¿Las supernovas empujan a las estrellas vecinas hacia afuera?

Considere una estrella de masa$M$y radio$R$A una distancia$r$de la supernova. Para obtener una estimación al dorso del sobre, considere la cantidad de impulso que la supernova transferiría a la estrella. A partir de eso, podemos estimar el cambio de velocidad de la estrella y decidir si sería significativo o no.

Primero, para mayor diversión, aquí hay una revisión de cómo funciona una supernova típica de colapso del núcleo [1]:

La materia nuclear es altamente incompresible. Por lo tanto, una vez que la parte central del núcleo alcanza la densidad nuclear, existe una gran resistencia a una mayor compresión. Esa resistencia es la fuente principal de las ondas de choque que convierten un colapso estelar en una explosión espectacular. ... Cuando el centro del núcleo alcanza la densidad nuclear, se detiene con una sacudida. Esto da lugar a ondas de sonido que se propagan a través del núcleo, como las vibraciones en el mango de un martillo cuando golpea un yunque. .. La compresibilidad de la materia nuclear es baja pero no nula, por lo que el impulso lleva el colapso más allá del punto de equilibrio, comprimiendo el núcleo central a una densidad aún mayor que la de un núcleo atómico. ... La mayoría de las simulaciones por computadora sugieren que la densidad más alta alcanzada es un 50 por ciento mayor que la densidad de equilibrio de un núcleo. ...la esfera de materia nuclear rebota, como una pelota de goma comprimida.

Ese "rebote" es supuestamente lo que crea la explosión. Según [2],

El colapso del núcleo libera$\sim 3\times 10^{53}$erg ... de la energía de enlace gravitacional de la estrella de neutrones, el 99% de la cual se irradia en forma de neutrinos durante decenas de segundos. El mecanismo de supernova debe revivir el choque estancado y convertir$\sim 1$% de la energía disponible en la energía de la explosión, que debe ocurrir en menos de$\sim 0.5$-$1$s de rebote del núcleo para producir una típica explosión de supernova de colapso del núcleo...

Según [3], un "erg" es$10^{-7}$Julios. Para dar a la idea la mejor oportunidad posible de funcionar, suponga que todos los$E=10^{53}\text{ ergs }= 10^{46}\text{ Joules}$de energía entra en la energía cinética de la capa en expansión. El momento$p$se maximiza suponiendo que la capa en expansión no tiene masa (porque$p=\sqrt{(E/c)^2-(mc)^2}$), y ya que estamos, supongamos que la colisión del caparazón con la estrella es perfectamente elástica para maximizar el efecto sobre el movimiento de la estrella. Supongamos ahora que el radio de la estrella es$R=7\times 10^8$metros (como el sol) y tiene masa$M=2\times 10^{30}$kg (como el sol), y suponga que su distancia a la supernova es$r=3\times 10^{16}$metros (alrededor de 3 años luz). Si la energía total en la capa de supernova saliente es$E$, entonces la fracción interceptada por la estrella es el área del disco de la estrella ($\pi R^2$) dividido por el área de la capa esférica saliente ($4\pi r^2$). Entonces la energía interceptada$E'$es

$$E'=\frac{\pi R^2}{4\pi r^2}E\approx 10^{-16}E.$$ Usando$E=10^{46}$Joules da $$E'\approx 10^{30}\text{ Joules}.$$ Eso es mucha energía, pero ¿es suficiente? Usando$c\approx 3\times 10^8$m/s para la velocidad de la luz, el momento correspondiente es$p=E'/c\approx 3\times 10^{21}$kg$\cdot$EM. Asumiendo con optimismo una colisión elástica que invierte completamente la dirección de esa parte del impulso de la capa (ignorando con optimismo la conservación de la energía), el cambio en el impulso de la estrella será el doble. Como la estrella tiene una masa de$M=2\times 10^{30}$kg, su cambio de velocidad (usando una aproximación no relativista, que es lo suficientemente buena en este caso) es$2p/M\approx 3\times 10^{-9}$metros por segundo, que es aproximadamente$10$centímetros por año . Probablemente eso no sea suficiente para expulsar a la estrella de la galaxia. Lo siento.

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Referencias:

[1] Página 43 en Bethe y Brown (1985), "How a Supernova Explodes", Scientific American 252 : 40-48, http://www.cenbg.in2p3.fr/heberge/EcoleJoliotCurie/coursannee/transparents/SN% 20-%20Bethe%20e%20Brown.pdf

[2] Oto$et al$(2011), "Nuevos aspectos y condiciones de contorno de la teoría de la supernova del colapso del núcleo", http://arxiv.org/abs/1111.6282

[3] Tabla 9 en la página 128 en El Sistema Internacional de Unidades (SI), 8ª edición , Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM), http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf

Probablemente no. Las supernovas son poderosas, pero el espacio es realmente grande. ;)

Las energías de las supernovas a menudo se miden en enemigos ; un enemigo es$10^{44}$julios Según Wikipedia , una gran supernova puede liberar alrededor de 100 enemigos como energía cinética de la eyección, más de 1 a 5 enemigos por la luz y otra energía EM liberada. (La energía de los neutrinos liberados es más alta que la energía EM, pero eso solo es un problema si estás realmente cerca de la supernova).

A modo de comparación, la energía de enlace gravitacional (GBE) del Sol es de alrededor$3.8 \times 10^{41}$julios Entonces, si una estrella similar al Sol fuera golpeada por una milésima parte de la energía luminosa liberada por una supernova, se estropearía seriamente .

Pero como dije al principio, el espacio es realmente grande. Si distribuyes 1 enemigo de energía sobre la superficie de una esfera de 1 año luz de radio, un área en esa esfera igual a la sección transversal del Sol se movería$1.35 \times 10^{29}$julios, que es una cantidad sustancial de energía, pero es alrededor de una billonésima parte del GBE del Sol. Entonces, una supernova puede hacer cosas interesantes en la atmósfera de una estrella a 1 año luz de distancia y en las atmósferas de cualquier planeta en ese sistema, pero no perturbará la estrella ni causará una perturbación notable de su órbita galáctica.

Sin embargo, las explosiones de supernova son notoriamente asimétricas. La energía y la materia que liberan no se distribuyen uniformemente sobre una bonita superficie esférica. Entonces, existe la posibilidad de que el daño a 1 año luz sea mucho peor que lo que dije en el párrafo anterior. En particular, el remanente de supernova (la estrella de neutrones o el agujero negro producido por el colapso) puede ser expulsado a 500 km/so más rápido. Si te encuentras en el camino de uno de esos, es probable que ocurran cosas malas. Un ejemplo extremo es Pulsar B1508+55 , una estrella de neutrones que sale de la galaxia a 1100 km/s.

En realidad puede, a través de la gravedad. Este es un mecanismo que algunas personas usan para explicar por qué el perfil de densidad de la materia oscura no es "cúspide" en las galaxias enanas. La idea es bastante simple: una supernova explota, expulsa gas. El gas se acopla a través de la gravedad con la materia oscura, por lo que la materia oscura también se mueve. Esto cambia el potencial de la galaxia, lo que a su vez hace que las órbitas de las estrellas cambien cerca del centro.

Más formalmente, la energía potencial requerida para ensamblar el halo oscuro es

$$W_{\rm DM} = -4\pi G \int_0^{R_{\rm vir}}{\rm d}r ~ \rho(r)M(r) r \tag{1}$$

con$\rho$su densidad y$M$su perfil de masa acumulada.$R_{\rm vir}$es el radio virtual de la galaxia, que para un esferoide enano es de unos pocos kpc. La energía liberada por SNe es

$$E_{\rm SN} = \frac{M_\star}{\langle m_\star\rangle}\xi(m_\star > 8 M_{\odot}) E_{\rm SN} \tag{2}$$

dónde$M_{\rm star}$es la masa estelar total de la galaxia,$\langle m_\star\rangle$es la masa estelar promedio,$\xi$es la función de masa inicial de la que solo se considera la cola superior ya que la fracción que produce estrellas con$m_{\star} < 8 M_{\odot}$no resultará en SNe,$E_{\rm SN}$es la energía liberada en una explosión SNII.

Ahora, parte de esta energía liberada pasa por transformar las órbitas de las partículas de DM, digamos una pequeña fracción.$\eta$. La pregunta importante es entonces: imagina que comienzas con una galaxia con energía gravitacional.$W_{\rm DM}^{(1)}$, y quieren transformarla en una galaxia con energía gravitacional$W_{\rm DM}^{(2)}$, podemos hacerlo con la cantidad de energía$\eta E_{\rm SN}$?

$$2\eta E_{\rm SN} > W_{\rm DM}^{(2)} - W_{\rm DM}^{(1)} \tag{3}$$

Y la respuesta es un rotundo sí. Puedes ver un par de referencias aquí para más detalles.

1. Cuspy No More: cómo los flujos de salida afectan la materia oscura central y la distribución de bariones en las galaxias Lambda CDM
2. El acoplamiento entre el núcleo/la cúspide y los problemas del satélite faltante
3. Transformaciones de cúspide-núcleo en galaxias enanas: predicciones observacionales

Claramente depende de cuál sea el producto final.$W_{\rm DM}^{(2)}$parece, pero definitivamente es capaz de transformar una galaxia con un perfil de densidad de la forma$\rho \sim r^{-1}$a la galaxia con un perfil de densidad$\rho \sim 1$Para pequeños$r$en una escala de tiempo razonable.