається тим, що ядерне горіння триває навколо ядра, і тому маса ядра поступово збільшується, і при цьому вона поступово скорочується (особливість структур, підтримуваних тиском виродження), щільність збільшується, а потім вводиться нестабільність або електроном реакції захоплення або фотодизінтеграція ядер заліза. Так чи інакше, електрони (що є тим, що забезпечує підтримку ядра) протонами стикуються протонами, утворюючи нейтрони, і ядро руйнується на часовій шкалі вільного падіння с! $\sim 1$

Колапс зупиняється сильною ядерною силою та тиском виродження нейтронів. Ядро відскакує; ударна хвиля просувається назовні; більша частина гравітаційної енергії зберігається в нейтрино, і частина цього переходить до удару перед тим, як нейтрино вирветься, відганяючи зовнішню оболонку. Чудовий описовий опис цього та попереднього пункту можна прочитати у Woosley & Janka (2005) .

Введення в деякій кількості.

G M^{2} / R = 4 \times 10^{46} J

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

G m^{2} / r = 3 \times 10^{44} J

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

Тож потрібно лише передати порядку 1% вивільненої потенційної енергії руйнуючогося ядра в оболонку для того, щоб призвести до вибуху наднової. Це насправді ще не зрозуміло докладно, хоча якось супернові знаходять спосіб це зробити.

Ключовим моментом є те, що швидкий колапс відбувається лише в ядрі зірки. Якби вся зірка розпалася як одна, то більша частина потенціалу гравітаційного потенціалу витікала б як випромінювання та нейтрино, і не було б достатньо енергії навіть для зворотного колапсу. В основному колапсі моделі, більшість (90% +) вивільняється гравітаційної енергія буде розгублено нейтрино, але то , що залишається ще досить легко відв'язати незруйнованим конверт . Зруйноване ядро залишається зв'язаним і стає або нейтронною зіркою, або чорною дірою.

Другий спосіб викликати вибух зірки (білого карлика) - це термоядерна реакція. Якщо вуглець і кисень можуть бути запалені в реакціях ядерного синтезу, то виділяється достатня кількість енергії для перевищення енергії гравітаційного зв’язку білого карлика. Це наднові Ia типу.

— Роб Джеффріс
джерело

Варто відзначити, що моделі ядерних наднових, що розпадаються, як правило, не спромоглися постійно виробляти наднови. У симуляціях удар зазвичай затримується, і навіть коли цього не відбувається, симуляція зазвичай має труднощі з узгодженням спостережуваних світильників. Вступ до цього документу дає хороший вступ до деяких складнощів у цій галузі: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

Моє запитання було б загалом, чому він вибухає, а не переходить нерівномірно, оскільки точка стабільності блукає через будь-який простір параметрів. Чи є ключовим моментом, що коли у вас достатньо температури / щільності, щоб заклинити протони та електрони разом, то раптом видаляється те, що затримує все, тому воно падає, може ще більше збільшувати щільність, видаляє більше ... але тоді знову ж чому t що процес, який може "повільно" наростити і підтримувати певну стабільність? Невже зірка не переходить від жодного захоплення електронів до всіх захоплених електронів?

— Нік Т

@ J.O'BrienAntognini Дійсно, моделі можуть намагатися вирішити, як передати 1% необхідної енергії - як я нагадав вище. Але справжні зірки з’ясували це, і ніхто не заперечує, яке джерело енергії.

— Роб Джефріс

@NickT - це справді відверта нестабільність. Захоплення електронів відбувається при пороговій щільності, оскільки вироджені електрони мають чітку, залежну від щільності максимальну енергію (вони не мають Максвеллівського розподілу). Це зникнення електронів знижує тиск, тому зірка руйнується, збільшуючи щільність і, отже, максимум енергії вироджених електронів, дозволяючи все більшої кількості їх брати участь у нейтронізації. Результат - тотальний крах протягом секунди після початку.

— Роб Джефріс

@RobJeffries Це правда, хоча слід також зазначити, що цілком може бути значна частина масивних зірок, які зазнали невдачі наднових! Отже, хоча кілька зірок, безумовно, це зрозуміли, не обов'язково вони мають усі! Існують деякі обмежені обмеження, які ставлять частку невдалої наднової десь між 5 і 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Давати відповідь більш простими чергами. (Так дуже спрощено, але воно повинно запровадити базове поняття).

Зірка «горить» ядерним синтезом між більш легкими елементами, такими як Водень, що повертається до Гелію. Тепло і енергія цього горіння постійно тисне на матерію всередині зірки, яка тримає її. Плавкий водень генерує достатню кількість енергії, щоб запобігти його руйнуванню в центр.

Коли зірка починає вичерпати пальне, то "вогонь" стає холоднішим, а виштовхування слабшає.

Врешті-решт, поштовху недостатньо, щоб зірвати зірку, і вона все кидається назад. Цей колапс вивільняє величезну кількість енергії, яка викликає вибух.

— Тім Б
джерело

"Коли зірка починає втрачати пальне, то" вогонь "стає холоднішим, а виштовхування слабшає". Температура в ядрі зірки продовжує зростати протягом усього її життя аж до вибуху наднової.

— Роб Джефріс

@RobJeffries Я не претендую на експерт, але я розумію, що це пов'язано з гравітаційним колапсом, що вивільняє потенційну енергію, а не тепло від поточного синтезу? "Вогонь" став холоднішим, але інші чинники переймаються.

— Тім Б

Перетворення гравітаційної потенційної енергії в тепло в кращому випадку мінімально. Підвищення температури насправді пов’язане з постійним синтезом більш важких і важчих елементів у серцевині. Наприклад, прочитайте цю сторінку вікі .

— зефір

Приємно і коротко, але я би додав до цього опису термін "відмов", як це робив Роб Джефріс. Це яскраво і закінчить ваш опис красивіше, ніж "спричиняє вибух"

— Майк Мудрий

n

$n$

n + 1

$n+1$