ทำไมดาวระเบิด

ฉันมักจะได้ยินผู้บรรยายสารคดีพูดว่าดาวดวงหนึ่งระเบิดเพราะน้ำมันหมด โดยปกติสิ่งต่าง ๆ จะระเบิดเมื่อมีเชื้อเพลิงมากเกินไปไม่ใช่เมื่อเชื้อเพลิงหมด กรุณาอธิบาย...

star explosion

— รถบรรทุก Laurence mcLarry
แหล่งที่มา

ดาว (มีขนาดใหญ่พอ) มีสสารมากมาย แรงโน้มถ่วงพยายามดึงเรื่องทั้งหมดนี้มารวมกันที่จุดศูนย์กลางมวลดังนั้นบางสิ่งจำเป็นต้องผลักกลับ สำหรับดาวกระบวนการฟิวชั่นในแกนแสงคือการผลักกลับ มีอยู่ช่วงหนึ่งที่ดาวฤกษ์หมดเชื้อเพลิงและ "ผลักออก" ก็หายไปดังนั้นทุกอย่างก็พังทลายลงมาที่ศูนย์กลางอย่างรวดเร็วมาก จากนั้นมันจะระเบิด

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersenจุดสำคัญคือมันไม่ใช่ทุกอย่างที่ยุบ ถ้าเป็นเช่นนั้นพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่ปลดปล่อยออกมาจะไม่เพียงพอแม้แต่ในการย้อนกลับของการยุบตัว มีเพียงแกนกลางเท่านั้นที่ยุบ ซองจดหมายยังคงไม่รู้ตัวถึงการล่มสลายอย่างมีความสุขจนกว่ามันจะถูกพัดเข้าสู่อวกาศ

— Rob Jeffries

"คำตอบในฐานะความคิดเห็น" ได้รับอนุญาตใน SE นี้หรือไม่

— dav1dsm1th

@ dav1dsm1th ไม่ไม่อนุญาตใน SE ใด ๆ อย่างไรก็ตามมันเป็นเรื่องธรรมดา ทุกคนไม่มีเวลาที่จะเขียนคำตอบที่เต็มเปี่ยมดังนั้นพวกเขาจึงจดสิ่งที่พวกเขาทำได้และหวังว่าจะมีใครบางคนออกมาหาคำตอบแบบเต็ม ๆ

— Setsu

@Setsu ดีใจที่ได้ยิน หวังว่าความคิดเห็นเหล่านี้จะได้รับการทำความสะอาดในบางจุด (รวมถึงเสียงของฉัน)

— dav1dsm1th

คำตอบ:

คำตอบสั้น ๆ :

เศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่ปลดปล่อยออกมาจากแกนเหล็กเฉื่อยที่ยุบตัวลงอย่างรวดเร็วจะถูกถ่ายโอนไปยังชั้นนอกและนี่ก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการระเบิดที่สังเกตได้

รายละเอียดเพิ่มเติม:

พิจารณาพลังของดาวจำลองในอุดมคติ แต่ก็มี "แก่น" ของมวลและรัศมีเริ่มต้นและซองจดหมายด้านนอกของมวลและรัศมีR $M$ $R_0$ $m$ $r$

ทีนี้สมมติว่าแกนกลางยุบตัวลงสู่รัศมีที่เล็กกว่ามากในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่มันสลายตัวจากซองจดหมาย ปริมาณของพลังงานที่มีศักยภาพแรงโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจะเป็น R $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

พลังงานที่ปล่อยออกมานี้สามารถถูกถ่ายโอนไปยังซองจดหมายในรูปแบบของแรงกระแทกที่กำลังเคลื่อนที่และการแผ่รังสี หากพลังงานที่ถ่ายโอนมีค่าเกินกว่าพลังงานที่มีผลต่อแรงโน้มถ่วงของซองจดหมายดังนั้นซองจดหมายจะถูกส่งไปยังอวกาศ $\sim Gm^2/r$

ในดาวระเบิด (ซุปเปอร์โนวายุบแกนกลางแบบที่สอง)กม.,กม. และกม. มวลหลักคือและมวลซองจดหมายเป็นODOT} แกนกลางที่หนาแน่นนั้นส่วนใหญ่ทำจากเหล็กและได้รับการสนับสนุนจากความดันอิเล็กตรอนที่ลดลง ดาวฤกษ์ดังกล่าวมี "เชื้อเพลิงหมด" เนื่องจากปฏิกิริยาฟิวชั่นกับนิวเคลียสของเหล็กไม่ปล่อยพลังงานจำนวนมาก $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

การล่มสลายเกิดขึ้นเนื่องจากการเผาไหม้ของนิวเคลียร์ยังคงดำเนินต่อไปรอบ ๆ แกนกลางดังนั้นมวลแกนจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ และเมื่อมันลดลงเรื่อย ๆ(ความผิดปกติของโครงสร้างที่รองรับโดยความดันเสื่อม) ความหนาแน่นเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยาการจับหรือการรวมตัวกันของโฟโตนิวเคลียสของเหล็ก ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดอิเล็กตรอน (ซึ่งเป็นสิ่งที่ให้การสนับสนุนแก่แกนกลาง) ถูกถูโดยโปรตอนเพื่อสร้างนิวตรอนและแกนกลางจะยุบตัวลงในช่วงฤดูใบไม้ร่วงที่ว่างของ s! $\sim 1$

การล่มสลายถูกหยุดลงโดยกำลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งและความดันเสื่อมของนิวตรอน แกนตีกลับ; คลื่นกระแทกเคลื่อนที่ออกไปด้านนอก พลังงานความโน้มถ่วงส่วนใหญ่ถูกเก็บไว้ในนิวตริโนและส่วนหนึ่งของสิ่งนี้จะถูกถ่ายโอนไปยังช็อตก่อนที่นิวตริโนจะหลบหนี บัญชีที่ดีเยี่ยมพรรณนานี้และวรรคก่อนสามารถอ่านได้ในWoosley & Janka (2005)

การใส่ตัวเลข

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

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

ดังนั้นเพียงแค่ต้องการถ่ายโอนคำสั่ง 1% ของแกนพลังงานที่ยุบตัวของแกนปล่อยไปยังซองจดหมายเพื่อขับระเบิดซูเปอร์โนวา อันที่จริงยังไม่เข้าใจในรายละเอียด แต่อย่างใดซุปเปอร์โนวาหาวิธีที่จะทำ

ประเด็นสำคัญคือการล่มสลายอย่างรวดเร็วเกิดขึ้นเฉพาะในแกนกลางของดาว หากดาวทั้งดวงยุบตัวเป็นหนึ่งพลังงานพลังงานศักย์โน้มถ่วงส่วนใหญ่จะหนีออกมาในรูปของรังสีและนิวตริโนและจะมีพลังงานไม่เพียงพอแม้จะย้อนกลับการยุบตัว ในหลักของรูปแบบการล่มสลายส่วนใหญ่ (90% +) ของแรงโน้มถ่วงพลังงานที่ปล่อยออกมาจะหายไปเป็นนิวตริโน แต่สิ่งที่ยังคงอยู่ยังคงเป็นได้อย่างง่ายดายเพียงพอที่จะแยกยกเลิกการยุบซองจดหมาย แกนกลางที่ยุบตัวนั้นยังคงมีพันธะและกลายเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ

วิธีที่สองที่จะทำให้ดาว (ดาวแคระขาว) ระเบิดเป็นปฏิกิริยาทางความร้อน หากคาร์บอนและออกซิเจนสามารถติดไฟในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นพลังงานก็จะถูกปล่อยออกมามากเกินกว่าแรงยึดเหนี่ยวโน้มถ่วงของดาวแคระขาว นี่คือซุปเปอร์โนวาประเภท Ia

— Rob Jeffries
แหล่งที่มา

เป็นที่น่าสังเกตว่าโมเดลของการยุบตัวของแกนกลางซูเปอร์โนวามักล้มเหลวในการสร้างซุปเปอร์โนวาอย่างต่อเนื่อง ในการจำลองสถานการณ์ที่น่าตกใจมักแผงลอยและแม้ว่าจะไม่เกิดขึ้นการจำลองมักจะมีปัญหาในการจับคู่ความส่องสว่างที่สังเกตได้ การแนะนำเกี่ยวกับบทความนี้นำเสนอการแนะนำที่ดีเกี่ยวกับความยากลำบากในภาคสนาม: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

คำถามของฉันจะเป็นวงกว้างทำไมมันถึงระเบิดมากกว่าการเปลี่ยนผ่านอย่างไร้เหตุผลในขณะที่จุดของความมั่นคงเดินผ่านพื้นที่พารามิเตอร์ใด ๆ เป็นจุดสำคัญที่เมื่อคุณมีอุณหภูมิ / ความหนาแน่นเพียงพอในการติดขัดโปรตอนและอิเล็กตรอนเข้าด้วยกันการที่ทุกอย่างในทันทีลบสิ่งที่ถืออยู่ออกไปดังนั้นมันจะตกลงมาสามารถเพิ่มความหนาแน่นได้มากขึ้นลบออกมากขึ้น ... เสื้อว่ากระบวนการที่สามารถ "ช้า" ทางลาดขึ้นและรักษาเสถียรภาพหรือไม่? แน่นอนดาวไม่ได้ไปจากการจับอิเล็กตรอนไปยังการจับอิเล็กตรอนทั้งหมดหรือไม่

— Nick T

@ J.O'BrienAntognini อันที่จริงแบบจำลองสามารถดิ้นรนหาวิธีถ่ายโอนพลังงานที่จำเป็น 1% - ดังที่ฉันได้กล่าวถึงข้างต้น แต่ดาวที่แท้จริงได้คิดออกมาแล้วและไม่มีใครโต้แย้งว่าแหล่งพลังงานคืออะไร

— Rob Jeffries

@NickT มันแน่นอนความไม่แน่นอนหนี การจับอิเล็กตรอนเกิดขึ้นที่ระดับความหนาแน่นเนื่องจากอิเล็กตรอนที่เสื่อมนั้นมีพลังงานสูงสุดที่ชัดเจนและขึ้นอยู่กับความหนาแน่น (พวกมันไม่มีการกระจายแมกซ์เวลเลี่ยน) การหายตัวไปของอิเล็กตรอนจะช่วยลดความดันดังนั้นดาวจึงยุบตัวเพิ่มความหนาแน่นและด้วยเหตุนี้พลังงานสูงสุดของอิเล็กตรอนที่เสื่อมสภาพจึงช่วยให้พวกเขามีส่วนร่วมในการสร้างนิวตรอนมากขึ้นเรื่อย ๆ ผลลัพธ์คือการยุบทั้งหมดภายในหนึ่งวินาทีของการโจมตี

— Rob Jeffries

@RobJeffries นี่เป็นความจริงแม้ว่ามันควรจะสังเกตว่ามันอาจเป็นไปได้ว่าเป็นส่วนใหญ่ของดาวมวลสูงที่ล้มเหลวในซุปเปอร์โนวา! ดังนั้นในขณะที่ดาวบางดวงได้คิดออกมาอย่างแน่นอนมันไม่จำเป็นต้องเป็นอย่างนั้น มีข้อ จำกัด บางอย่างที่ทำให้ส่วนของซูเปอร์โนวาที่ล้มเหลวอยู่ระหว่าง 5 ถึง 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

เพื่อให้คำตอบในรอบที่ง่ายขึ้น (ใช่ง่ายมาก แต่ควรแนะนำแนวคิดพื้นฐาน)

ดาว "เบิร์น" โดยการหลอมนิวเคลียร์ระหว่างองค์ประกอบที่มีน้ำหนักเบาเช่นไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นฮีเลียม ความร้อนและพลังงานของการเผาไหม้นั้นจะผลักดันสสารที่อยู่ภายในดาวฤกษ์นั้นอย่างต่อเนื่อง ไฮโดรเจนที่ถูกหลอมรวมนั้นจะสร้างพลังงานมากพอที่จะหยุดไม่ให้ยุบลงสู่จุดศูนย์กลาง

ในขณะที่ดาวฤกษ์เริ่มหมดเชื้อเพลิงที่ "ไฟ" เย็นลง

ในที่สุดแรงผลักดันก็ไม่เพียงพอที่จะแยกดาวออกจากกันและมันก็กลับมารวมกันอีกครั้ง การล่มสลายนั้นปลดปล่อยพลังงานจำนวนมากซึ่งเป็นสาเหตุของการระเบิด

— ทิม
แหล่งที่มา

"ในขณะที่ดาวฤกษ์เริ่มหมดเชื้อเพลิง" ไฟ "ก็เย็นลงและการผลักออกก็อ่อนแอลง อุณหภูมิที่แกนกลางของดาวฤกษ์ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดชีวิตจนกระทั่งถึงการระเบิดของซุปเปอร์โนวา

— Rob Jeffries

@ RobJeffries ฉันไม่ได้อ้างว่าเป็นผู้เชี่ยวชาญ แต่ความเข้าใจของฉันคือว่าเนื่องจากการยุบตัวของแรงโน้มถ่วงปลดปล่อยพลังงานที่มีศักยภาพมากกว่าความร้อนจากการหลอมรวมที่ต่อเนื่องหรือไม่ "ไฟ" เพิ่มมากขึ้น แต่ปัจจัยอื่น ๆ ก็เข้าครอบงำ

— ทิม B

การแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นความร้อนนั้นน้อยที่สุด การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมินั้นเกิดจากการหลอมรวมขององค์ประกอบที่หนักและหนักกว่าอย่างต่อเนื่องในแกนกลาง ยกตัวอย่างเช่นอ่านหน้านี้วิกิพีเดีย

— zephyr

ดีและสั้น แต่ฉันจะเพิ่มคำว่า "ตีกลับ" ในคำอธิบายที่ Rob Robries ทำ มันแจ่มใสและจะปิดคำอธิบายของคุณได้ดีกว่า "ทำให้เกิดการระเบิด"

— Mike Wise

n

$n$

n + 1

$n+1$