Apakah ada perubahan yang dapat diamati pada bintang yang akan menjadi supernova, beberapa menit atau jam sebelum ledakan?

30

Saya sedang menulis novel fiksi ilmiah, di mana sebuah kapal terdampar di sistem bintang tunggal (supergiant merah). Salah satu poin plot adalah bintang menjadi supernova dalam beberapa jam, sehingga karakter harus memperbaiki kapal mereka sebelum itu terjadi.

Saya memiliki pengetahuan dasar tentang cara kerjanya: Besi yang dihasilkan dari fusi nuklir terakumulasi di dalam inti, hingga mencapai titik ketika fusi besi dimulai. Karena fusi besi adalah reaksi endotermik, inti tidak lagi mampu menghasilkan energi yang cukup untuk menahan gravitasi dan tekanan lapisan luarnya sendiri, sehingga ia runtuh, dan meledak.

Saya telah membaca bahwa begitu fusi besi mulai di dalam inti, keruntuhan terjadi dalam beberapa menit, bahwa keruntuhan itu sendiri berlangsung beberapa detik (bahkan kurang dari satu detik), dan bahwa gelombang kejut memerlukan beberapa jam untuk mencapai permukaan. Apakah semua itu benar?

Masalahnya adalah saya membutuhkan karakter untuk dapat memprediksi ledakan dalam jangka pendek. Beberapa jam atau bahkan beberapa menit. Akan lebih bagus jika mereka bisa menyadari kehancuran inti dan memulai hitungan mundur.

Jadi, apakah ada petunjuk eksternal dari peristiwa ini, seperti perubahan luminositas atau warna? Apakah spektrum bintang berubah ketika fusi besi mulai, atau ketika inti runtuh? Saya tahu bahwa keruntuhan inti menghasilkan sejumlah besar neutrino. Apakah jumlah ini begitu kuat sehingga mudah dideteksi? (Yaitu, tanpa detektor besar di fasilitas bawah tanah). Dapatkah jumlah zat besi dalam inti diperkirakan dari spektrum dan ukuran bintang, sehingga perkiraan waktu kehancuran dapat diprediksi?

Alfonso de Terán
sumber
5
Peringatan paling awal yang bisa Anda dapatkan dari supernova inti-runtuh yang akan datang akan datang dari neutrino karena mereka bereaksi sangat lemah dengan materi, namun ini juga mengapa detektor besar diperlukan untuk mengukur keberadaan mereka sehingga situasi penangkapannya. Petunjuk EM ada tetapi mereka berada pada rentang waktu yang jauh lebih pendek.
Dean
5
Ilmu pertanyaan ini mungkin baik untuk situs ini. Namun, masalah cerita terkait dan pertanyaan tindak lanjut paling potensial mungkin lebih tepat di Worldbuilding .
Makyen
5
@Makyen Sebenarnya, di Worldbuilding ada pertanyaan yang sangat terkait di Bagaimana kita bisa memadamkan supernova? Judulnya sedikit menyesatkan - ini lebih tentang mencegah bintang dari pergi supernova di akhir proses, daripada tentang memadamkan atau menguranginya setelah dimulai - tapi saya pikir pertanyaan itu akan berguna untuk OP.
CVn
2
@Dean Sebuah penghitung geiger akan cukup untuk detektor neutrino Anda dalam hal ini. Di sisi lain, jika Anda terlalu dekat, itu hanya akan memberi tahu Anda bahwa Anda sudah mati: what-if.xkcd.com/73
Loren Pechtel
3
@Mehrdad lihat physics.stackexchange.com/questions/63558/… tapi mungkin lebih spesifik untuk pertanyaan Anda physics.stackexchange.com/questions/194606/…
Rob Jeffries

Jawaban:

38

Saya pikir taruhan terbaik Anda akan mendeteksi neutrino yang dihasilkan oleh pembakaran nuklir di dalam bintang (seperti yang kita lakukan untuk Matahari). Begitu bintang mencapai tahap pembakaran karbon, itu sebenarnya mengeluarkan lebih banyak energi dalam neutrino daripada di foton. Selama fase pembakaran silikon, yang berlangsung selama beberapa hari dan inilah yang menciptakan inti besi yang merosot (yang runtuh begitu cukup besar), fluks neutrino meningkat menjadi sekitar 10 47 erg / sa beberapa detik sebelum inti runtuh. (Fluks puncak selama keruntuhan inti adalah sekitar 10 52 hingga 10 53 erg / s). Makalah ini oleh Asakura et al. memperkirakan bahwa detektor KamLAND Jepang dapat mendeteksi fluks pra-supernova neutrino untuk bintang pada jarak beberapa ratus parsec, dan memberikan peringatan dini tentang supernova inti-runtuh beberapa jam atau bahkan berhari-hari sebelumnya. Karena karakter Anda berada dalam sistem yang sama dengan bintang, mereka hampir tidak memerlukan detektor bawah tanah besar untuk mengambil neutrino.

Plot ini menunjukkan contoh luminositas neutrino (untuk neutrino anti-elektron) versus waktu untuk bintang pra-supernova (dari Asakura et al. 2016, berdasarkan Odrzywolek & Heger 2010 dan Nakazato et al. 2013); keruntuhan inti dimulai pada t = 0s.

Gambar 1 dari Asakura et al.  2016

Dengan mengukur spektrum energi untuk berbagai jenis neutrino dan evolusi waktu mereka, Anda mungkin bisa mendapatkan ide yang sangat bagus tentang seberapa jauh bintang itu, terutama karena kita mungkin dapat mengasumsikan karakter Anda memiliki model yang jauh lebih baik untuk evolusi bintang daripada saat ini. melakukan. (Mereka juga ingin mendapatkan pengukuran yang akurat dari massa bintang, laju rotasi, mungkin struktur internal melalui astroseismologi, dll., Untuk menyempurnakan model evolusi bintang; ini semua hal yang bisa mereka lakukan dengan mudah.)

Keruntuhan inti itu sendiri akan ditandai oleh peningkatan fluks neutrino yang sangat besar .

Artikel "Bagaimana Jika" oleh Randall Munroe ini memperkirakan bahwa fluks neutrino dari supernova inti-runtuh akan mematikan bagi manusia pada jarak sekitar 2 AU. Yang, seperti yang dia tunjukkan, sebenarnya bisa berada di dalam bintang supergiant, jadi karaktermu mungkin akan sedikit lebih jauh dari itu. Tapi itu menunjukkan bahwa fluks neutrino akan mudah dideteksi, dan bahwa karakter Anda mungkin mendapatkan keracunan radiasi dari itu jika mereka lebih dekat dari 10 AU. (Tentu saja, Anda ingin mendeteksinya lebih langsung daripada hanya menunggu sampai Anda mulai merasa sakit, karena itu mungkin membutuhkan waktu lebih lama daripada gelombang kejut yang diperlukan untuk mencapai permukaan bintang.) Ini hanya untuk membawa pulang fakta bahwa mereka tidak akan memiliki masalah dalam mendeteksi neutrino ....

Peter Erwin
sumber
1
Jawaban bagus! @ Alfonso Mungkin membantu realisme Anda untuk mengatasi fakta bahwa neutrino terkenal sulit dideteksi. Beberapa garis sederhana menyiratkan bahwa kemampuan deteksi neutrino telah meningkat sepuluh kali lipat untuk teknologi masa depan Anda akan membantu menjual realisme bahwa Anda benar-benar dapat mendeteksi neutrino pada kapal ruang kecil tanpa sesuatu seperti detektor neutrino saat ini (yang masif).
zephyr
Terima kasih banyak, Peter. Itulah info yang saya butuhkan.
Alfonso de Terán
5
@ zephyr Volume detektor neutrino dapat diperkecil dengan fluks relatif dari neutrino yang Anda harapkan. Anda tidak perlu detektor besar untuk mengamati pulsa neutrino jika Anda berada di orbit di sekitar bintang yang meledak.
Rob Jeffries
6
@ zephyr Dari Tabel 6 makalah yang saya tautkan, katakanlah KamLAND dapat mendeteksi fluks pra-SN 10 jam sebelum jatuhnya inti untuk jarak 150 pc bintang (setelah integrasi 48 jam). Fluks neutrino untuk pesawat ruang angkasa 100 AU dari bintang itu sekitar 100 miliar kali lebih tinggi. Jadi, seperti yang ditunjukkan Rob Jeffries, Anda bisa menggunakan detektor 100 miliar kali lebih kecil dari Kamland. Untuk memotong waktu integrasi menjadi 1 detik lebih praktis, Anda memerlukan detektor 500.000 kali lebih kecil dari KamLAND: sekitar 2 kg cairan sintetik. (Dengan asumsi tidak ada teknologi yang lebih baik.)
Peter Erwin
1
Bahkan tanpa detektor neutron yang sebenarnya, fluks neutrino itu dapat menyimpan energi yang cukup bagi bintang sehingga dapat dideteksi dari lapisan permukaan bintang, atau menunjukkan jenis kebisingan tertentu dalam detektor lain (setidaknya kamera, radar, dan radio) yang harus dimiliki kapal.
hyde
16

Jawaban lain benar; nadi neutrino diperkirakan berasal dari supernova inti-runtuh dan harus terjadi beberapa jam sebelum gelombang kejut tiba di permukaan.

(Gρ)1/2ρ10M

Kemungkinan lain yang tidak disebutkan sejauh ini adalah gelombang gravitasi. Dengan asumsi bahwa detektor gelombang gravitasi yang relatif portabel tersedia (!) Maka Anda juga akan mengharapkan pulsa gelombang gravitasi yang tajam pada skala waktu runtuh inti (satu detik atau kurang) yang juga akan menampilkan gelombang ledakan supernova beberapa jam kemudian.

Rob Jeffries
sumber
Sehubungan dengan gelombang gravitasi: Apakah bintang yang runtuh yang tidak berputar akan memancarkan gelombang gravitasi? Dari diskusi lain saya mengerti (mungkin salah) bahwa rotasi adalah persyaratan. Sesuatu dengan quadrupole ...
Peter - Reinstate Monica
@ PeterA.Schneider Supernovae sepenuhnya diharapkan menjadi sumber GW, karena diharapkan ada asimetri (inti akan berputar sangat cepat - lihat pulsar). misalnya. iopscience.iop.org/article/10.1086/381360/fulltext/…
Rob Jeffries
@ PeterA.Schneider Supernova nyata ternyata sangat asimetris, bahkan ketika nenek moyang mereka menampilkan simetri bola tingkat tinggi. Asimetri ini mungkin cukup untuk menghasilkan gelombang gravitasi, meskipun saya belum menghitung angkanya. Menemukan sumber asimetri ini adalah topik penelitian aktif.
Calchas
10

Seperti kata Dean , nenek moyang supernova biasanya melepaskan neutrino sebelum keruntuhan inti penuh, pembentukan sisa dan pengusiran lapisan luar bintang. Proses - yang difokuskan di sini pada neutrino - berlangsung seperti berikut:

  1. ρ109 g/cm3
    e+pn+νe
    np+e+ν¯e
  2. Penangkapan elektron mengurangi tekanan degenerasi elektron dalam inti, yang menyebabkan percepatan inti yang dipercepat. Tekanan degenerasi penting di inti banyak bintang, tetapi di bintang yang sangat masif - termasuk supergiant merah - itu tidak cukup untuk menghentikan keruntuhan.
  3. 1011 g/cm3ρ4×1011 g/cm3
  4. ρ2.5×1014 g/cm3
  5. Neutrino masih terjebak dalam / oleh sisa-sisa bintang yang dirilis sekitar sepuluh detik kemudian. Produksi pasangan Neutrino juga menyebabkan pendinginan yang cepat. Beberapa neutrino ini mungkin berkontribusi pada kebangkitan gelombang kejut.

Neutrino dapat tiba berjam-jam - atau beberapa hari, dalam beberapa keadaan - sebelum cahaya dari supernova. Yang pertama adalah kasus untuk SN 1987A , supernova pertama dari mana neutrino terdeteksi.

Referensi

HDE 226868
sumber
Terima kasih, @ HDE. Jawaban terperinci itu membuat saya bertanya-tanya apakah keruntuhan inti dapat dipercepat dengan diperkenalkannya sesuatu yang "baru" di bintang itu. Dalam novel, ada pertempuran dengan kapal asing bermusuhan yang tidak diketahui. Kapal itu dinonaktifkan dan dimasukkan ke dalam lintasan jatuh ke bintang. Jika ada cara dengan peristiwa itu dapat mempersingkat waktu untuk ledakan, itu akan menambah lebih banyak drama (keruntuhan inti terdeteksi oleh karakter sebelum diharapkan). Saya berkomentar bahwa kapal yang jatuh itu asing dan tidak diketahui, jadi tidak ada masalah untuk memasukkan antimateri, benda aneh, atau apa pun yang diperlukan.
Alfonso de Terán
2
@ AlfonsodeTerán, Bahkan dengan asumsi beberapa jenis unobtainium, tidak dapat dipercaya, bahkan dalam lingkungan fiksi, bahwa penambahan apa pun yang ada pada skala pesawat ruang angkasa akan memiliki efek yang cukup ketika tidak sengaja jatuh ke bintang. Perbedaan skalanya terlalu besar. Menulisnya sedemikian rupa sehingga hampir pasti akan menghancurkan penangguhan ketidakpercayaan saya jika saya membaca cerita seperti itu. Bahkan dengan asumsi kapal itu ditenagai oleh lubang hitam-mikro, waktu yang diperlukan untuk singularitas untuk secara signifikan mempengaruhi bintang lebih lama dari apa yang telah Anda gambarkan.
Makyen
@ AlfonsodeTerán Mayken benar sekali. Anda akan memerlukan teknologi yang cukup canggih untuk mulai berpikir untuk dapat mempengaruhi evolusi bintang seperti ini, jika itu mungkin. Efeknya akan seperti setetes dalam ember metaforis.
HDE 226868
1
1M
1
@ Spike0xff Jika danau tersebut adalah supercool dan tetesannya tidak murni dapat memicu kristalisasi. Saya tidak berpikir fase-shift seperti itu terjadi pada inti bintang dalam kenyataan, tetapi karena SF kita bisa membuat neraka membeku ...
Peter - Reinstate Monica
1

Supernova superluminous (alias hypernova) dapat menunjukkan puncak ganda untuk kecerahannya dan beberapa berteori bahwa ini mungkin norma untuk supernova superluminous, meskipun sejauh yang saya tahu itu hanya benar-benar diamati dalam satu kasus sejauh ini (DES14X3taz).

Lagi pula, dalam (setidaknya) kasus ini ada peningkatan substansial awal dalam kecerahan. Kemudian kecerahan turun (beberapa magnitude) selama beberapa hari, kemudian meningkat kembali menjadi jauh lebih terang daripada "benjolan" awal.

Anda mungkin harus berhati-hati tentang jarak yang terlibat. Semburan cahaya awal sudah cukup besar sehingga kecuali jika orang-orang Anda cukup jauh, itu sudah cukup untuk membuat mereka garing.

Ada satu hal lain yang mungkin menarik untuk novel Anda. Setelah ledakan, apa yang mungkin Anda dapatkan adalah magnetar - yang, seperti yang Anda tebak dari namanya, adalah bintang dengan medan magnet yang sangat kuat - sangat kuat, pada kenyataannya, itu kemungkinan akan menyebabkan segala macam malapetaka dengan apa pun di sekitarnya yang tergantung pada apa pun yang melibatkan aktivitas listrik - tidak hanya elektronik, tetapi juga saraf orang.

Ada masalah yang jelas di sini: supergiant merah adalah tipe bintang yang tepat sebagai nenek moyang supernova "normal". Itu mungkin bukan tipe yang tepat sebagai nenek moyang untuk supernova superluminous. Leluhur seorang supernova biasanya sekitar enam atau delapan massa matahari. Supernova superluminous mungkin (hanya sedikit yang diketahui, jadi sulit untuk menggeneralisasi) sesuatu seperti beberapa ratus massa matahari. Mengingat jumlah energi yang dilepaskan, itu memiliki cukup besar pula.

Referensi: Smith, et al (2015)

Jerry Coffin
sumber