Perché le stelle esplodono?

Ho sempre sentito il narratore di documentari dire che una stella è esplosa perché ha esaurito il carburante. Di solito le cose esplodono quando hanno troppo carburante, non quando esauriscono il carburante. Spiega per favore...

star explosion

— Camion Laurence mcLarry
fonte

Una stella (abbastanza grande) ha molta materia. La gravità cerca di riunire tutta questa faccenda al centro della massa, quindi qualcosa deve respingere. Per una stella il processo di fusione nel nucleo che produce luce è quello che spinge indietro. Ad un certo punto la stella si esaurisce e la "spinta fuori" svanisce, quindi tutto collassa al centro molto rapidamente. Quindi esplode.

— Thorbjørn Ravn Andersen,

@ ThorbjørnRavnAndersen Un punto chiave è che non sta crollando tutto . Se così fosse, l'energia potenziale gravitazionale rilasciata sarebbe insufficiente anche per invertire il collasso, provocando un'esplosione. Crolla solo il nucleo. La busta rimane beata inconsapevole del collasso fino a quando non viene portata nello spazio.

— Rob Jeffries,

Le "risposte come commento" sono consentite su questa SE?

— dav1dsm1

@ dav1dsm1th No, non è consentito su nessuna SE. Tuttavia, è una pratica abbastanza comune; non tutti hanno il tempo di scrivere una risposta a tutti gli effetti, quindi annotano tutto ciò che possono e sperano che qualcuno possa venire a dargli una risposta completa.

— Setsu,

@Setsu Buono a sapersi. Spero che questi commenti vengano ripuliti ad un certo punto (incluso il mio rumore).

— dav1dsm1

Risposte:

Risposta breve:

Una piccola frazione dell'energia potenziale gravitazionale rilasciata dal collasso molto rapido del nucleo di ferro inerte viene trasferita agli strati esterni e questo è sufficiente per alimentare l'esplosione osservata.

Più in dettaglio:

Considera l'energia di una stella modello idealizzata. Ha un "nucleo" di massa e raggio iniziale e un inviluppo esterno di massa e raggio . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Supponiamo ora che il nucleo collassi ad un raggio molto più piccolo in un tempo così breve che si disaccoppia dall'inviluppo. La quantità di energia potenziale gravitazionale rilasciata sarà . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Una frazione di questa energia rilasciata può essere trasferita all'involucro sotto forma di scosse e radiazioni in movimento verso l'esterno. Se l'energia trasferita supera l'energia di legame gravitazionale dell'involucro l'involucro può essere soffiato nello spazio. $\sim Gm^2/r$

In una stella che esplode (supernove di collasso del nucleo di tipo II) km, km e km. La massa del nucleo è e la massa dell'inviluppo è . Il nucleo denso è principalmente in ferro e supportato dalla pressione della degenerazione elettronica . Si dice che la stella "abbia esaurito il combustibile" perché le reazioni di fusione con i nuclei di ferro non rilasciano quantità significative di energia. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

Il crollo è innescato dal fatto che la combustione nucleare continua attorno al nucleo e quindi la massa del nucleo viene gradualmente aumentata e mentre lo fa si restringe gradualmente (una peculiarità delle strutture supportate dalla pressione della degenerazione), la densità aumenta e quindi un'instabilità viene introdotta dall'elettrone reazioni di cattura o fotodisintegrazione dei nuclei di ferro. Ad ogni modo, gli elettroni (che sono ciò che sta fornendo il supporto per il nucleo) vengono assorbiti dai protoni per formare neutroni e il nucleo collassa su una scala temporale di caduta libera di s! $\sim 1$

Il crollo è bloccato dalla forte forza nucleare e dalla pressione degenerativa dei neutroni. Il nucleo rimbalza; un'onda d'urto viaggia verso l'esterno; la maggior parte dell'energia gravitazionale viene immagazzinata nei neutrini e una frazione di questa viene trasferita allo shock prima che i neutrini fuggano, allontanando l'involucro esterno. Un eccellente resoconto descrittivo di questo e del paragrafo precedente può essere letto in Woosley & Janka (2005) .

Inserendo alcuni numeri.

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

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

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

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

Quindi, per guidare l'esplosione della supernova, è sufficiente trasferire nell'involucro solo l'1% dell'energia potenziale rilasciata dal nucleo collassante. Questo in realtà non è ancora stato compreso nei dettagli, anche se in qualche modo le supernove trovano un modo per farlo.

Un punto chiave è che il rapido collasso ha luogo solo nel nucleo della stella. Se l'intera stella collassasse come una sola, allora la maggior parte dell'energia potenziale gravitazionale sfuggirebbe a radiazioni e neutrini e ci sarebbe energia insufficiente anche per invertire il collasso. Nel modello di collasso centrale , la maggior parte (90% +) dell'energia gravitazionale rilasciata viene persa come neutrino, ma ciò che rimane è ancora facilmente sufficiente per sciogliere l' involucro non occultato . Il nucleo collassato rimane legato e diventa una stella di neutroni o un buco nero.

Un secondo modo per far esplodere una stella (una nana bianca) è una reazione termonucleare. Se il carbonio e l'ossigeno possono essere innescati nelle reazioni di fusione nucleare, viene rilasciata abbastanza energia per superare l'energia di legame gravitazionale della nana bianca. Queste sono supernove di tipo Ia.

— Rob Jeffries
fonte

Vale la pena notare che i modelli di supernovae a collasso centrale non sono generalmente riusciti a produrre costantemente supernova. Nelle simulazioni lo shock di solito si blocca, e anche quando ciò non accade, le simulazioni di solito hanno difficoltà ad abbinare le luminosità osservate. L'introduzione a questo documento presenta una buona introduzione ad alcune delle difficoltà sul campo: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini,

La mia domanda sarebbe in larga parte perché esplode piuttosto che transitare senza incidenti mentre il punto di stabilità vaga attraverso lo spazio dei parametri. È il punto chiave che quando hai abbastanza temperatura / densità per bloccare i protoni e gli elettroni insieme, che all'improvviso rimuove ciò che tiene tutto, quindi cade, può aumentare ulteriormente la densità, rimuove di più ... ma poi di nuovo perché non lo è? t che un processo che può "lentamente" rampa e mantenere una certa stabilità? Sicuramente la stella non passa da nessuna cattura di elettroni a tutte le catture di elettroni?

— Nick T,

@ J.O'BrienAntognini In effetti, i modelli possono fare fatica a capire come trasferire l'1% di energia richiesta, come ho accennato in precedenza. Ma le stelle reali l'hanno capito e nessuno contesta quale sia la fonte di energia.

— Rob Jeffries,

@NickT è davvero un'instabilità in fuga. La cattura di elettroni avviene ad una densità di soglia perché gli elettroni degeneri hanno un'energia massima distinta, dipendente dalla densità (non hanno una distribuzione maxwelliana). Questa scomparsa di elettroni riduce la pressione, quindi la stella collassa, aumentando la densità e quindi la massima energia degli elettroni degenerati, permettendo a sempre più di loro di partecipare alla neutronizzazione. Il risultato è il collasso totale entro un secondo dall'esordio.

— Rob Jeffries,

@RobJeffries Questo è vero, anche se va anche notato che potrebbe benissimo essere una frazione sostanziale di stelle massicce che hanno fallito le supernovae! Quindi, anche se alcune stelle lo hanno sicuramente capito, non è necessariamente il caso che tutti lo abbiano fatto! Ci sono alcuni vincoli allentati che mettono la frazione di supernova fallita in qualche luogo tra il 5 e il 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Per dare una risposta in turni più semplici. (Sì, molto semplificato, ma dovrebbe introdurre il concetto di base).

Una stella "brucia" per fusione nucleare tra elementi più leggeri come l'idrogeno che si trasforma in elio. Il calore e l'energia di quel bruciore spingono costantemente la materia all'interno della stella sollevandola. L'idrogeno che fonde genera energia sufficiente per impedirgli di collassare al centro.

Quando la stella inizia a rimanere senza carburante, il "fuoco" diventa più freddo e la spinta fuori si indebolisce.

Alla fine la spinta non è abbastanza per tenere la stella separata e tutto torna di nuovo insieme. Quel collasso rilascia un'enorme quantità di energia che provoca l'esplosione.

— Tim B
fonte

"Quando la stella inizia a rimanere senza carburante quel" fuoco "diventa più freddo, e la spinta fuori si indebolisce." La temperatura al centro di una stella continua ad aumentare per tutta la sua vita fino all'esplosione della supernova.

— Rob Jeffries,

@RobJeffries Non pretendo di essere un esperto, ma la mia comprensione è che ciò è dovuto al collasso gravitazionale che libera energia potenziale piuttosto che calore dalla fusione in corso? Il "fuoco" è diventato più freddo ma altri fattori stanno prendendo il sopravvento.

— Tim B,

La conversione dell'energia potenziale gravitazionale in calore è nella migliore delle ipotesi minima. L'aumento della temperatura è in realtà dovuto alla continua fusione di elementi sempre più pesanti nel nucleo. Ad esempio, leggi questa pagina wiki .

— Zefiro,

Bello e breve, ma aggiungerei il termine "rimbalzo" a quella descrizione come ha fatto Rob Jeffries. È vivido e finirebbe la tua descrizione più bene di "provoca l'esplosione"

— Mike Wise,

@ Tim Rob ha ragione sulla cosa della temperatura. Il modo più semplice per vedere che deve essere così è notare che le stelle massicce attraversano una serie di stadi di combustione, ciascuno dei quali richiede temperature più elevate rispetto all'ultimo. Come una stella esaurisce il carburante per il palcoscenico

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