Ci sono cambiamenti osservabili in una stella che sta per diventare supernova, minuti o ore prima dell'esplosione?

Sto scrivendo un romanzo di fantascienza, in cui una nave è bloccata in un sistema a stella singola (un supergigante rosso). Uno dei punti della trama è la stella che diventa supernova in diverse ore, quindi i personaggi devono riparare la loro nave prima che ciò accada.

Ho una conoscenza di base di come funziona: il ferro generato dalla fusione nucleare viene accumulato nel nucleo, fino a quando non raggiunge un punto in cui inizia la fusione del ferro. Poiché la fusione di ferro è una reazione endotermica, il nucleo non è più in grado di generare energia sufficiente per resistere alla propria gravità e alla pressione degli strati esterni, quindi collassa ed esplode.

Ho letto che una volta che la fusione di ferro inizia all'interno del nucleo, il collasso si verifica in pochi minuti, che il collasso stesso dura alcuni secondi (anche meno di un secondo) e che l'onda d'urto impiega diverse ore per raggiungere la superficie. È tutto corretto?

Il fatto è che ho bisogno che i personaggi siano in grado di prevedere l'esplosione a breve termine. Alcune ore o addirittura minuti. Sarebbe bello se potessero essere consapevoli del crollo del nucleo e iniziare un conto alla rovescia.

Quindi, ci sono segnali esterni di questi eventi, come i cambiamenti di luminosità o colore? Lo spettro stellare cambia quando inizia la fusione del ferro o quando il nucleo collassa? So che il collasso del nucleo genera un'enorme quantità di neutrini. Questa quantità è così intensa da poter essere facilmente rilevabile? (cioè senza un enorme rilevatore in una struttura sotterranea). È possibile stimare la quantità di ferro nel nucleo dallo spettro e dalle dimensioni della stella, in modo da poter prevedere il tempo approssimativo del collasso?

Penso che la tua scommessa migliore sarebbe quella di rilevare i neutrini generati dalla combustione nucleare all'interno della stella (come facciamo per il Sole). Una volta che la stella raggiunge lo stadio di combustione del carbonio, sta effettivamente emettendo più energia nei neutrini che nei fotoni. Durante la fase di combustione del silicio, che dura alcuni giorni ed è ciò che crea il nucleo di ferro degenerato (che collassa una volta che è abbastanza massiccio), il flusso di neutrini aumenta a circa 10 ⁴⁷ erg / sa pochi secondi prima del collasso del nucleo. (Il flusso di picco durante collasso del nucleo è di circa 10 ⁵² a 10 ⁵³ erg / s). Questo articolo di Asakura et al. stima che il rivelatore giapponese KamLAND potrebbe rilevare il flusso di neutrini pre-supernova per le stelle a distanze di diverse centinaia di parsece fornire un preavviso di una supernova di collasso del nucleo con diverse ore o addirittura giorni di anticipo. Dato che i tuoi personaggi sono nello stesso sistema della stella, difficilmente avrebbero bisogno di un grosso rilevatore sotterraneo per raccogliere i neutrini.

Questo diagramma mostra un esempio di luminosità del neutrino (per neutrini anti-elettrone) rispetto al tempo per una stella pre-supernova (da Asakura et al. 2016, basata su Odrzywolek & Heger 2010 e Nakazato et al.2013); il crollo del nucleo inizia con t = 0s.

Misurando lo spettro di energie per diversi tipi di neutrini e la loro evoluzione nel tempo, potresti probabilmente avere una buona idea di quanto fosse lunga la stella, in particolare poiché possiamo presumere che i tuoi personaggi abbiano modelli molto migliori per l'evoluzione stellare rispetto a noi attualmente fare. (Vorrebbero anche ottenere misurazioni accurate della massa della stella, della velocità di rotazione, forse della struttura interna tramite l'astroseismologia, ecc., Al fine di mettere a punto il modello di evoluzione stellare; queste sono tutte cose che potrebbero fare abbastanza facilmente.)

Il collasso del nucleo stesso sarebbe segnalato dall'enorme aumento del flusso di neutrini.

Questo articolo "What If" di Randall Munroe stima che il flusso di neutrini da una supernova a collasso del nucleo sarebbe letale per un essere umano a una distanza di circa 2 UA. Che, come sottolinea, potrebbe effettivamente essere all'interno di una stella supergigante, quindi i tuoi personaggi sarebbero probabilmente un po 'più lontani da quello. Ma mostra che il flusso di neutrini sarebbe facilmente rilevabile e che i tuoi personaggi potrebbero ottenere avvelenamento da radiazioni se fossero più vicini di 10 UA. (Certo, vorresti rilevarlo più direttamente che semplicemente aspettare fino a quando non hai iniziato a sentirti male, dal momento che potrebbe richiedere più tempo di quanto l'onda d'urto impieghi per raggiungere la superficie della stella.) Questo è solo per portare a casa il fatto che non avrebbero alcun problema a rilevare i neutrini ...

Altre risposte sono corrette; un impulso di neutrino è sicuramente previsto a seguito di una supernova di collasso del nucleo e dovrebbe verificarsi alcune ore prima che un'onda d'urto arrivi in ​​superficie.

$\sim (G \rho)^{-1/2}$$\rho$$10M_{\odot}$

Un'altra possibilità non menzionata finora sono le onde gravitazionali. Supponendo che fosse disponibile un rilevatore di onde gravitazionali relativamente portatile (!), Ci si aspetterebbe anche un forte impulso di onde gravitazionali sul crollo del nucleo (un secondo o meno) che presagirebbe anche l'onda di esplosione della supernova alcune ore dopo.

Come diceva Dean , i progenitori delle supernova in genere rilasciano neutrini prima del collasso del nucleo completo, della formazione residua e dell'espulsione degli strati esterni della stella. Il processo - focalizzato qui sui neutrini - procede in questo modo:

1. $\rho\sim10^9\text{ g/cm}^3$ $$e^-+p\to n+\nu_e$$ $$n\to p+e^-+\bar{\nu}_e$$
2. La cattura elettronica riduce la pressione della degenerazione elettronica nel nucleo, il che porta a un collasso accelerato del nucleo. La pressione della degenerazione è importante nei nuclei di molte stelle, ma in stelle estremamente massicce - comprese le supergiganti rosse - semplicemente non è sufficiente per fermare il collasso.
3. $\sim10^{11}\text{ g/cm}^3$$\rho\sim4\times10^{11}\text{ g/cm}^3$
4. $\rho\sim2.5\times10^{14}\text{ g/cm}^3$
5. I neutrini ancora intrappolati nel / dal residuo stellare vengono rilasciati circa dieci secondi dopo. Anche la produzione di coppie di neutrini porta ad un rapido raffreddamento. Alcuni di questi neutrini possono contribuire al rilancio dell'onda d'urto.

I neutrini possono arrivare ore - o possibili giorni, in alcune circostanze - prima della luce della supernova. Il primo è stato il caso di SN 1987A , la prima supernova da cui sono stati rilevati neutrini.

Riferimenti

• Balasi et al. (2015)
• Mirizzi et al. (2015)
• Scholberg (2012)

Una supernova superluminosa (aka hypernova) può mostrare un doppio picco della sua luminosità e alcuni stanno teorizzando che questa potrebbe essere la norma per una supernova superluminosa, anche se per quanto ne so è stata effettivamente osservata in un solo caso finora (DES14X3taz).

Ad ogni modo, in (almeno) in questo caso c'è stato un sostanziale aumento iniziale della luminosità. Quindi la luminosità è diminuita (un paio di magnitudini) per alcuni giorni, quindi è tornata a essere notevolmente più luminosa del "bump" iniziale.

Probabilmente dovrai stare attento alle distanze coinvolte. Lo scoppio iniziale di luce è già abbastanza grande che a meno che la tua gente non sia abbastanza lontana, sarà già abbastanza per friggerli in modo croccante.

C'è un altro punto che potrebbe essere interessante per il tuo romanzo. Dopo l'esplosione, quello che probabilmente otterrai è una magnetar - che, come puoi immaginare dal nome, è una stella con un campo magnetico estremamente forte - così forte, infatti, che probabilmente causerà ogni sorta di caos con qualcosa nelle vicinanze che dipende da qualcosa che coinvolge attività elettrica - non solo l'elettronica, ma anche probabilmente i nervi delle persone.

C'è un ovvio problema qui: un supergigante rosso è il giusto tipo di stella come progenitore di una supernova "normale". Probabilmente non è il tipo giusto come progenitore di una supernova superluminosa. Il progenitore di una supernova è in genere qualcosa come sei o otto masse solari. Una supernova superluminosa è probabilmente (solo pochi sono noti, quindi è difficile generalizzare) qualcosa come circa duecento masse solari. Data la quantità di energia rilasciata, deve comunque essere abbastanza grande.

Riferimento: Smith, et al (2015)