¿Por qué explotan las estrellas?

Siempre escucho al narrador de documentales decir que una estrella explotó porque se quedó sin combustible. Por lo general, las cosas explotan cuando tienen demasiado combustible, no cuando se quedan sin combustible. Por favor explique...

star explosion

— Camión Laurence mcLarry
fuente

Una estrella (lo suficientemente grande) tiene mucha materia. La gravedad intenta unir todo este asunto en el centro de masa, por lo que algo necesita retroceder. Para una estrella, el proceso de fusión en el núcleo que produce luz es el que está retrocediendo. En un momento la estrella se queda sin combustible y el "empuje" se desvanece, por lo que todo colapsa en el centro muy rápidamente. Entonces explota.

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Un punto clave es que no todo está colapsando. Si así fuera, la energía potencial gravitacional liberada sería insuficiente incluso para revertir el colapso, y provocar una explosión. Solo el núcleo se derrumba. El sobre permanece felizmente inconsciente del colapso hasta que es lanzado al espacio.

— Rob Jeffries

¿Se permiten "respuestas como comentario" en este SE?

— dav1dsm1th

@ dav1dsm1th No, no está permitido en ningún SE. Sin embargo, es una práctica bastante común; no todos tienen el tiempo para escribir una respuesta completa, por lo que anotan todo lo que pueden y esperan que alguien pueda venir a dar una respuesta completa.

— Setsu

@Setsu Es bueno saberlo. Espero que estos comentarios se limpien en algún momento (incluido mi ruido).

— dav1dsm1th

Respuestas:

Respuesta corta:

Una pequeña fracción de la energía potencial gravitacional liberada por el colapso muy rápido del núcleo de hierro inerte se transfiere a las capas externas y esto es suficiente para impulsar la explosión observada.

Con más detalle:

Considere la energía de una estrella modelo idealizada. Tiene un "núcleo" de masa y radio inicial y una envoltura externa de masa radio . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Ahora suponga que el núcleo colapsa a un radio mucho más pequeño en una escala de tiempo tan corta que se desacopla de la envolvente. La cantidad de energía potencial gravitatoria publicada será . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Una fracción de esta energía liberada puede transferirse a la envoltura en forma de choques y radiación hacia afuera. Si la energía transferida excede la energía de unión gravitacional de la envoltura entonces la envoltura puede volar al espacio. $\sim Gm^2/r$

En una estrella en explosión (supernovas de colapso del núcleo tipo II) km, km y km. La masa del núcleo es y la masa envolvente es . El núcleo denso está hecho principalmente de hierro y está soportado por la presión de degeneración de electrones . Se dice que la estrella "se quedó sin combustible" porque las reacciones de fusión con núcleos de hierro no liberan cantidades significativas de energía. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

El colapso se desencadena porque la combustión nuclear continúa alrededor del núcleo y, por lo tanto, la masa del núcleo aumenta gradualmente y, al hacerlo, se reduce gradualmente (una peculiaridad de las estructuras apoyadas por la presión de degeneración), la densidad aumenta y luego se introduce una inestabilidad por el electrón capturar reacciones o fotodisintegración de núcleos de hierro. De cualquier manera, los electrones (que son los que proporcionan el soporte para el núcleo) son absorbidos por protones para formar neutrones y el núcleo se colapsa en una escala de tiempo de caída libre de s. $\sim 1$

El colapso se detiene por la fuerte fuerza nuclear y la presión de degeneración de neutrones. El núcleo rebota; una onda de choque viaja hacia afuera; La mayor parte de la energía gravitacional se almacena en neutrinos y una fracción de esta se transfiere al choque antes de que los neutrinos escapen, alejando la envoltura exterior. Un excelente relato descriptivo de este y el párrafo anterior se puede leer en Woosley y Janka (2005) .

Poniendo en algunos números.

sol {METRO}^{2} / / R = 4 4 \times 10^{46} J

$GM^2/R = 4\times 10^{46}\ {\rm J}$

sol {metro}^{2} / / r = 3 \times 10^{44} J

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

Por lo tanto, solo se necesita transferir del orden 1% de la energía potencial liberada del núcleo que se colapsa a la envoltura para impulsar la explosión de supernova. En realidad, esto aún no se entiende en detalle, aunque de alguna manera las supernovas encuentran la manera de hacerlo.

Un punto clave es que el colapso rápido tiene lugar solo en el núcleo de la estrella. Si toda la estrella se derrumbara como una, entonces la mayor parte de la energía potencial gravitacional escaparía como radiación y neutrinos y no habría suficiente energía incluso para revertir el colapso. En el modelo de colapso del núcleo , la mayoría (90% +) de la energía gravitacional liberada se pierde como neutrinos, pero lo que queda todavía es fácilmente suficiente para deshacer la envoltura no colapsada . El núcleo colapsado permanece unido y se convierte en una estrella de neutrones o en un agujero negro.

Una segunda forma de hacer explotar una estrella (una enana blanca) es una reacción termonuclear. Si se puede encender el carbono y el oxígeno en las reacciones de fusión nuclear, entonces se libera suficiente energía para exceder la energía de unión gravitacional de la enana blanca. Estas son supernovas de tipo Ia.

— Rob Jeffries
fuente

Vale la pena señalar que los modelos de supernovas de colapso del núcleo generalmente no han logrado producir supernovas consistentemente. En las simulaciones, el choque generalmente se detiene, e incluso cuando esto no sucede, las simulaciones generalmente tienen dificultades para igualar las luminosidades observadas. La introducción a este artículo presenta una buena introducción a algunas de las dificultades en el campo: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

Mi pregunta sería, en términos generales, ¿por qué explota en lugar de hacer una transición sin incidentes ya que el punto de estabilidad se desplaza a través del espacio de parámetros? Es el punto clave que cuando tienes suficiente temperatura / densidad para atascar protones y electrones juntos, de repente se elimina lo que está reteniendo todo, por lo que cae, puede aumentar aún más la densidad, elimina más ... pero, de nuevo, ¿por qué no? t que un proceso que puede "poco a poco" rampa ascendente y mantener una cierta estabilidad? ¿Seguramente la estrella no pasa de ninguna captura de electrones a todas las capturas de electrones?

— Nick T

@ J.O'BrienAntognini De hecho, los modelos pueden tener dificultades para determinar cómo transferir el 1% de la energía requerida, como mencioné anteriormente. Pero las estrellas reales lo han descubierto y nadie discute cuál es la fuente de energía.

— Rob Jeffries

@NickT es una inestabilidad desbocada. La captura de electrones ocurre a una densidad umbral porque los electrones degenerados tienen una energía máxima distinta, dependiente de la densidad (no tienen una distribución Maxwelliana). Esta desaparición de electrones reduce la presión, por lo que la estrella colapsa, aumentando la densidad y, por lo tanto, la energía máxima de los electrones degenerados, lo que permite que más y más participen en la neutronación. El resultado es un colapso total dentro de un segundo del inicio.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Esto es cierto, aunque también debe tenerse en cuenta que podría muy bien ser una fracción sustancial de estrellas masivas que han fallado a las supernovas. Entonces, aunque algunas estrellas ciertamente lo han descubierto, ¡no es necesariamente el caso que todas tienen! Hay algunas restricciones sueltas que ponen la fracción de supernova fallida en algún lugar entre 5 y 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Para dar una respuesta en turnos más simples. (Sí, muy simplificado, pero debería introducir el concepto básico).

Una estrella "arde" por fusión nuclear entre elementos más ligeros como el hidrógeno que se convierte en helio. El calor y la energía de ese ardor empujan constantemente la materia dentro de la estrella que la sostiene. El hidrógeno que se fusiona genera suficiente energía para evitar que pueda colapsar hacia el centro.

A medida que la estrella comienza a quedarse sin combustible, ese "fuego" se enfría y la expulsión se debilita.

Finalmente, el empuje no es suficiente para mantener a la estrella separada y todo se vuelve a juntar. Ese colapso libera una gran cantidad de energía que causa la explosión.

— Tim B
fuente

"Cuando la estrella comienza a quedarse sin combustible, ese" fuego "se enfría y la expulsión se debilita". La temperatura en el núcleo de una estrella continúa aumentando durante toda su vida hasta la explosión de la supernova.

— Rob Jeffries

@RobJeffries No pretendo ser un experto, pero entiendo que eso se debe al colapso gravitacional que libera energía potencial en lugar de calor de la fusión en curso. El "fuego" se ha vuelto más frío, pero otros factores están tomando el control.

— Tim B

La conversión de energía potencial gravitacional en calor es mínima en el mejor de los casos. El aumento de la temperatura se debe en realidad a la fusión continua de elementos cada vez más pesados en el núcleo. Por ejemplo, lea esta página wiki .

— zephyr

Agradable y breve, pero agregaría el término "rebote" a esa descripción como lo hizo Rob Jeffries. Es vívido y terminaría su descripción más bien que "causa la explosión"

— Mike Wise

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