Почему звезды взрываются?

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

(Достаточно большая) звезда имеет много материи. Гравитация пытается стянуть всю эту материю вместе в центре масс, поэтому что-то должно отталкиваться. Для звезды процесс синтеза в ядре, производящем свет, является процессом отталкивания. В какой-то момент у звезды заканчивается топливо, и «выталкивание» исчезает, поэтому все очень быстро схлопывается в центр. Затем он взрывается.
@ ThorbjørnRavnAndersen Ключевым моментом является то, что не все рушится. Если бы это было так, то высвободившейся гравитационной потенциальной энергии было бы недостаточно даже для того, чтобы обратить коллапс вспять, не говоря уже о том, чтобы вызвать взрыв. Разрушается только ядро. Конверт остается в блаженном неведении о коллапсе, пока его не унесет в космос.
Разрешены ли «ответы в виде комментариев» в этой SE?
@ dav1dsm1th Нет, это запрещено ни в одной SE. Однако это довольно распространенная практика; не у всех есть время, чтобы написать полноценный ответ, поэтому они записывают все, что могут, и надеются, что кто-то сможет прийти и конкретизировать его в полный ответ.
@Setsu Рад слышать. Надеюсь, эти комментарии когда-нибудь будут убраны (включая мой шум).
В случае с одной взорвавшейся (смертной) звездой, которую я могу вспомнить, это произошло из-за того, что Люк использовал Силу.
Преувеличивая, инструктор пожарной части сказал нам, пожарным-новичкам, что он скорее пробьет стенку полной бочки с бензином, чем пустой или полупустой. Это из-за газа , вызывающего взрывы, а не из-за жидкого бензина, который просто мирно горит. Небольшое замечание по поводу взрывов из-за слишком большого количества топлива.
Большинство вещей на Земле взрываются из-за слишком большого количества топлива, но большинство вещей на Земле почти полностью не состоят ни из их топлива, ни из их побочных продуктов. Просто кое-что, что нужно иметь в виду.

Ответы (2)

Короткий ответ:

Крошечная часть гравитационной потенциальной энергии, высвобождаемой при очень быстром коллапсе инертного железного ядра, передается внешним слоям, и этого достаточно, чтобы привести в действие наблюдаемый взрыв.

Подробнее:

Рассмотрим энергетику идеализированной модельной звезды. У него есть «ядро» массы М и начальный радиус р 0 и внешняя оболочка массы м и радиус р .

Теперь предположим, что ядро ​​сжимается до гораздо меньшего радиуса. р ≪ р 0 в такой короткий промежуток времени, что он отделяется от оболочки. Количество выделившейся гравитационной потенциальной энергии будет ∼ г М 2 / р .

Часть этой высвобождаемой энергии может быть передана оболочке в виде движущихся наружу ударных волн и излучения. Если переданная энергия превышает гравитационную энергию связи оболочки ∼ г м 2 / р тогда конверт можно взорвать в космос.

Во взрывающейся звезде (сверхновые с коллапсом ядра II типа) р 0 ∼ 10 4 км, р ∼ 10 км и р ∼ 10 8 км. Основная масса М ∼ 1,2 М ⊙ а масса конверта м ∼ 10 М ⊙ . Плотное ядро ​​в основном состоит из железа и поддерживается давлением вырождения электронов . Говорят, что у звезды «закончилось топливо», потому что реакции синтеза с ядрами железа не выделяют значительного количества энергии.

Коллапс вызван тем, что вокруг ядра продолжается ядерное горение, поэтому масса ядра постепенно увеличивается и при этом постепенно сжимается (особенность структур, поддерживаемых давлением вырождения), плотность увеличивается, а затем вводится неустойчивость либо электронами, реакции захвата или фоторасщепления ядер железа. В любом случае электроны (которые обеспечивают поддержку ядра) поглощаются протонами, образуя нейтроны, и ядро ​​коллапсирует в течение времени свободного падения ∼ 1 с!

Коллапс останавливается сильным ядерным взаимодействием и давлением вырождения нейтронов. Ядро подпрыгивает; ударная волна распространяется наружу; большая часть гравитационной энергии хранится в нейтрино, и часть ее передается ударной волне до того, как нейтрино улетают, отгоняя внешнюю оболочку. Отличное описательное описание этого и предыдущего абзаца можно прочитать у Woosley & Janka (2005) .

Ввод некоторых цифр.

г М 2 / р знак равно 4 × 10 46   Дж
г м 2 / р знак равно 3 × 10 44   Дж

Таким образом, нужно передать только порядка 1% потенциальной энергии, высвобождаемой коллапсирующим ядром, в оболочку, чтобы вызвать взрыв сверхновой. На самом деле это еще не изучено в деталях, 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 коллапсировала как единое целое, то большая часть гравитационной потенциальной энергии улетучилась бы в виде излучения и нейтрино, и энергии было бы недостаточно даже для того, чтобы остановить коллапс. В модели коллапса ядра большая часть (90%+) высвобождаемой гравитационной энергии теряется в виде нейтрино, но того, что остается, вполне достаточно, чтобы развязать несколлапсировавшую оболочку . Коллапсирующее ядро ​​остается связанным и становится либо нейтронной звездой, либо черной дырой.

Второй способ вызвать взрыв звезды (белого карлика) — термоядерная реакция. Если углерод и кислород могут воспламеняться в реакциях ядерного синтеза, то высвобождается достаточно энергии, чтобы превысить гравитационную энергию связи белого карлика. Это сверхновые типа Ia.

Стоит отметить, что модели сверхновых с коллапсом ядра, как правило, не всегда давали сверхновые. В симуляциях ударная волна обычно останавливается, и даже когда этого не происходит, симуляциям обычно трудно сопоставить наблюдаемые светимости. Введение к этой статье представляет собой хорошее введение в некоторые трудности в этой области: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P
В целом мой вопрос будет заключаться в том, почему он взрывается, а не переходит без происшествий, когда точка стабильности блуждает по любому пространству параметров. Ключевым моментом является то, что когда у вас есть достаточно температуры/плотности, чтобы соединить протоны и электроны, это внезапно удаляет то, что держит все, поэтому оно падает, может еще больше увеличить плотность, удалить больше ... но опять же, почему это не так? Это процесс, который может «медленно» нарастать и сохранять некоторую стабильность ? Разве звезда не переходит от полного отсутствия захвата электронов к полному захвату электронов?
@ JO'BrienAntognini Действительно, модели могут изо всех сил пытаться понять, как передать 1% необходимой энергии, как я упоминал выше. Но настоящие звезды разобрались, и никто не спорит, что является источником энергии.
@NickT это действительно безудержная нестабильность. Захват электронов происходит при пороговой плотности , потому что вырожденные электроны имеют четкую максимальную энергию, зависящую от плотности (у них нет максвелловского распределения). Это исчезновение электронов снижает давление, поэтому звезда коллапсирует, увеличивая плотность и, следовательно, максимальную энергию вырожденных электронов, позволяя все большему их количеству участвовать в нейтронизации. Результатом является полный коллапс в течение секунды после начала.
Да, я полагаю, что мой комментарий в основном подразумевает, что динамитная шашка «стабильна» и/или «переходы без происшествий» при любых условиях, потому что ее взрыв можно рассматривать как медленное изменение по мере активации каждого бита, что активирует больше, а затем больше. ...
@RobJeffries Это правда, хотя следует также отметить, что вполне может быть, что значительная часть массивных звезд не стала сверхновой! Таким образом, хотя некоторые звезды, безусловно, поняли это, это не обязательно так, что они все это сделали! Есть некоторые нечеткие ограничения, которые определяют долю неудавшихся сверхновых где-то между 5 и 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A .

Дать ответ в более простых оборотах. (Да, очень упрощенно, но это должно ввести основную концепцию).

Звезда «сгорает» в результате ядерного синтеза более легких элементов, таких как водород, превращающийся в гелий. Тепло и энергия этого горения постоянно давит на материю внутри звезды, удерживая ее. Плавящийся водород генерирует достаточно энергии, чтобы помешать ему схлопнуться в центр.

По мере того, как у звезды заканчивается топливо, этот «огонь» остывает, а выталкивание становится слабее.

В конце концов толчка становится недостаточно, чтобы разъединить звезду, и все возвращается вместе. Этот коллапс высвобождает огромное количество энергии, которая вызывает взрыв.

«По мере того, как у звезды начинает заканчиваться топливо, этот «огонь» становится холоднее, а выталкивание становится слабее». Температура в ядре звезды продолжает расти на протяжении всей ее жизни, вплоть до взрыва сверхновой.
@RobJeffries Я не претендую на звание эксперта, но я понимаю, что это происходит из-за гравитационного коллапса, высвобождающего потенциальную энергию, а не тепло от продолжающегося синтеза? «Огонь» стал холоднее, но другие факторы берут верх.
Преобразование гравитационной потенциальной энергии в тепло в лучшем случае минимально. Повышение температуры на самом деле происходит из-за продолжающегося синтеза все более и более тяжелых элементов в ядре. Например, прочитайте эту вики-страницу .
Красиво и коротко, но я бы добавил к этому описанию термин «отскок», как это сделал Роб Джеффрис. Оно яркое и лучше завершит ваше описание, чем "вызывает взрыв".
@TimB Роб прав насчет температуры. Самый простой способ увидеть, что так оно и должно быть, — это заметить, что массивные звезды проходят ряд стадий горения, каждая из которых требует более высоких температур, чем предыдущая. Как звезда исчерпывает топливо для сцены н , он разрушается и нагревается, пока не станет достаточно горячим для сцены н + 1 горит, чтобы сработать. В этом контексте стоит прочитать о теореме Вириала, потому что там происходит преобразование потенциальной энергии в тепловую энергию.
Гравитационный коллапс @TimB происходит, когда давление, создаваемое энергией, высвобождаемой в процессе синтеза, больше не может компенсировать гравитационное притяжение, пытающееся сжать звезду. Затем это приведет к коллапсу звезды, значительно повысив ее температуру до такой степени, что более тяжелые элементы начнут сливаться. В зависимости от состава звезды это может привести к «взрыву», при котором звезда выбрасывает оставшиеся газовые слои. То, что осталось, опять же зависит от состава, размера и температуры звезды.
Почему звезды взрываются?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v