Почему взрывается сверхновая?

Это действительно беспокоит меня. Когда вы просматриваете какой-нибудь образовательный текст о жизни звезд, вы обнаружите следующее:

  1. Гравитация создает температуру и давление для запуска реакций синтеза.
  2. Слияние идет к все более и более тяжелым ядрам, заканчивающимся железом, которое остается в центре звезды.
  3. В одно мгновение все легкие ядра истощаются, и гравитация побеждает силу термоядерных реакций, которых сейчас нет.
  4. Ядро звезды коллапсирует в объект с высокой плотностью, которая может варьироваться в зависимости от массы звезды.
  5. И взрываются верхние слои звезды .

И я просто не могу найти четкого объяснения, почему. Согласно моим представлениям, верхние слои звезды должны просто упасть в коллапсирующее ядро.

Это из-за третьего правила Ньютона?

Или у звезд какая-то потребность заканчиваться крутым бумом?

Внешние слои действительно падают в разрушающееся ядро, прежде чем взорваться. Я не очень разбираюсь в таких предметах, но, поскольку я знаю некоторых людей, которые исследуют взрывы SN, я могу попросить ссылку, если хотите. Насколько я мог понять, то, почему внешние слои взрываются, весьма нетривиально, и кажется, что это включает в себя множество различных механизмов, работающих вместе. Итак, я считаю, что вы имеете полное право быть заинтригованным этим.
Я считаю, что объяснение связано с созданием ударной волны, вызванной коллапсом внешних слоев в массивное ядро.
Кому-нибудь удалось сделать модель, которая надежно взрывается, когда ожидается взрыв? Я помню, как это было серьезной проблемой, когда я был студентом десять лет назад.

Ответы (4)

Есть много возможных способов, которыми звезды могут закончить свою жизнь, даже в тех случаях, когда конец жестокий. Элофф дал отличный ответ, но я хотел добавить несколько моментов.

Резюме (тл;др):

Вам нужны правильные условия (масса, угловой момент, металличность и т. д.), чтобы создать протонейтронную звезду, способную противостоять полному коллапсу в черную дыру. Отскок от поверхности протонейтронной звезды и нагрев нейтрино — вот что приводит к взрыву материала. Радиоактивность в конечном итоге является источником света, который мы видим от сверхновых.

Основная картина образования сверхновой из массивной звезды 1 :

  1. Звезда сжигает все более тяжелые элементы в более короткие промежутки времени, пока не начнет производить железо (Fe) в течение нескольких секунд.

  2. После железа плавление в ядре прекращается, и опора давлением теряется. Гравитация действует беспрепятственно, и звезда начинает динамически коллапсировать .

  3. Когда Fe-ядро сжимается, захват электронов начинает преобразовывать протоны + электроны в нейтроны, испуская нейтрино МэВ .

  4. Сердцевина Fe, которая теперь в основном состоит из нейтронов, стабилизируется для дальнейшего коллапса за счет давления вырождения нейтронов при ядерных плотностях.

  5. Материал дальше, который все еще разрушается, ударяется о невероятно твердую поверхность протонейтронной звезды, вызывая отскок (см. аналог видео) : запуск мощной ударной волны наружу через звезду.

  6. Поскольку нейтрино, образующиеся в результате электронного захвата, обладают такой энергией (как указывает Дмки) и поскольку их плотность настолько высока, нейтрино способны выделять значительное количество энергии во внешнее вещество, ускоряя его сверх скорости убегания . Это взрыв сверхновой .

  7. Из-за горячей, плотной, богатой нуклонами природы выброса в процессе r(быстрого) нуклеосинтеза образуются радиоактивные никель (Ni) и кобальт (Co) .

  8. Примерно через 10 дней расширяющийся выброс сверхновой становится оптически тонким , что позволяет выйти излучению, создаваемому распадом Ni и Co , что вызывает оптическое излучение, которое мы называем сверхновыми .

схема стадий сверхновых

с http://arxiv.org/abs/astro-ph/0612072

Почему взрывается сверхновая?

Считается, что не все массивные звезды производят сверхновые при взрыве. На следующем рисунке (который призван передать основную идею, но не обязательно количественные аспекты) области, названные «прямое образование черной дыры», представляют собой области начальной массы, в которых давление нейтронного вырождения (стадия «4» выше) составляет недостаточно, чтобы остановить коллапс. Железное ядро ​​достаточно массивно, чтобы продолжать коллапсировать до тех пор, пока не образуется черная дыра, и большая часть вещества, находящегося дальше, быстро аккрецируется.

Считается, что область на этом графике между 8 и 35 массами Солнца является источником подавляющего большинства наблюдаемых сверхновых.

Чтобы ответить, почему взрываются сверхновые: рассмотрим схематический процесс, описанный выше. Причина, по которой некоторые умирающие массивные звезды взрываются, а другие нет, заключается в том, что вам нужны правильные условия (масса, угловой момент, металличность и т. д.), чтобы создать протонейтронную звезду, способную противостоять полному коллапсу. . Отскок от поверхности протонейтронной звезды и нагрев нейтрино — вот что приводит к взрыву материала. Радиоактивность в конечном итоге является источником света, который мы видим от сверхновых.

график соотношения между начальной и конечной звездной массой

с http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v74/i4/p1015_1

Сноска

1: Это обсуждение ограничивается сверхновыми с «коллапсом ядра» — коллапсом массивных звезд, наблюдаемым как сверхновые типа Ib, Ic и типа II.

Дополнительные ссылки

В основном любая статья Стэна Вусли или с ним, например,
Вусли и Янка 2006 - Физика сверхновых с коллапсом ядра.

Конспект лекций Дмитрия Алексеевича Семенова - "Основы звездообразования и звездного нуклеосинтеза"

Здесь есть несколько проблематичных утверждений: Нейтрино от сверхновых имеют энергии намного меньше 1 ГэВ - они составляют часть энергии Ферми электрона, обычно 10-30 МэВ. Процесс синтеза заканчивается в Ni56. Fe56 образуется в результате захвата электронов в ядре или позднее в результате радиоактивного распада. Нейтронное ядро ​​поддерживается в основном сильным ядерным взаимодействием в асимметричном веществе. Давление нейтронного вырождения не способно поддерживать ядро ​​массой более 0,7 массы Солнца. При распаде Ni и Co образуются нейтрино и позитроны, а не фотоны.
Спасибо за ваши комментарии @RobJeffries, я обновил энергии нейтрино --- моя ошибка. Я старался не вдаваться в детали производства Ni56 и Fe56 в ядре. Можете ли вы предоставить некоторые ссылки на ваши последние два пункта?
По поводу того, что NDP поддерживает только объект 0,7 Мсолнца, см. Oppenheimer & Volkoff (1939) journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.55.374.
Я ем скромный пирог по второму пункту. Захват электрона на Ni и оттуда через кобальт в железо действительно приводит к образованию гамма-излучения: извините. article.adsabs.harvard.edu//full/1994ApJS...92..527N/…
Обратите внимание, что это гамма-лучи. Оптическое излучение возникает в результате термализации в расширяющейся внешней оболочке.
Прекращение синтеза не является причиной коллапса, поскольку давление возникает из-за вырождения электронов. Это либо нейтронизация, либо фоторасщепление ядер железа, которые удаляют поддержку давлением безудержным образом, когда ядро ​​приближается к массе Чандрасекара для железа.
@DilithiumMatrix Как может произойти «отскок», когда звезда коллапсирует в черную дыру? Не будет ли материал продолжать ускоряться в сингулярность?
@ O.Aroesti это потому, что сила отталкивания между двумя нейтронами быстро растет по мере уменьшения их разделения. Коллапс должен быть остановлен до образования черной дыры.

Вы правы в том, что когда реакции синтеза уменьшаются после определенного момента, потому что топливо израсходовано, внешнее давление, создаваемое синтезом, больше не противодействует гравитационным силам, и звезда коллапсирует (быстро) сама по себе. У звезд правильной массы (меньше примерно 15 масс Солнца, но достаточно больших, чтобы коллапсировать в нейтронную звезду) сжимающееся ядро ​​нагревается до безумных температур около 100 миллиардов кельвинов. Это подавляет давление вырождения нейтронов , которое препятствует дальнейшему коллапсу звезды, и высвобождается огромный выброс нейтрино. Около 10% массы/энергии звезды высвобождается примерно за 10 секунд, что является ошеломляющим количеством энергии.

Вот где это становится нечетким, согласно википедии :

Внезапно остановившийся коллапс ядра отскакивает и создает ударную волну, которая останавливается в течение миллисекунд во внешнем ядре, поскольку энергия теряется из-за диссоциации тяжелых элементов. Процесс, который не совсем понятен, необходим для того, чтобы внешние слои ядра могли повторно поглотить около 10 ^ 44 джоулей (1 враг) от нейтринного импульса, вызывая видимый взрыв, хотя есть и другие теории о том, как вызвать взрыв. .

Похоже, именно этот внезапный нейтринный импульс, который повторно поглощается внешним ядром, вызывает взрыв.

Стоит отметить, что нейтрино, образующиеся в сверхновой, в основном имеют энергию в несколько ГэВ, где их сечения взаимодействия примерно в 1000 раз выше, чем у типичных солнечных нейтрино — этого достаточно, чтобы небольшая, но значительная часть энергия откладывается во внешних слоях звезды.
@dmckee также я просто размышляю здесь, но я полагаю, что высокая плотность материи во внешнем ядре будет означать больше взаимодействий нейтрино, чем нейтрино, проходящих через землю?
Да, по сути тоже по плотности материи.
10% энергии массы покоя звезды будет 3 × 10 47 Дж, и примерно в 10 раз больше энергии, чем любая известная сверхновая, и в 10 раз больше энергии, высвобождаемой при коллапсе ядра. Нельзя верить всему, что скопировано из википедии.
@dmckee Я чувствую, что это дежавю, но нейтрино - это МэВ, а не ГэВ.
@RobJeffries Я не думаю, что вы поправляли меня раньше. И я не могу понять, о чем я думал, когда писал это. Поковырявшись сейчас, я вижу, что наблюдения нейтрино sn1987a в основном находятся в диапазоне нескольких десятков МэВ, так что вы правы, хотя это выше обычного солнечного диапазона (но только на один порядок, а не на три).
@dmckee Нейтрино имеют порядок энергии Ферми электронов.
О да. Это имеет смысл. Хороший.

Вот моя теория

Во-первых, предположения:

  1. Материя есть перемещение пространства*
  2. Материя движется к более высоким концентрациям пространства**

Эти 2 предположения могут объяснить, почему движущиеся объекты остаются в движении**, почему существует гравитация, почему максимальная скорость равна скорости света, +электромагнитные силы, +сильное/слабое взаимодействие и т. д.).

Как это относится к сверхновым:
на последних стадиях перед сверхновой коллапс материи больше не контролируется, и поэтому она начинает коллапсировать до такой степени, что между материей, составляющей звезду, больше нет пространства. Когда это происходит, у материи на поверхности практически нет места внутри и большая концентрация пространства снаружи. Исходя из наших предположений, из-за этого дисбаланса поверхностное вещество будет взрываться наружу со скоростью, близкой к скорости света. Пространство заполнится до следующего слоя, и этот процесс продолжится вниз к центру звезды, и БУМ ...СВЕРХНОВАЯ!!!


* Представьте себе шарик для пинг-понга (масса), помещенный внутрь поролонового матраса (пространство). Пространство сжимается больше всего вблизи поверхности массы и постепенно уменьшается по мере того, как вы выходите наружу.

**Допустим, материя движется со скоростью ++ c(ρf-ρb)/(ρf+ρb), где cскорость света (эквивалентная тому, как быстро пространство может реагировать на изменения), ρfсредняя плотность пространства перед массой (в направлении движения), а такжеρb- чистая плотность пространства за массой. Когда объект движется, пространство впереди реагирует со скоростью света, чтобы убраться с дороги и заполниться позади. Таким образом поддерживаются передняя и задняя плотности и поддерживаются постоянные скорости. Например, если пространство находится с одной стороны массы, а с другой нет, то масса будет двигаться со скоростью света. Поскольку масса движется со скоростью света, пространство позади нее не сможет догнать и коснуться задней части массы (что замедлит ее, исходя из наших предположений), а пространство впереди просто сможет не отставать, но не уходить с дороги, и поэтому дисбаланс останется, и масса будет продолжать двигаться со скоростью света (что объясняет, почему так трудно ускорять вещи по мере их приближения c).

+требуется положительное/отрицательное направленное понимание пространства, в которое я сейчас не буду вдаваться.

++ Это не совсем уравнение, но представляет собой приближение, зная, что объект, находящийся в состоянии покоя относительно пространства, будет иметь одинаковую плотность с обеих сторон, а объект с пространством только с одной стороны будет двигаться со скоростью света. Истинное уравнение будет основано на том, что поддерживает постоянную относительную плотность пространства при любой возможной скорости.

Вы говорите, что это теория, так какие же эксперименты ее подтверждают?
@TomášZato: Любая теория об основах Вселенной имеет всю историю экспериментов, которые нужно проверить. Сможет ли он правильно объяснить все, о чем он предполагает, — вот главный тест (хотя и в этом случае он может ошибаться в «почему», но все же давать правильные результаты). Если вы допускаете 2 предположения, это может объяснить следующее и многое другое: Почему движущиеся объекты остаются в движении? Почему существует гравитация? Почему взрываются сверхновые? Почему сильное взаимодействие преодолевает электромагнитное примерно в два раза больше радиуса протона (подсказка: вот где они начинают соприкасаться)?
Почему становится все труднее и труднее ускоряться по мере приближения к скорости света? Почему электроны и протоны не связаны друг с другом?
@ TomášZato Но зачем вам заменять существующую теорию? Это происходит, когда новая теория предсказывает что-то неожиданное для других теорий и оказывается правдой. Например, это произошло с экспериментом Майкельсона-Морли для классической физики и теории относительности. Многие считали, что это опровергает существование эфира. Однако классическая механика предполагала, что пространство стационарно, тогда как эта теория предполагает, что материя может двигаться, искажать и воздействовать на пространство, поэтому вполне возможно, что пространство движется вместе с ближайшей к нему материей.
Таким образом, можно провести модифицированный эксперимент Майкельсона-Морли, в котором при прочих равных условиях один из путей света проходит через стоячую воду, а другой — через поток движущейся воды. Эта теория предсказывает, что свет будет ускоряться или замедляться в зависимости от направления движения воды, тогда как теория относительности предсказывает, что свет будет постоянным.

Эта теория «отскока» нелогична. 1. Насколько сильным должен быть этот отскок, чтобы он мог избежать такой сильной гравитации и выбросить очень тяжелые внешние слои ядра? 2. Чтобы что-то отскочило, оно должно быть каким-то образом эластичным или касаться упругой поверхности. Что является эластичным в этом случае? 3. Еще одна вещь, которая меня беспокоит, это то, что происходит с отскоком, когда ядро ​​становится намного плотнее и сжимается до черной дыры? Где отскок в таком случае?

Итак, я думаю, что сверхновая — это не что иное, как колоссальный нейтринный взрыв с совершенно незначительным или, в лучшем случае, очень небольшим эффектом отскока.

Вы знаете, люди не просто сидели и говорили: «Эй, держу пари, он отскочит», не проделав много теоретической работы и симуляций. Вы отказались от идеи отказов, основываясь на каких доказательствах, симуляциях или альтернативах?
Почему взрывается сверхновая?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v