Tại sao sao nổ tung?

Tôi luôn nghe người kể chuyện phim tài liệu nói rằng một ngôi sao phát nổ vì hết nhiên liệu. Thông thường mọi thứ bùng nổ khi chúng có quá nhiều nhiên liệu, không phải khi chúng hết nhiên liệu. Vui lòng giải thích...

star explosion

— Xe tải Laurence mcLarry
nguồn

Một ngôi sao (đủ lớn) có rất nhiều vấn đề. Trọng lực cố gắng kéo tất cả vấn đề này lại với nhau ở trung tâm của khối lượng, vì vậy một cái gì đó cần phải đẩy lùi. Đối với một ngôi sao, quá trình nhiệt hạch trong lõi tạo ra ánh sáng là quá trình đẩy lùi. Tại một thời điểm, ngôi sao hết nhiên liệu và "đẩy ra" biến mất để mọi thứ sụp đổ vào trung tâm rất nhanh. Rồi nó nổ tung.

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Một điểm quan trọng là nó không phải là tất cả mọi thứ sụp đổ. Nếu sau đó, năng lượng hấp dẫn được giải phóng sẽ không đủ thậm chí để đảo ngược sự sụp đổ, hãy cùng gây ra vụ nổ. Chỉ có lõi sụp đổ. Phong bì vẫn hạnh phúc không biết về sự sụp đổ cho đến khi nó được thổi vào không gian.

— Rob Jeffries

"Câu trả lời như một bình luận" có được phép trên SE này không?

— dav1dsm1

@ dav1dsm1th Không, nó không được phép trên bất kỳ SE nào. Tuy nhiên, đó là một thực tế khá phổ biến; không phải ai cũng có thời gian để viết ra một câu trả lời đầy đủ, vì vậy họ ghi lại bất cứ điều gì họ có thể và hy vọng rằng ai đó có thể đưa ra câu trả lời đầy đủ.

— Setsu

@Setsu Tốt nghe. Hy vọng rằng những bình luận này sẽ được làm sạch tại một số điểm (bao gồm cả tiếng ồn của tôi).

— dav1dsm1

Câu trả lời:

Câu trả lời ngắn:

Một phần rất nhỏ của năng lượng hấp dẫn được giải phóng do sự sụp đổ rất nhanh của lõi sắt trơ được chuyển đến các lớp bên ngoài và điều này đủ để cung cấp năng lượng cho vụ nổ quan sát được.

Chi tiết hơn:

Hãy xem xét năng lượng của một ngôi sao mô hình lý tưởng hóa. Nó có "lõi" khối lượng và bán kính ban đầu và đường bao ngoài có khối lượng và bán kính . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Bây giờ giả sử lõi sụp đổ đến bán kính nhỏ hơn nhiều trong khoảng thời gian ngắn đến mức nó tách ra khỏi đường bao. Lượng năng lượng tiềm năng hấp dẫn phát hành sẽ là . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Một phần năng lượng được giải phóng này có thể được chuyển đến đường bao dưới dạng các cú sốc và bức xạ di chuyển ra ngoài. Nếu năng lượng truyền vượt quá năng lượng liên kết hấp dẫn của đường bao thì đường bao có thể được thổi vào không gian. $\sim Gm^2/r$

Trong một ngôi sao đang nổ (một loại lõi II sụp đổ siêu tân tinh) km, km và km. Khối lượng nòng cốt là và khối lượng phong bì là . Lõi dày đặc chủ yếu được làm bằng sắt và được hỗ trợ bởi áp suất thoái hóa điện tử . Ngôi sao được cho là đã "hết nhiên liệu" vì các phản ứng nhiệt hạch với hạt nhân sắt không giải phóng một lượng năng lượng đáng kể. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

Sự sụp đổ được kích hoạt do quá trình đốt cháy hạt nhân tiếp tục xung quanh lõi và do đó khối lượng lõi tăng dần và do đó nó dần dần co lại (một đặc thù của các cấu trúc được hỗ trợ bởi áp suất thoái hóa), mật độ tăng và sau đó là sự bất ổn được đưa vào bởi điện tử bắt các phản ứng hoặc quang phân của hạt nhân sắt. Dù bằng cách nào, các electron (mà là những gì đang cung cấp sự hỗ trợ cho lõi) được mopped lên bởi proton để neutron hình thức và cốt lõi sụp đổ trên một khoảng thời gian rơi tự do của s! $\sim 1$

Sự sụp đổ được ngăn chặn bởi lực hạt nhân mạnh và áp lực thoái hóa neutron. Lõi bị trả lại; một sóng xung kích đi ra ngoài; hầu hết năng lượng hấp dẫn được lưu trữ trong neutrino và một phần trong số này được chuyển sang sốc trước khi neutrino thoát ra, xua đuổi lớp vỏ bên ngoài. Một tài khoản mô tả tuyệt vời về điều này và đoạn trước có thể được đọc trong Woosley & Janka (2005) .

Đưa vào một số số.

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

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

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

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

Vì vậy, người ta chỉ cần chuyển 1% năng lượng tiềm năng đã giải phóng của lõi sụp đổ sang phong bì để điều khiển vụ nổ siêu tân tinh. Điều này thực sự chưa được hiểu chi tiết, mặc dù bằng cách nào đó siêu tân tinh tìm ra cách để làm điều đó.

Một điểm quan trọng là sự sụp đổ nhanh chóng chỉ diễn ra trong lõi của ngôi sao. Nếu toàn bộ ngôi sao sụp đổ như một, thì phần lớn năng lượng hấp dẫn sẽ thoát ra dưới dạng bức xạ và neutrino và sẽ không đủ năng lượng thậm chí để đảo ngược sự sụp đổ. Trong lõi mô hình sụp đổ, hầu hết (90% +) của năng lượng hấp dẫn phát hành được mất như neutrino, nhưng những gì còn lại là vẫn dễ dàng đủ để unbind uncollapsed phong bì . Lõi bị sụp đổ vẫn bị ràng buộc và trở thành một ngôi sao neutron hoặc lỗ đen.

Cách thứ hai để khiến một ngôi sao (sao lùn trắng) phát nổ là phản ứng nhiệt hạch. Nếu carbon và oxy có thể được đốt cháy trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân thì đủ năng lượng được giải phóng để vượt quá năng lượng liên kết hấp dẫn của sao lùn trắng. Đây là những siêu tân tinh loại Ia.

— Rob Jeffries
nguồn

Đáng chú ý là các mô hình siêu tân tinh sụp đổ nói chung đã thất bại trong việc liên tục sản xuất siêu tân tinh. Trong các mô phỏng, cú sốc thường bị đình trệ và ngay cả khi điều này không xảy ra, các mô phỏng thường gặp khó khăn khi khớp với độ sáng quan sát được. Phần giới thiệu của bài viết này giới thiệu một phần giới thiệu tốt về một số khó khăn trong lĩnh vực này: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

Câu hỏi của tôi sẽ là rộng rãi tại sao nó phát nổ thay vì chuyển đổi một cách vô tình khi điểm ổn định đi qua bất kỳ không gian tham số nào. Là điểm mấu chốt mà khi bạn có đủ nhiệt độ / mật độ để kết hợp các proton và electron lại với nhau, thì tất cả sẽ đột ngột loại bỏ những gì đang giữ mọi thứ, vì vậy nó rơi xuống, có thể tăng mật độ hơn nữa, loại bỏ nhiều hơn ... nhưng sau đó một lần nữa tại sao lại không ' t rằng một quá trình có thể "từ từ" tăng cường và duy trì sự ổn định? Chắc chắn ngôi sao không đi từ không bắt electron đến tất cả các electron bị bắt?

— Nick T

@ J.O'BrienAntognini Thật vậy, các người mẫu có thể đấu tranh để tìm ra cách chuyển 1% năng lượng cần thiết - như tôi đã nói ở trên. Nhưng các ngôi sao thực sự đã tìm ra nó và không ai tranh cãi nguồn năng lượng là gì.

— Rob Jeffries

@NickT nó thực sự là một sự bất ổn chạy trốn. Việc bắt electron xảy ra ở mật độ ngưỡng vì các electron thoái hóa có năng lượng cực đại phụ thuộc mật độ riêng biệt (chúng không có phân bố Maxwell). Sự biến mất của các electron làm giảm áp suất, do đó, ngôi sao sụp đổ, làm tăng mật độ và do đó năng lượng tối đa của các electron bị thoái hóa, cho phép ngày càng nhiều trong số chúng tham gia vào quá trình neutron hóa. Kết quả là sự sụp đổ hoàn toàn trong vòng một giây kể từ khi khởi phát.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Điều này là đúng, mặc dù cũng cần lưu ý rằng rất có thể đó là một phần đáng kể của các ngôi sao lớn đã thất bại siêu tân tinh! Vì vậy, trong khi một vài ngôi sao chắc chắn đã tìm ra nó, nó không nhất thiết là trường hợp mà tất cả họ đều có! Có một số hạn chế lỏng lẻo khiến tỷ lệ siêu tân tinh thất bại ở đâu đó trong khoảng từ 5 đến 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Để đưa ra một câu trả lời trong lượt đơn giản hơn. (Có rất đơn giản, nhưng cần giới thiệu khái niệm cơ bản).

Một ngôi sao "cháy" bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân giữa các nguyên tố nhẹ hơn như Hydrogen chuyển thành Helium. Sức nóng và năng lượng của sự đốt cháy đó liên tục đẩy vật chất bên trong ngôi sao đang giữ nó lên. Các hydro nung chảy tạo ra đủ năng lượng để ngăn chặn nó có thể sụp đổ vào trung tâm.

Khi ngôi sao bắt đầu cạn kiệt nhiên liệu, "lửa" sẽ lạnh hơn, và việc đẩy ra càng yếu đi.

Cuối cùng, lực đẩy không đủ để ngăn cách ngôi sao và tất cả quay trở lại với nhau. Sự sụp đổ đó giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ gây ra vụ nổ.

— Tim B
nguồn

"Khi ngôi sao bắt đầu cạn kiệt nhiên liệu," lửa "trở nên lạnh hơn, và việc đẩy ra ngày càng yếu đi." Nhiệt độ ở lõi của một ngôi sao tiếp tục tăng trong suốt vòng đời cho đến khi vụ nổ siêu tân tinh.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Tôi không tự nhận mình là một chuyên gia nhưng tôi hiểu rằng đó là do sự sụp đổ của lực hấp dẫn giải phóng năng lượng tiềm năng chứ không phải là nhiệt từ phản ứng tổng hợp đang diễn ra? "Lửa" ngày càng lạnh hơn nhưng các yếu tố khác đang chiếm lĩnh.

— Tim B

Chuyển đổi năng lượng hấp dẫn thành nhiệt là tối thiểu. Sự gia tăng nhiệt độ thực sự là do sự hợp nhất liên tục của các yếu tố nặng hơn và nặng hơn trong lõi. Ví dụ, đọc trang wiki này .

— zephyr

Đẹp và ngắn gọn, nhưng tôi sẽ thêm cụm từ "nảy" vào mô tả đó như Rob Jeffries đã làm. Nó thật sống động và sẽ kết thúc phần mô tả của bạn độc đáo hơn là "gây ra vụ nổ"

— Mike Wise

n

$n$

n + 1

$n+1$