Por que as estrelas explodem?

Eu sempre ouço o narrador de documentários dizer que uma estrela explodiu porque ficou sem combustível. Geralmente as coisas explodem quando têm muito combustível, não quando ficam sem combustível. Por favor explique...

star explosion

— Lorry Laurence mcLarry
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Uma estrela (grande o suficiente) tem muita matéria. A gravidade tenta reunir toda essa questão no centro de massa, de modo que algo precisa ser empurrado para trás. Para uma estrela, o processo de fusão no núcleo que produz a luz é aquele que recua. A certa altura, a estrela fica sem combustível e o "empurrão" desaparece, então tudo desmorona rapidamente no centro. Então explode.

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Um ponto importante é que nem tudo está desmoronando. Se fosse então, a energia potencial gravitacional liberada seria insuficiente, mesmo para reverter o colapso, deixando causar uma explosão. Somente o núcleo entra em colapso. O envelope permanece alegremente inconsciente do colapso até ser lançado no espaço.

— Rob Jeffries

São permitidas "respostas como comentário" nesta SE?

— precisa saber é o seguinte

@ dav1dsm1th Não, não é permitido em nenhum SE. No entanto, é uma prática bastante comum; nem todos têm tempo para escrever uma resposta completa; portanto, anotam tudo o que podem e esperam que alguém possa aparecer para dar uma resposta completa.

— Setsu

@Setsu É bom ouvir. Espero que esses comentários sejam limpos em algum momento (incluindo meu barulho).

— precisa saber é o seguinte

Respostas:

Resposta curta:

Uma pequena fração da energia potencial gravitacional liberada pelo colapso muito rápido do núcleo de ferro inerte é transferida para as camadas externas e isso é suficiente para alimentar a explosão observada.

Em mais detalhes:

Considere a energia de uma estrela modelo idealizada. Possui um "núcleo" de massa e raio inicial e um envelope externo de massa e raio . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Agora, suponha que o núcleo colapse com um raio muito menor em uma escala de tempo tão curta que se dissocie do envelope. A quantidade de energia potencial gravitacional liberada será . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Uma fração dessa energia liberada pode ser transferida para o envelope na forma de choques e radiação externos. Se a energia transferida exceder a energia de ligação gravitacional do envelope , o envelope poderá ser soprado no espaço. $\sim Gm^2/r$

Em uma estrela em explosão (uma supernova de colapso do núcleo tipo II) km, km km. A massa do núcleo é e a massa do envelope é . O núcleo denso é feito principalmente de ferro e suportado por pressão de degeneração de elétrons . Diz-se que a estrela "ficou sem combustível" porque as reações de fusão com os núcleos de ferro não liberam quantidades significativas de energia. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

O colapso é desencadeado porque a queima nuclear continua ao redor do núcleo e, assim, a massa do núcleo aumenta gradualmente, diminuindo gradualmente (uma peculiaridade das estruturas suportadas pela pressão de degeneração), a densidade aumenta e, em seguida, é introduzida uma instabilidade por elétrons. capturar reações ou fotodisintegração de núcleos de ferro. De qualquer maneira, os elétrons (que são o suporte do núcleo) são absorvidos por prótons para formar nêutrons e o núcleo entra em colapso em uma escala de queda livre de ! $\sim 1$

O colapso é interrompido pela forte força nuclear e pressão de degeneração de nêutrons. O núcleo salta; uma onda de choque viaja para fora; a maior parte da energia gravitacional é armazenada em neutrinos e uma fração disso é transferida para o choque antes que os neutrinos escapem, afastando o envelope externo. Um excelente relato descritivo disso e do parágrafo anterior pode ser lido em Woosley & Janka (2005) .

Colocando alguns números.

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

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

Portanto, é necessário transferir apenas 1% da energia potencial liberada do núcleo em colapso para o envelope, a fim de conduzir a explosão da supernova. Na verdade, isso ainda não é entendido em detalhes, embora de alguma maneira as supernovas encontrem uma maneira de fazê-lo.

Um ponto importante é que o colapso rápido ocorre apenas no núcleo da estrela. Se a estrela inteira colapsasse como uma só, então a maior parte da energia potencial gravitacional escaparia como radiação e neutrinos e haveria energia insuficiente mesmo para reverter o colapso. No modelo de colapso do núcleo , a maior parte (90%) da energia gravitacional liberada é perdida como neutrinos, mas o que resta ainda é facilmente suficiente para desatar o envelope não recolhido . O núcleo colapsado permanece ligado e se torna uma estrela de nêutrons ou um buraco negro.

Uma segunda maneira de fazer explodir uma estrela (uma anã branca) é uma reação termonuclear. Se o carbono e o oxigênio puderem ser inflamados nas reações de fusão nuclear, energia suficiente será liberada para exceder a energia de ligação gravitacional da anã branca. Estas são supernovas do tipo Ia.

— Rob Jeffries
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Vale a pena notar que os modelos de supernovas com colapso do núcleo geralmente falham na produção consistente de supernovas. Nas simulações, o choque geralmente pára e, mesmo quando isso não ocorre, as simulações geralmente têm dificuldade em corresponder às luminosidades observadas. A introdução para este trabalho apresenta uma boa introdução a algumas das dificuldades no campo: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

Minha pergunta seria amplamente por que ela explode em vez de fazer a transição sem intercorrências, à medida que o ponto de estabilidade vagueia por qualquer espaço de parâmetro. É o ponto chave que, quando você tem temperatura / densidade suficiente para obstruir prótons e elétrons, de repente remove o que está segurando tudo, então ele cai, pode aumentar ainda mais a densidade, remove mais ... mas, novamente, por que não está? t que um processo que pode "lentamente" ramp up e manter alguma estabilidade? Certamente a estrela não passa de nenhuma captura de elétrons para todas as capturas de elétrons?

— Nick T

@ J.O'BrienAntognini De fato, os modelos podem se esforçar para descobrir como transferir o 1% de energia necessária - como aludi acima. Mas estrelas reais descobriram isso e ninguém contesta qual é a fonte de energia.

— Rob Jeffries

@ NickT é realmente uma instabilidade descontrolada. A captura de elétrons ocorre em uma densidade limiar, porque os elétrons degenerados possuem uma energia máxima distinta e dependente da densidade (eles não têm uma distribuição Maxwelliana). Esse desaparecimento de elétrons reduz a pressão, de modo que a estrela entra em colapso, aumentando a densidade e, portanto, a energia máxima dos elétrons degenerados, permitindo que cada vez mais deles participem da neutronização. O resultado é um colapso total dentro de um segundo do início.

— Rob Jeffries

@ RobJeffries Isso é verdade, embora também deva-se notar que poderia muito bem ser que uma fração substancial de estrelas massivas que falharam nas supernovas! Assim, embora algumas estrelas certamente tenham descoberto, não é necessariamente o caso de todas! Existem algumas restrições soltas que colocou a fração de supernova falhou em algum lugar entre 5 e 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Para dar uma resposta em turnos mais simples. (Sim, muito simplificado, mas deve introduzir o conceito básico).

Uma estrela "queima" por fusão nuclear entre elementos mais leves, como o hidrogênio voltado para o hélio. O calor e a energia dessa queima constantemente empurram a matéria dentro da estrela que a sustenta. O hidrogênio em fusão gera energia suficiente para impedi-lo de entrar em colapso no centro.

À medida que a estrela começa a ficar sem combustível, o "fogo" fica mais frio e o empurrão fica mais fraco.

Eventualmente, o empurrão não é suficiente para manter a estrela separada e tudo volta a correr juntos. Esse colapso libera uma enorme quantidade de energia que causa a explosão.

— Tim B
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"Quando a estrela começa a ficar sem combustível, o" fogo "fica mais frio e o empurrão fica mais fraco." A temperatura no centro de uma estrela continua a aumentar ao longo de sua vida até a explosão da supernova.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Eu não pretendo ser um especialista, mas meu entendimento é que isso se deve ao colapso gravitacional que libera energia potencial em vez de calor da fusão em andamento? O "fogo" ficou mais frio, mas outros fatores estão assumindo o controle.

— Tim B

A conversão da energia potencial gravitacional em calor é mínima, na melhor das hipóteses. O aumento da temperatura é realmente devido à fusão contínua de elementos cada vez mais pesados no núcleo. Por exemplo, leia esta página wiki .

— Zephyr

Bom e curto, mas eu acrescentaria o termo "rejeição" a essa descrição, como Rob Jeffries fez. É viva e iria terminar a sua descrição mais bem do que "faz com que a explosão"

— Mike Wise

@ TimB Rob está certo sobre a questão da temperatura. A maneira mais fácil de ver isso deve ser o fato de observar que estrelas massivas passam por uma série de estágios de queima, cada um exigindo temperaturas mais altas que a anterior. Quando uma estrela esgota o combustível para o estágio , ela entra em colapso e aquece até ficar quente o suficiente para que o estágio comece a funcionar. Vale a pena ler sobre o teorema de Virial nesse contexto, porque o que está acontecendo é energia potencial. convertido em energia térmica.

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$n$

n + 1

$n+1$

— dmckee