¿Por qué explota una supernova?

Esto realmente me está molestando. Cuando buscas algún texto educativo sobre la vida de las estrellas, esto es lo que encuentras:

  1. La gravedad crea la temperatura y la presión para iniciar las reacciones de fusión.
  2. La fusión procede a núcleos cada vez más pesados ​​que terminan en hierro, que permanece en el centro de la estrella.
  3. En un momento, todos los núcleos de luz se agotan y la gravedad vence al poder de las reacciones de fusión, ahora ausentes.
  4. El núcleo de la estrella colapsa en un objeto de alta densidad, que puede variar según la masa de la estrella.
  5. Y las capas superiores de la estrella explotan .

Y simplemente no puedo encontrar una explicación clara de por qué. Según lo que imagino, las capas superiores de la estrella deberían caer en el núcleo colapsado.

¿Es eso debido a la regla de 3rd Newtons?

¿O las estrellas tienen alguna necesidad de terminar con un boom genial?

Las capas externas caen en el núcleo colapsado antes de explotar. Realmente no me interesa este tipo de tema, pero como conozco a algunas personas que están investigando las explosiones de SN, puedo pedirles una referencia, si lo desean. Por lo que pude entender, no es trivial por qué las capas externas terminan explotando, y parece involucrar muchos mecanismos diferentes que trabajan juntos. Entonces, creo que tienes todo el derecho de estar intrigado por eso.
Creo que la explicación proviene de la creación de una onda de choque originada por el colapso de las capas exteriores en el núcleo masivo.
¿Alguien ha logrado hacer un modelo que explote de manera confiable cuando se espera una explosión? Recuerdo que era un problema importante cuando era estudiante hace una década.

Respuestas (4)

Hay muchas formas posibles en que las estrellas pueden terminar con su vida, incluso en el subconjunto de casos en los que el final es violento. Eloff ha dado una excelente respuesta, pero quería agregar algunos puntos.

Resumen (tl; dr):

Necesita las condiciones adecuadas (masa, momento angular, metalicidad, etc.) para producir una estrella de protoneutrones que sea capaz de resistir el colapso completo en un agujero negro. El rebote al golpear la superficie de la estrella de protoneutrones y el calentamiento de los neutrinos es lo que impulsa la explosión del material. La radiactividad es finalmente la fuente de la luz que vemos de las supernovas.

La imagen básica para producir una supernova a partir de una estrella masiva 1 :

  1. La estrella quema elementos progresivamente más pesados ​​en escalas de tiempo más cortas hasta producir hierro (Fe) en la escala de tiempo de segundos.

  2. Después del hierro, cesa la fusión en el núcleo y se pierde la presión de soporte. La gravedad no se ve obstaculizada y la estrella comienza a colapsar dinámicamente .

  3. A medida que el núcleo de Fe se contrae, la captura de electrones comienza a convertir protones + electrones en neutrones, emitiendo neutrinos MeV .

  4. El núcleo de Fe, ahora compuesto en gran parte por neutrones, se estabiliza para colapsar aún más por la presión de degeneración de neutrones a densidades nucleares.

  5. El material más alejado, que aún se está derrumbando, golpea la superficie increíblemente dura de la estrella de protoneutrones, provocando un rebote (ver video analógico) : el lanzamiento de una poderosa onda de choque hacia el exterior a través de la estrella.

  6. Debido a que los neutrinos producidos por la captura de electrones son tan energéticos (como señala dmckee), y debido a que las densidades son tan altas, los neutrinos pueden depositar cantidades significativas de energía en el material exterior, acelerándolo más allá de las velocidades de escape . Esta es la explosión de la supernova .

  7. Debido a la naturaleza caliente, densa y rica en nucleones del material eyectado, la nucleosíntesis de proceso rápido produce níquel (Ni) y cobalto (Co) radiactivos .

  8. Después de aproximadamente 10 días, la eyección de supernova en expansión se vuelve ópticamente delgada , lo que permite que escape la radiación producida por el Ni y el Co , lo que provoca la emisión óptica que llamamos supernova .

tabla de etapas de supernova

de http://arxiv.org/abs/astro-ph/0612072

¿Por qué explota una supernova?

No se cree que todas las estrellas masivas produzcan supernovas cuando explotan. En la siguiente figura (que pretende transmitir la idea básica, pero no necesariamente los aspectos cuantitativos), las regiones denominadas "formación directa de agujeros negros" son regiones de masa inicial donde la presión de degeneración de neutrones (etapa '4' anterior) es insuficiente para detener el colapso. El núcleo de Fe es lo suficientemente masivo como para continuar colapsando hasta que se forma un agujero negro, y la mayor parte del material que se encuentra más allá se acumula rápidamente.

La región de este gráfico entre aproximadamente 8 y 35 masas solares es de donde se cree que proviene la gran mayoría de las supernovas observadas.

Para responder por qué explotan las supernovas: considere el proceso esquemático descrito anteriormente. La razón por la que algunas estrellas muertas de estrellas masivas explotan y otras no, es que se necesitan las condiciones adecuadas (masa, momento angular, metalicidad, etc.) para producir una estrella de protoneutrones que sea capaz de resistir el colapso total. . El rebote al golpear la superficie de la estrella de protoneutrones y el calentamiento de los neutrinos es lo que impulsa la explosión del material. La radiactividad es finalmente la fuente de la luz que vemos de las supernovas.

diagrama de relación entre la masa estelar inicial y final

de http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v74/i4/p1015_1

Nota

1: Esta discusión se limita a las supernovas de 'colapso del núcleo' : el colapso de estrellas masivas, observadas como supernovas de tipo Ib, Ic y tipo II

Referencias adicionales

Básicamente, cualquier artículo de o con Stan Woosley, por ejemplo,
Woosley & Janka 2006 - The Physics of Core-Collapse Supernovae

Apuntes de la conferencia de Dmitry A. Semenov - "Fundamentos de la formación estelar y la nucleosíntesis estelar"

Aquí hay algunas declaraciones problemáticas: los neutrinos de las supernovas tienen energías mucho menores que 1 GeV; son una fracción de la energía de Fermi del electrón, más típicamente 10-30 MeV. El proceso de fusión termina en Ni56. El Fe56 se produce por captura de electrones en el núcleo o más tarde por desintegración radiactiva. El núcleo de neutrones está sostenido principalmente por la fuerza nuclear fuerte en la materia asimétrica. La presión de degeneración de neutrones es incapaz de soportar un núcleo de más de 0,7 masas solares. La desintegración de Ni y Co produce neutrinos y positrones, no fotones.
Gracias por tus comentarios @RobJeffries, actualicé las energías de los neutrinos --- mi error. Traté de evitar los detalles de la producción de Ni56 frente a Fe56 en el núcleo. ¿Puede proporcionar algunas referencias para sus dos últimos puntos?
Para el punto sobre NDP que solo admite un objeto de 0.7 Msun, consulte Oppenheimer & Volkoff (1939) journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.55.374
Como humilde pastel en el segundo punto. La captura de electrones en Ni y de allí a través de Cobalt en Iron da como resultado la producción de rayos gamma: disculpas. artículos.adsabs.harvard.edu//full/1994ApJS...92..527N/…
Sin embargo, tenga en cuenta que estos son rayos gamma. La emisión óptica proviene de la termalización en la envoltura exterior en expansión.
El cese de la fusión no es lo que causa el colapso, ya que la presión se debe a la degeneración de los electrones. Es la neutronización o la fotodesintegración de los núcleos de hierro lo que elimina la presión de soporte de manera desbocada a medida que el núcleo se acerca a la masa de hierro de Chandrasekhar.
@DilithiumMatrix Sin embargo, ¿cómo puede ocurrir un "rebote" cuando la estrella colapsa en un agujero negro? ¿No continuaría el material acelerándose hacia la singularidad?
@ O.Aroesti es porque la fuerza de repulsión entre 2 neutrones crece rápidamente a medida que disminuye su separación. El colapso tiene que ser detenido antes de que se forme un agujero negro.

Tiene razón en que cuando las reacciones de fusión disminuyen más allá de cierto punto porque el combustible se agota, la presión hacia el exterior creada por la fusión ya no contrarresta las fuerzas gravitatorias y la estrella colapsa (rápidamente) sobre sí misma. En estrellas de la masa correcta (más pequeñas que unas 15 masas solares, pero lo suficientemente grandes como para colapsar en una estrella de neutrones), el núcleo compactado se está calentando a temperaturas insanas de alrededor de 100 mil millones de kelvin. Esto supera la presión de degeneración de neutrones que impide que la estrella se colapse aún más y se libera una gran explosión de neutrinos. Alrededor del 10% de la masa/energía de la estrella se libera en unos 10 segundos, lo que es una cantidad de energía alucinante.

Aquí es donde se vuelve confuso, según wikipedia :

El colapso del núcleo detenido repentinamente rebota y produce una onda de choque que se detiene en milisegundos en el núcleo exterior a medida que se pierde energía a través de la disociación de elementos pesados. Es necesario un proceso que no se entiende claramente para permitir que las capas externas del núcleo reabsorban alrededor de 10 ^ 44 julios (1 enemigo) del pulso de neutrinos, produciendo la explosión visible, aunque también hay otras teorías sobre cómo impulsar la explosión. .

Así que parece que es este repentino pulso de neutrino que es reabsorbido por el núcleo externo lo que desencadena la explosión.

Vale la pena señalar que los neutrinos producidos en una supernova se encuentran principalmente a energías de unos pocos GeV donde sus secciones transversales de interacción son aproximadamente un factor de 1000 más altas que las de los neutrinos solares típicos; eso es suficiente para que una fracción pequeña pero significativa de la la energía se deposita en las capas exteriores de la estrella.
@dmckee también estoy especulando aquí, pero me imagino que la alta densidad de la materia en el núcleo externo significaría más interacciones de neutrinos que con los neutrinos que pasan a través de la tierra.
Sí, también se basa esencialmente en la densidad de la materia.
El 10% de la energía de la masa en reposo de la estrella sería 3 × 10 47 J, y unas 10 veces más energética que cualquier supernova conocida y 10 veces la energía liberada por el colapso del núcleo. No puedes creer todo lo copiado de wikipedia.
@dmckee Siento que esto es deja vu, pero los neutrinos son MeV, no GeV.
@RobJeffries No creo que me hayas corregido en esto antes. Y no puedo entender lo que estaba pensando cuando escribí eso. Al hurgar ahora, veo que las observaciones de neutrinos sn1987a están en su mayoría en el rango de unos pocos 10 MeV, por lo que tiene razón, aunque eso es más alto que el rango solar habitual (pero solo por un orden de magnitud, no tres).
@dmckee Los neutrinos son del orden de la energía de Fermi de los electrones.
Ah, sí. Eso tiene sentido. Agradable.

Aquí está mi teoría

Primero, los supuestos:

  1. La materia es desplazamiento del espacio*
  2. La materia se mueve hacia mayores concentraciones de espacio**

Estas 2 suposiciones pueden explicar por qué los objetos en movimiento permanecen en movimiento**, por qué existe la gravedad, por qué la velocidad máxima es la velocidad de la luz, +fuerzas electromagnéticas, +fuerza fuerte/débil, etc.).

Cómo se aplica esto a las supernovas:
en las últimas etapas antes de la supernova, el colapso de la materia ya no está bajo control, por lo que comienza a colapsar hasta el punto en que ya no hay espacio entre la materia que compone la estrella. Cuando eso sucede, la materia en la superficie tiene poco o ningún espacio en el interior y una gran concentración de espacio en el exterior. Según nuestras suposiciones, la materia de la superficie explotará hacia el exterior casi a la velocidad de la luz debido a este desequilibrio. El espacio se llenará hasta la siguiente capa, y este proceso continuará hacia abajo, hacia el centro de la estrella, y BOOM ... ¡¡¡SUPERNOVA!!!


*Imagínese una pelota de ping-pong (masa) colocada dentro de un colchón de espuma (espacio). El espacio se comprime más cerca de la superficie de la masa y progresivamente menos a medida que se sale

**Digamos que la materia se mueve a una velocidad de ++ c(ρf-ρb)/(ρf+ρb), donde ces la velocidad de la luz (equivalente a la rapidez con la que el espacio puede responder a los cambios), ρfes la densidad promedio del espacio frente a la masa (en la dirección del viaje), yρbes la densidad neta del espacio detrás de la masa. A medida que el objeto se mueve, el espacio al frente responde a la velocidad de la luz para salir del camino y llenarlo detrás. De esta forma, se mantienen las densidades delantera y trasera y se mantienen constantes las velocidades. Por ejemplo, si el espacio está en un lado de una masa pero ninguno en el otro, entonces la masa viajaría a la velocidad de la luz. Debido a que la masa viaja a la velocidad de la luz, el espacio detrás de ella no podrá ponerse al día para tocar la parte trasera de la masa (lo que reduciría la velocidad según nuestras suposiciones), y el espacio al frente solo podrá mantener el ritmo pero no salirse del camino, por lo que el desequilibrio permanecerá y la masa continuará a la velocidad de la luz (lo que explica por qué es tan difícil acelerar las cosas a medida que se acercan c).

+requiere una comprensión direccional positiva/negativa del espacio en la que no entraré ahora.

++ Esta no es una ecuación segura, pero representa una aproximación sabiendo que un objeto en reposo en relación con el espacio tendría densidades iguales en ambos lados y un objeto con espacio en un solo lado viajaría a la velocidad de la luz. La verdadera ecuación se basaría en lo que mantendría constantes las densidades relativas del espacio para cualquier velocidad posible.

Dices que es una teoría, entonces, ¿qué experimentos la respaldan?
@TomášZato: Cualquier teoría sobre los fundamentos del universo tiene toda la historia de experimentos para probar. Si puede explicar correctamente todo lo que supone es la prueba principal (aunque incluso en ese caso podría ser incorrecto sobre el "por qué" pero aún así arrojar resultados correctos). Si supone las 2 suposiciones, puede explicar lo siguiente y más: ¿Por qué los objetos en movimiento permanecen en movimiento? ¿Por qué hay gravedad? ¿Por qué explotan las supernovas? ¿Por qué la fuerza fuerte supera a la electromagnética en aproximadamente el doble del radio de un protón (pista: ahí es donde comienzan a tocarse)?
¿Por qué se vuelve cada vez más difícil acelerar a medida que te acercas a la velocidad de la luz? ¿Por qué los electrones y los protones no se unen?
@TomášZato Pero, ¿por qué reemplazarías una teoría existente? Esto sucede cuando la nueva teoría predice algo inesperado por otras teorías y se descubre que es cierto. Por ejemplo, esto sucedió con el experimento de Michelson-Morley para la física clásica y la relatividad. Muchos pensaron que eso desaprobaba la existencia del éter. Sin embargo, la mecánica clásica asumía que el espacio es estacionario, mientras que esta teoría asume que la materia puede moverse, distorsionarse y afectar el espacio, por lo que es muy posible que el espacio se mueva con la materia más cercana a él.
Por lo tanto, se podría realizar un experimento de Michelson-Morley modificado en el que, en igualdad de condiciones, uno de los caminos de la luz pasa por agua estancada y el otro pasa por una corriente de agua en movimiento. Esta teoría predeciría que la luz se aceleraría o disminuiría en función de la dirección en que se mueve el agua, mientras que la relatividad predeciría que la luz sería constante.

Esta teoría del "rebote" no es lógica. 1. ¿Qué tan fuerte debe ser ese rebote para que pueda escapar de una gravedad tan fuerte y expulsar capas externas muy pesadas del núcleo? 2. Para que algo rebote, debe ser elástico de alguna manera o golpear una superficie elástica. ¿Qué es elástico en este caso? 3. Otra cosa que me preocupa es lo que sucede con el rebote cuando el núcleo es mucho más denso y se encoge hasta convertirse en un agujero negro. ¿Dónde está el rebote en ese caso?

Entonces, creo que la supernova no es más que una colosal explosión de neutrinos con un efecto de rebote totalmente insignificante o, en el mejor de los casos, muy pequeño.

Ya sabes, la gente no se sentaba y decía "hey, apuesto a que rebota" sin hacer mucho trabajo teórico y simulaciones. ¿Has descartado la idea del rebote en base a qué evidencia, simulación o alternativa?
¿Por qué explota una supernova?
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