¿Cómo es que la producción de pares causa una supernova de inestabilidad de pares en lugar de conducir a la formación de un agujero negro?

El artículo de Wikipediasobre supernovas de inestabilidad de pares (PISN) no parece dar una muy buena explicación de lo que causa un PISN. Mi comprensión del proceso que describe es la siguiente: una vez que el núcleo se calienta lo suficiente, comienza a producir rayos gamma con suficiente energía para producir pares de electrones y positrones cuando interactúan con los núcleos atómicos, aunque estos pares eventualmente se aniquilarán, formando una especie de equilibrio. entre rayos gamma y pares E/P. Dado que la presión de radiación es lo que evita que el núcleo colapse, el hecho de que una parte de la energía de radiación esté ahora en forma de pares E/P significa que la presión de radiación disminuye, lo que hace que el núcleo se contraiga. Esta contracción significa que la fusión se acelerará y el núcleo se calentará, creando rayos gamma más energéticos, que se prestan a la producción de pares aún mejor. También significa que los núcleos estarán mucho más juntos, lo que significa que los rayos gamma interactuarán con ellos y formarán pares E/P mucho más rápido, aumentando la cantidad de energía en forma de pares E/P en comparación con la cantidad de energía en forma de rayos gamma. Esto significa una reducción general en la presión de radiación, lo que hace que el núcleo continúe colapsando. Este es un ciclo de retroalimentación positiva que inevitablemente conduce a una reacción de fusión desbocada.

Hay dos problemas con esta explicación. La primera es que parece que este ciclo de retroalimentación positiva debería comenzar en el momento en que comienza la fusión. La otra es que no parece que haya una manera de que la reacción de fusión desbocada supere el hecho de que la formación de pares está quitando energía que podría ayudar a prevenir el colapso del núcleo. Parece que el núcleo debería colapsar directamente en un agujero negro. ¿Dónde está la brecha en mi comprensión?

¿Por qué debería comenzar en el momento en que comienza la fusión? La fusión en cadena de pp funciona a temperaturas mucho más bajas que el proceso de inestabilidad de pares. Por ejemplo, la temperatura del núcleo solar es de ~15,7 MK, pero según su enlace, necesita >300 MK para una producción de pares significativa.
Entonces, ¿eso significa que no ocurrirá un PISN hasta que el núcleo de la estrella alcance los 300 MK?
Necesita la combinación correcta de temperatura, presión y baja metalicidad para obtener inestabilidad en la producción de pares. Hay estrellas de menor masa con núcleos aún más calientes, por ejemplo, la fusión de carbono funciona a ~500 MK. Por lo tanto, necesita fotones térmicos con suficiente energía para provocar la producción de pares (> 1.022 MeV) y una densidad suficientemente alta de los núcleos correctos para aumentar la tasa de producción de pares. (Lo siento, no sé por qué demasiados núcleos más pesados ​​impiden el PISN).
Creo que la metalicidad, que supongo que es lo que quisiste decir con "núcleos más pesados", evita un PISN al aumentar la velocidad a la que una estrella pierde masa, lo que significa que para cuando se habría producido un PISN, la estrella no es lo suficientemente masiva.

Respuestas (1)

El problema con su argumento es que asume incorrectamente que el aumento de la fusión nuclear aumenta la relación pares/fotones.

Ciertamente es cierto que el aumento de la temperatura aumenta las tasas de fusión nuclear y por lo tanto la producción de fotones. Más fotones significa una mayor posibilidad de producir pares electrón-positrón, pero ¿por qué crees que la relación pares/fotones debería aumentar también?

Dado que la inestabilidad del par pulsacional no siempre conduce a una reacción de fusión desbocada, esto significa que inyectar más fotones en el sistema en realidad disminuye la relación pares/fotones, deteniendo el colapso y activando el mecanismo de pulsación.

La única forma de averiguar que este es realmente el caso es resolver el sistema completo de ecuaciones para las tasas de los procesos involucrados.

Creo que los primeros en plantear la posibilidad de supernovas de producción de pares fueron Fowler & Hoyle (1964) en Neutrino Processes and Pair Formation in Massive Stars and Supernovae.

¿PPI significa inestabilidad del par pulsacional?
@zucculent Sí, perdón por no especificarlo
¿Significa esto que los núcleos de las estrellas susceptibles a los PISN tendrán períodos breves de producción de pares más intensos y, tarde o temprano, uno de estos "pulsos" desencadenará un bucle de retroalimentación desbocado y provocará un PISN?
@zucculent Depende de la masa del núcleo. En algunos casos, la estrella sufriría algunas pulsaciones, perdería mucha masa y luego se estabilizaría. En algunos otros casos, una pulsación es suficiente para desencadenar la supernova. De lo contrario, la estrella puede comenzar con pequeñas pulsaciones que crecen lentamente en amplitud hasta que el último pulso hace que la estrella explote. Eche un vistazo a Pulsational Pair-Instability Supernovae de Woosley, que explora todos estos escenarios con simulaciones hidrodinámicas.
¿Tiene alguna idea sobre el papel de la metalicidad? El artículo de Wikipedia es bastante vago en ese sentido. Simplemente establece que estas supernovas ocurren en estrellas de baja metalicidad, por ejemplo, formadas por estrellas pop III fusionadas.
@PM2Ring no sé, probablemente la razón es que para alcanzar temperaturas tan altas, necesita un núcleo muy masivo. Y solo las estrellas de baja metalicidad pueden lograrlo, debido a que son más masivas desde el principio (en la secuencia principal de edad cero) y pueden retener esa masa a lo largo de su vida, porque no pierden mucha masa en los vientos estelares.
¿Cómo es que la producción de pares causa una supernova de inestabilidad de pares en lugar de conducir a la formación de un agujero negro?
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