Có những thay đổi có thể quan sát được trong một ngôi sao sắp trở thành siêu tân tinh, vài phút hoặc vài giờ trước khi vụ nổ xảy ra?

Tôi đang viết một cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng, trong đó một con tàu bị mắc kẹt trong một hệ sao duy nhất (một siêu sao đỏ). Một trong những điểm cốt truyện là ngôi sao trở thành siêu tân tinh trong vài giờ, vì vậy các nhân vật phải sửa chữa con tàu của họ trước khi điều đó xảy ra.

Tôi có kiến ​​thức cơ bản về cách thức hoạt động của nó: Sắt được tạo ra từ phản ứng tổng hợp hạt nhân được tích lũy trong lõi, cho đến khi nó đạt đến điểm khi phản ứng tổng hợp sắt bắt đầu. Vì phản ứng tổng hợp sắt là một phản ứng nhiệt, lõi không còn có thể tạo ra đủ năng lượng để chống lại trọng lực của chính nó và áp lực lớp bên ngoài, do đó nó sụp đổ và phát nổ.

Tôi đã đọc được rằng một khi phản ứng tổng hợp sắt bắt đầu bên trong lõi, sự sụp đổ xảy ra trong vài phút, rằng sự sụp đổ kéo dài vài giây (thậm chí chưa đến một giây) và sóng xung kích phải mất vài giờ để tiếp cận bề mặt. Là tất cả những gì chính xác?

Có điều là tôi cần các nhân vật để ong có thể dự đoán vụ nổ trong một thời gian ngắn. Một vài giờ hoặc thậm chí vài phút. Sẽ thật tuyệt nếu họ có thể nhận thức được sự sụp đổ cốt lõi và bắt đầu đếm ngược.

Vì vậy, có bất kỳ dấu hiệu bên ngoài của những sự kiện này, như thay đổi độ sáng hoặc màu sắc? Có phải phổ sao thay đổi khi phản ứng tổng hợp sắt bắt đầu, hoặc khi lõi sụp đổ? Tôi biết rằng sự sụp đổ lõi tạo ra một lượng neutrino khổng lồ. Là số lượng này dữ dội đến mức nó có thể dễ dàng phát hiện? (nghĩa là, không có máy dò lớn trong một cơ sở ngầm). Có thể ước tính lượng sắt trong lõi từ phổ và kích thước sao, vì vậy thời gian tận thế của sự sụp đổ có thể dự đoán được không?

Tôi nghĩ rằng đặt cược tốt nhất của bạn sẽ là phát hiện neutrino được tạo ra bởi sự đốt cháy hạt nhân bên trong ngôi sao (như chúng ta làm cho Mặt trời). Khi ngôi sao chạm vào giai đoạn đốt cháy carbon, nó thực sự tạo ra nhiều năng lượng hơn trong neutrino so với photon. Trong giai đoạn đốt cháy silicon, kéo dài trong vài ngày và là thứ tạo ra lõi sắt thoái hóa (sụp đổ một khi nó đủ lớn), thông lượng neutrino tăng lên khoảng 10 ⁴⁷ erg / sa vài giây trước khi sụp đổ lõi. (Thông lượng cực đại trong quá trình sập lõi là khoảng 10 ⁵² đến 10 ⁵³ erg / s). Bài viết này của Asakura et al. ước tính rằng máy dò hạt Kamland của Nhật Bản có thể phát hiện dòng neutrino trước siêu tân tinh cho các ngôi sao ở khoảng cách vài trăm Parsecvà đưa ra cảnh báo trước về siêu tân tinh sập lõi vài giờ hoặc thậm chí vài ngày trước. Vì các nhân vật của bạn ở cùng hệ thống với ngôi sao, nên họ hầu như không cần một máy dò ngầm lớn để thu nhận neutrino.

Biểu đồ này cho thấy một ví dụ về độ sáng neutrino (đối với neutrino chống electron) so với thời gian của một ngôi sao tiền siêu tân tinh (từ Asakura et al. 2016, dựa trên Odrzywolek & Heger 2010 và Nakazato et al. 2013); sự sụp đổ lõi bắt đầu lúc t = 0s.

Bằng cách đo phổ năng lượng cho các loại neutrino khác nhau và sự tiến hóa theo thời gian của chúng, bạn có thể có thể biết được mức độ rất xa của ngôi sao, đặc biệt là chúng ta có thể cho rằng các nhân vật của bạn có mô hình tiến hóa sao tốt hơn nhiều so với hiện tại làm (Họ cũng muốn có được các phép đo chính xác về khối lượng, tốc độ quay của ngôi sao, có thể là cấu trúc bên trong thông qua astroseism, v.v., để tinh chỉnh mô hình tiến hóa sao; đây là tất cả những điều họ có thể làm khá dễ dàng.)

Sự sụp đổ lõi sẽ được báo hiệu bởi sự gia tăng lớn trong dòng neutrino.

Bài báo "Điều gì sẽ xảy ra" của Randall Munroe ước tính rằng dòng neutrino từ siêu tân tinh sụp đổ lõi sẽ gây tử vong cho con người ở khoảng cách khoảng 2 AU. Như ông chỉ ra, thực sự có thể ở bên trong một ngôi sao siêu sáng, nên các nhân vật của bạn có thể sẽ ở xa hơn một chút. Nhưng nó cho thấy dòng neutrino sẽ dễ dàng phát hiện và các nhân vật của bạn có thể bị nhiễm độc phóng xạ từ nó nếu chúng ở gần hơn 10 AU. (Tất nhiên, bạn muốn phát hiện ra nó trực tiếp hơn là chỉ chờ đợi cho đến khi bạn bắt đầu cảm thấy bị bệnh, vì điều đó có thể mất nhiều thời gian hơn sóng xung kích để chạm tới bề mặt của ngôi sao.) Đây chỉ là để mang về nhà thực tế là họ sẽ không gặp vấn đề gì khi phát hiện neutrino ....

Các câu trả lời khác là chính xác; một xung neutrino chắc chắn được dự kiến ​​là kết quả của siêu tân tinh sụp đổ lõi và sẽ xảy ra vài giờ trước khi sóng xung kích xuất hiện trên bề mặt.

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

Một khả năng khác không được đề cập cho đến nay là sóng hấp dẫn. Giả sử rằng một máy dò sóng hấp dẫn tương đối di động đã có sẵn (!) Thì bạn cũng sẽ mong đợi một xung sóng hấp dẫn sắc nét trong khoảng thời gian sụp đổ lõi (một giây hoặc ít hơn) cũng sẽ báo trước sóng nổ siêu tân tinh vài giờ sau đó.

Như Dean đã nói , các tiền thân siêu tân tinh thường giải phóng neutrino trước khi sụp đổ hoàn toàn lõi, hình thành tàn dư và phóng ra các lớp bên ngoài của ngôi sao. Quá trình - tập trung ở đây vào neutrino - diễn ra như sau:

1. $\rho\sim10^9\text{ g/cm}^3$ $$e^-+p\to n+\nu_e$$ $$n\to p+e^-+\bar{\nu}_e$$
2. Chụp electron làm giảm áp suất thoái hóa điện tử trong lõi, dẫn đến sự sụp đổ lõi tăng tốc. Áp lực thoái hóa rất quan trọng trong lõi của nhiều ngôi sao, nhưng trong các ngôi sao cực kỳ lớn - bao gồm các siêu sao đỏ - đơn giản là nó không đủ để ngăn chặn sự sụp đổ.
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. Neutrino vẫn bị mắc kẹt trong / bởi tàn dư của sao được phát hành khoảng mười giây sau đó. Sản xuất cặp neutrino cũng vậy, dẫn đến làm mát nhanh chóng. Một số neutrino này có thể góp phần hồi sinh sóng xung kích.

Neutrino có thể đến hàng giờ - hoặc ngày có thể, trong một số trường hợp - trước ánh sáng từ siêu tân tinh. Trước đây là trường hợp của SN 1987A , siêu tân tinh đầu tiên mà neutrino được phát hiện.

Tài liệu tham khảo

• Balasi et al. (2015)
• Mirizzi và cộng sự. (2015)
• Scholberg (2012)

Một siêu tân tinh siêu lớn (hay còn gọi là hypernova) có thể thể hiện một đỉnh đôi với độ sáng của nó và một số người cho rằng đây có thể là tiêu chuẩn cho một siêu tân tinh siêu lớn, mặc dù theo như tôi biết thì nó chỉ thực sự được quan sát thấy trong một trường hợp cho đến nay (DES14X3taz).

Dù sao, trong (ít nhất) trường hợp này đã có sự gia tăng đáng kể ban đầu về độ sáng. Sau đó, độ sáng giảm xuống (một vài cường độ) trong vài ngày, sau đó tăng trở lại sáng hơn đáng kể so với "vết sưng" ban đầu.

Bạn có thể sẽ cần phải cẩn thận về khoảng cách liên quan. Sự bùng nổ ban đầu của ánh sáng đã đủ lớn đến mức trừ khi người của bạn ở cách đó khá xa, thì nó sẽ đủ để chiên chúng đến độ giòn.

Có một điểm khác có thể thú vị cho cuốn tiểu thuyết của bạn. Sau vụ nổ, thứ bạn có thể nhận được là một nam châm - mà theo như bạn đoán từ cái tên, là một ngôi sao có từ trường cực mạnh - thực tế, nó rất mạnh, có khả năng gây ra tất cả các loại tàn phá với bất cứ thứ gì trong vùng lân cận phụ thuộc vào bất cứ thứ gì liên quan đến hoạt động điện - không chỉ điện tử, mà còn có thể là dây thần kinh của mọi người.

Có một vấn đề rõ ràng ở đây: siêu sao đỏ là loại sao phù hợp với tư cách là tổ tiên của siêu tân tinh "bình thường". Nó có lẽ không phải là loại phù hợp như là tổ tiên cho một siêu tân tinh siêu lớn. Tổ tiên của siêu tân tinh thường là một cái gì đó giống như sáu hoặc tám khối lượng mặt trời. Một siêu tân tinh siêu lớn có lẽ (chỉ một số ít được biết đến, vì vậy thật khó để khái quát hóa) một cái gì đó giống như một vài trăm khối lượng mặt trời. Với lượng năng lượng được giải phóng, dù sao nó cũng phải khá lớn.

Tham khảo: Smith, et al (2015)