¿Por qué el hierro es responsable de causar una supernova?

Su pregunta está un poco simplificada porque hay muchos tipos de supernovas según el tamaño y la configuración de la estrella. Pero puedo responder a su pregunta sobre "por qué el hierro" considerando lo que evita que una estrella explote en primer lugar.

En los términos más simples de formación de estrellas, cuando el material de una nebulosa interestelar comienza a colapsar por su propia gravedad, la presión y las temperaturas involucradas serán lo suficientemente grandes como para eventualmente comenzar a fusionar hidrógeno en helio (es un poco más complicado que eso, pero yo) m hablando en generalidades). Si considerara los átomos de helio creados por ese proceso, notará que cada átomo de helio pesa un poco menos que los dos átomos de hidrógeno que lo formaron. Ese poco de masa extra se emite como energía que se produce en grandes cantidades a medida que el hidrógeno continúa fusionándose en helio.

Durante la "secuencia principal" de la estrella, la liberación de energía por la fusión de hidrógeno y helio ayuda a contrarrestar el peso de los gases de la estrella que empujan hacia adentro. El material presiona; la energía sale en perfecto equilibrio. Este equilibrio de gravedad y producción de energía continúa hasta que la estrella consume la mayor parte de su hidrógeno.

Es en este punto (cuando no queda hidrógeno en el núcleo de la estrella para fusionarse en helio) que la reacción de fusión se detiene y la gravedad se reanudará para colapsar aún más la estrella. A medida que esta estrella colapsa, rápidamente se volverá más densa y caliente hasta que la temperatura y las presiones del interior sean lo suficientemente altas como para comenzar a fusionar el helio en elementos más pesados... y el proceso continúa.

Es decir, hasta que la estrella comience a fusionar elementos en hierro...

La fusión en hierro es el primer elemento que no crea más energía de la que se necesita para producir. El efecto es que no se produce energía neta para contrarrestar la gravedad que empuja hacia adentro. Entonces, las capas externas se colapsarán rápidamente en una bola mucho más densa y pequeña, lo que provocará que el material estelar restante se fusione al mismo tiempo, lo que provocará la supernova.

Entonces, en ese sentido, el hierro no es la causa de la supernova, pero su presencia marca el final inevitable del ciclo de vida de esta estrella... en este escenario particular.

Pero comprenda que esto es una simplificación excesiva para ilustrar el proceso sobre el que preguntó. Hay muchas otras secuencias del ciclo de vida de una estrella. Nuestro sol, por ejemplo, no tiene suficiente masa para seguir colapsando con presiones suficientes para fusionar elementos más pesados ​​en hierro. Sin entrar en otras vías para la producción de elementos pesados ​​(incluso en estrellas más pequeñas como nuestro sol), una vez que nuestro sol comienza a crear carbono y oxígeno, el combustible comienza a agotarse y el núcleo simplemente colapsará y rebotará a medida que se hincha hasta convertirse en un gigante roja, antes de perder sus capas externas como una nebulosa planetaria mientras que el núcleo se encoge para convertirse en una enana blanca (y eventualmente se enfría en una enana negra).

La energía de enlace por nucleón se encuentra entre las más altas para el hierro-56. Por lo tanto , tanto la fusión nuclear como la fisión / fotodesintegración del hierro-56 consumen energía.

La producción de calor es necesaria para evitar que una estrella se colapse a un estado mucho más denso. El hierro-56 no proporciona forma de producir calor mediante reacciones nucleares. Por lo tanto , el colapso del núcleo es inevitable.

Si la estrella no es lo suficientemente grande, la fusión nuclear puede detenerse antes de que el núcleo de la estrella se fusione con el hierro, ya que se necesitan temperaturas muy altas (más de 2 mil millones de Kelvin) y presión para fusionar el silicio con el hierro . De esta manera el núcleo puede colapsar antes.

El colapso libera energía responsable de gran parte de la luminosidad de la supernova. Alguna fusión adicional (exotérmica) en las capas exteriores de la estrella en explosión puede ser provocada por el colapso durante la explosión.

A diferencia de la mayoría de las supernovas, las supernovas de tipo Ia explotan por fusión nuclear fuera de control , no principalmente por colapso del núcleo.

Una hipernova puede formarse debido a la falta de combustible nuclear, el núcleo de la estrella colapsando primero en una estrella de neutrones, seguido de un colapso en un agujero negro, o por inestabilidad del par que no deja un remanente denso.

La causa de la inestabilidad del par de supernovas no es la falta de combustible nuclear, sino el calor del núcleo. Debido a la ley de Planck, la energía de los fotones radiados aumenta con la temperatura. Tan pronto como alcanzan la energía necesaria para formar pares electrón-positrón , al menos 1,02 MeV , la energía térmica se transforma en masa . De esta forma se pierde la presión necesaria para mantener estable el núcleo.

Las supernovas e hipernovas de inestabilidad de pares se indican por las altas cantidades de níquel-56 liberado, que se descompondrá en hierro-56.

La razón más importante por la que ocurre el colapso del núcleo es que las partículas que se mueven cerca de la velocidad de la luz son notoriamente inestables gravitacionalmente. Esto se debe a que cuando las partículas que se mueven más despacio que eso son comprimidas por la gravedad sin escape de energía, la energía gravitacional liberada por la gravedad hace que las partículas se muevan más rápido, y esto aumenta la presión más que el aumento de la gravedad (debido a que se hace más pequeño), lo que permite que la objeto para recuperarse cuando se comprime. Pero si las partículas ya se están moviendo cerca de c, entonces no se aceleran lo suficiente, y aunque la presión aumenta, también lo hace la gravedad, y la estrella no tiene tendencia a recuperarse de la contracción. Agregue escape de energía, y la presión es incapaz de aumentar tanto como lo hace la gravedad. Esto conduce a un fugitivo, donde un pequeño escape de energía conduce a una gran cantidad de contracción del núcleo. Esto provoca el "colapso".

La cura para esto es evitar la pérdida neta de calor. Eso se puede hacer de dos maneras: ya sea liberando calor de la fusión (autorregulado para que ocurra a cualquier velocidad de escape del calor), o las partículas responsables de la presión pueden estar lo suficientemente cerca de su estado fundamental mecánico cuántico que son prohibido ceder más calor (incluso en ausencia de cualquier fusión).

Entonces, el colapso del núcleo es una especie de carrera entre si los electrones (que proporcionan la presión a medida que se acercan a su estado fundamental de la mecánica cuántica porque eso aumenta su calor específico y se vuelven glotones de energía cinética y, por lo tanto, de presión) pueden alcanzar su estado fundamental y ser rechazados. de ceder más calor, o si alcanzan una velocidad cercana a la de la luz y sufren la inestabilidad mencionada anteriormente, ya que sufren una pérdida neta de calor. El ganador de esta carrera está determinado por la cantidad de masa en el núcleo: si la masa es alta, la velocidad de la luz se alcanza antes del estado fundamental de la mecánica cuántica, y si la masa es baja, ocurre lo contrario. No hay nada en el hierro que conduzca a esto, excepto que el hierro no puede ser una fuente de energía nuclear, por lo que no brinda el otro tipo de protección contra el colapso del núcleo.

Cuando una estrella ha agotado su suministro de elementos debajo del hierro, el proceso de fusión ya no puede evitar que las capas externas se colapsen hacia el núcleo. Si la estrella es lo suficientemente masiva, expulsará las capas externas de forma explosiva como una supernova. Entonces, el hierro no es la causa, solo el punto en el proceso de fusión en el que esto ocurre.