Почему звезды взрываются?

Я всегда слышу, как рассказчик документальных фильмов говорит, что звезда взорвалась, потому что у нее кончилось топливо. Обычно вещи взрываются, когда у них слишком много топлива, а не когда у них заканчивается топливо. Пожалуйста, объясни...

star explosion

— Лорри Лоуренс МакЛарри
источник

У (достаточно большой) звезды много материи. Гравитация пытается объединить все это в центре масс, поэтому что-то нужно оттолкнуть. Для звезды процесс слияния в ядре, производящий свет, отталкивает назад. В какой-то момент у звезды кончается топливо, и «выталкивание» исчезает, поэтому все очень быстро падает в центр. Затем он взрывается.

— Турбьерн Равн Андерсен

@ ThorbjørnRavnAndersen Ключевым моментом является то, что не все рушится. Если бы это было так, то высвобождаемой потенциальной гравитационной энергии было бы недостаточно даже для того, чтобы обратить вспять коллапс, а вместе с тем и вызвать взрыв. Только ядро рушится. Конверт остаётся в блаженном неведении о коллапсе, пока его не унесут в космос.

— Роб Джеффрис

Разрешены ли "ответы как комментарий" на этом SE?

— dav1dsm1th

@ dav1dsm1th Нет, это запрещено на любой SE. Тем не менее, это довольно распространенная практика; Не у всех есть время, чтобы написать полноценный ответ, поэтому они записывают все, что могут, и надеются, что кто-нибудь придет, чтобы воплотить его в полный ответ.

— Setsu

@Setsu Рад слышать. Надеюсь, в какой-то момент эти комментарии будут очищены (включая мой шум).

— dav1dsm1th

Ответы:

Краткий ответ:

Крошечная доля потенциальной гравитационной энергии, выделяющейся при очень быстром разрушении сердечника из инертного железа, переносится во внешние слои, и этого достаточно для питания наблюдаемого взрыва.

Более детально:

Рассмотрим энергетику идеализированной модельной звезды. Он имеет «ядро» с массой и начальным радиусом и внешнюю оболочку с массой и радиусом . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Теперь предположим, что ядро коллапсирует до гораздо меньшего радиуса на таком коротком временном интервале, что оно отделяется от оболочки. Количество гравитационной потенциальной энергии , выделяемое будет . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Часть этой высвобождаемой энергии может передаваться в оболочку в форме движущихся наружу ударов и излучения. Если передаваемая энергия превышает энергию гравитационной связи оболочки то оболочку можно выбросить в космос. $\sim Gm^2/r$

В взорвавшейся звезды (тип II , коллапс ядра сверхновых) км, км и км. Масса ядра составляет а масса оболочки составляет . Плотное ядро в основном сделано из железа и поддерживается давлением вырождения электронов . Говорят, что у звезды "кончилось топливо", потому что реакции синтеза с ядрами железа не выделяют значительного количества энергии. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

Коллапс вызван тем, что ядерное горение продолжается вокруг ядра, и поэтому масса ядра постепенно увеличивается и, по мере этого, постепенно сжимается (особенность структур, поддерживаемых давлением вырождения), плотность увеличивается, а затем электрон вносит нестабильность. реакции захвата или фоторазрушение ядер железа. В любом случае, электроны (которые , что обеспечивает поддержку для сердцевины), прочесывая протоны с образованием нейтронов и коллапсы на гравитационном масштаб времени сек! $\sim 1$

Коллапс остановлен сильной ядерной силой и давлением нейтронного вырождения. Ядро подпрыгивает; ударная волна распространяется наружу; Большая часть гравитационной энергии хранится в нейтрино, и часть ее передается на удар до того, как нейтрино уйдут, унося наружную оболочку. Отличное описательное описание этого и предыдущего параграфа можно прочитать в Woosley & Janka (2005) .

Ввод в некоторых номерах.

г M^{2} / р знак равно 4 \times 10^{46} J

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

г м^{2} / р знак равно 3 \times 10^{44} J

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

Таким образом, нужно всего лишь перевести порядка 1% от высвобождаемой потенциальной энергии коллапсирующего ядра в оболочку, чтобы вызвать взрыв сверхновой. Это на самом деле еще не понято подробно, хотя каким-то образом сверхновые находят способ сделать это.

Ключевым моментом является то, что быстрый коллапс происходит только в ядре звезды. Если бы вся звезда рухнула как единое целое, то большая часть потенциальной гравитационной энергии вылетела бы в виде излучения и нейтрино, и энергии было бы недостаточно даже для того, чтобы обратить вспять коллапс. В основном коллапсе модели, большинство (90% +) высвобождаемая гравитационной энергия будет потерянно нейтрино, но то , что остается еще достаточно легко отвязать неразрушенный конверт . Коллапсирующее ядро остается связанным и становится либо нейтронной звездой, либо черной дырой.

Вторым способом взрыва звезды (белого карлика) является термоядерная реакция. Если углерод и кислород могут воспламениться в реакциях ядерного синтеза, тогда выделяется достаточно энергии, чтобы превысить энергию гравитационного связывания белого карлика. Это сверхновые типа Ia.

— Роб Джеффрис
источник

Стоит отметить, что модели сверхновых с коллапсом ядра, как правило, не способны постоянно производить сверхновые. В симуляциях шок обычно глохнет, и даже когда этого не происходит, симуляции обычно испытывают трудности с соответствием наблюдаемой яркости. Введение в этот документ представляет собой хорошее введение в некоторые из трудностей в этой области: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

Мой вопрос был бы в общих чертах, почему он взрывается, а не перемещается без происшествий без происшествий, поскольку точка стабильности блуждает через любое пространство параметров. Является ли ключевым моментом то, что когда у вас достаточно температуры / плотности, чтобы соединить вместе протоны и электроны, то внезапно удаляет то, что удерживает все, так что оно падает, может еще больше увеличить плотность, удаляет больше ... но опять же, почему нет? т , что процесс , который может «медленно» нарастить и поддерживать некоторую стабильность? Конечно, звезда не переходит от захвата электронов ко всем захватам электронов?

— Ник Т

@ J.O'BrienAntognini Действительно, модели могут изо всех сил пытаться решить, как передать 1% необходимой энергии - как я упоминал выше. Но настоящие звезды поняли это, и никто не оспаривает, что является источником энергии.

— Роб Джеффрис

@NickT это действительно безудержная нестабильность. Захват электронов происходит при пороговой плотности, потому что вырожденные электроны имеют различную, зависящую от плотности максимальную энергию (у них нет максвелловского распределения). Это исчезновение электронов снижает давление, поэтому звезда коллапсирует, увеличивая плотность и, следовательно, максимальную энергию вырожденных электронов, что позволяет все большему количеству из них участвовать в нейтронизации. Результатом является полный коллапс в течение секунды после начала.

— Роб Джеффрис

@RobJeffries Это правда, хотя следует также отметить, что вполне может оказаться, что значительная часть массивных звезд потеряла сверхновые! Таким образом, хотя несколько звезд наверняка поняли это, это не обязательно тот случай, что они все имеют! Существуют некоторые свободные ограничения, из-за которых доля неудавшейся сверхновой составляет от 5 до 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Чтобы дать ответ в более простых поворотах. (Да, очень упрощенный, но он должен ввести основную концепцию).

Звезда "горит" в результате ядерного синтеза между более легкими элементами, такими как водород, превращающийся в гелий. Тепло и энергия этого горения постоянно толкают вещество внутри звезды, удерживающей его. Сплавленный водород вырабатывает достаточно энергии, чтобы помешать ему упасть в центр.

Когда у звезды кончается топливо, этот «огонь» становится холоднее, а выталкивание ослабевает.

В конце концов, толчка не достаточно, чтобы разлучить звезду, и все это возвращается вместе. Этот коллапс высвобождает огромное количество энергии, которая вызывает взрыв.

— Тим Б
источник

«Когда у звезды кончается топливо,« огонь »становится холоднее, а выталкивание становится слабее». Температура в ядре звезды продолжает расти на протяжении всей жизни вплоть до взрыва сверхновой.

— Роб Джеффрис

@RobJeffries Я не претендую на звание эксперта, но, насколько я понимаю, это связано с гравитационным коллапсом, высвобождающим потенциальную энергию, а не тепло от продолжающегося синтеза? «Огонь» стал холоднее, но другие факторы вступают во владение.

— Тим Б

Преобразование гравитационной потенциальной энергии в тепло в лучшем случае минимально. Повышение температуры фактически происходит из-за продолжающегося слияния более тяжелых и более тяжелых элементов в ядре. Например, прочитайте эту вики-страницу .

— зефир

Хороший и короткий, но я бы добавил к этому описанию термин «отскок», как это сделал Роб Джеффрис. Это яркое и закончило бы ваше описание более красиво, чем «вызывает взрыв»

— Майк Уайз

n

$n$

n + 1

$n+1$