Mengapa bintang meledak?

Saya selalu mendengar narator film dokumenter mengatakan bahwa sebuah bintang meledak karena kehabisan bahan bakar. Biasanya hal-hal meledak ketika mereka memiliki terlalu banyak bahan bakar, bukan ketika mereka kehabisan bahan bakar. Tolong jelaskan...

star explosion Lorry Laurence mcLarry
sumber

Bintang (cukup besar) memiliki banyak masalah. Gravitasi mencoba untuk menyatukan semua masalah ini di pusat massa, jadi sesuatu perlu didorong kembali. Bagi seorang bintang, proses fusi dalam cahaya penghasil inti adalah yang mendorong mundur. Pada satu titik bintang kehabisan bahan bakar dan "push out" lenyap sehingga semuanya runtuh ke pusat dengan sangat cepat. Lalu meledak.

Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Poin kuncinya adalah bahwa semuanya tidak runtuh. Jika itu maka energi potensial gravitasi yang dilepaskan tidak akan cukup bahkan untuk membalikkan keruntuhannya, biarlah menyebabkan ledakan. Hanya inti yang runtuh. Amplop itu tetap tidak menyadari keruntuhannya sampai terlempar ke angkasa.

Rob Jeffries

Apakah "jawaban sebagai komentar" diizinkan pada SE ini?

dav1dsm1th

@ dav1dsm1th Tidak, ini tidak diizinkan pada SE apa pun. Namun, ini adalah praktik yang cukup umum; tidak semua orang punya waktu untuk menulis jawaban yang lengkap, sehingga mereka menuliskan apa pun yang mereka bisa dan berharap seseorang dapat ikut mewujudkannya menjadi jawaban penuh.

Setsu

@Setsu Senang mendengar. Semoga komentar-komentar ini akan dibersihkan di beberapa titik (termasuk suara saya).

dav1dsm1th

Jawaban:

Jawaban singkat:

Sebagian kecil dari energi potensial gravitasi yang dilepaskan oleh keruntuhan inti besi yang sangat cepat akan ditransfer ke lapisan luar dan ini cukup untuk menyalakan ledakan yang diamati.

Lebih detail:

Pertimbangkan energi dari bintang model yang ideal. Ia memiliki "inti" massa dan jari-jari awal dan selubung luar dari massa dan jari-jari . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Sekarang anggap inti runtuh ke radius yang jauh lebih kecil pada skala waktu yang sedemikian pendek sehingga terlepas dari amplop. Jumlah energi potensial gravitasi dirilis akan . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Sebagian kecil dari energi yang dilepaskan ini dapat ditransfer ke amplop dalam bentuk guncangan dan radiasi yang bergerak ke luar. Jika energi ditransfer melebihi energi yang mengikat gravitasi amplop maka amplop dapat ditiup ke ruang angkasa. $\sim Gm^2/r$

Dalam sebuah bintang yang meledak (supernova runtuh inti tipe II) km, km dan km. Massa inti adalah dan massa amplop adalah . Inti padat sebagian besar terbuat dari besi dan didukung oleh tekanan degenerasi elektron . Bintang dikatakan "kehabisan bahan bakar" karena reaksi fusi dengan inti besi tidak melepaskan energi dalam jumlah yang signifikan. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

Runtuhnya dipicu karena pembakaran nuklir berlanjut di sekitar inti dan sehingga massa inti secara bertahap meningkat dan karena itu secara bertahap menyusut (kekhasan struktur yang didukung oleh tekanan degenerasi), kepadatan meningkat dan kemudian ketidakstabilan diperkenalkan baik oleh elektron menangkap reaksi atau fotodisintegrasi inti besi. Either way, elektron (yang adalah apa yang memberikan dukungan untuk inti) yang dikoreksi oleh proton untuk membentuk neutron dan inti runtuh pada musim gugur skala waktu bebas dari s! $\sim 1$

Runtuhnya dihentikan oleh kekuatan nuklir yang kuat dan tekanan degenerasi neutron. Inti memantul; gelombang kejut bergerak ke luar; sebagian besar energi gravitasi disimpan dalam neutrino dan sebagian kecil dari ini ditransfer ke syok sebelum neutrino lolos, mengusir amplop luar. Akun deskriptif yang sangat baik dari ini dan paragraf sebelumnya dapat dibaca di Woosley & Janka (2005) .

Menempatkan beberapa angka.

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

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

Jadi seseorang hanya perlu mentransfer urutan 1% dari energi potensial yang dikeluarkan inti yang runtuh ke amplop untuk mendorong ledakan supernova. Ini sebenarnya belum dipahami secara rinci, meskipun entah bagaimana supernova menemukan cara untuk melakukannya.

Poin kunci adalah bahwa keruntuhan cepat terjadi hanya di inti bintang. Jika seluruh bintang runtuh menjadi satu, maka sebagian besar energi potensial gravitasi akan lepas sebagai radiasi dan neutrino dan akan ada energi yang tidak mencukupi bahkan untuk membalikkan keruntuhan. Dalam inti model yang runtuh, sebagian besar (90% +) dari energi gravitasi yang dirilis adalah hilang sebagai neutrino, tapi apa yang tersisa masih mudah cukup untuk memperlonggar yang dibentangkan amplop . Inti yang runtuh tetap terikat dan menjadi bintang neutron atau lubang hitam.

Cara kedua untuk menyebabkan bintang (katai putih) meledak adalah reaksi termonuklir. Jika karbon dan oksigen dapat dinyalakan dalam reaksi fusi nuklir maka cukup energi yang dilepaskan untuk melebihi energi pengikat gravitasi kerdil putih. Ini adalah tipe Ia supernova.

Rob Jeffries
sumber

Perlu dicatat bahwa model supernova runtuh inti umumnya gagal menghasilkan supernova secara konsisten. Dalam simulasi, kejutan biasanya berhenti, dan bahkan ketika ini tidak terjadi, simulasi biasanya mengalami kesulitan untuk mencocokkan luminositas yang diamati. Pengantar makalah ini menyajikan pengantar yang baik untuk beberapa kesulitan di lapangan: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

J. O'Brien Antognini

Pertanyaan saya akan secara luas mengapa meledak daripada transisi tanpa henti sebagai titik stabilitas berkeliaran melalui ruang parameter apa pun. Adalah poin kunci bahwa ketika Anda memiliki suhu / kepadatan yang cukup untuk menyatukan proton dan elektron, bahwa tiba-tiba menghilangkan apa yang menahan semuanya, sehingga jatuh, dapat meningkatkan kepadatan lebih lanjut, menghilangkan lebih banyak ... tetapi sekali lagi mengapa tidak t bahwa suatu proses yang dapat "perlahan" meningkatkan dan mempertahankan stabilitas? Tentunya bintang tidak beranjak dari tangkapan elektron ke semua tangkapan elektron?

Nick T

@ J.O'BrienAntognini Memang, model dapat berjuang untuk mengetahui cara mentransfer 1% energi yang diperlukan - seperti yang saya singgung di atas. Tetapi bintang-bintang nyata telah mengetahuinya dan tidak ada yang membantah apa sumber energi itu.

Rob Jeffries

@NickT itu memang ketidakstabilan yang tak terkendali. Penangkapan elektron terjadi pada kepadatan ambang batas karena elektron yang mengalami degenerasi memiliki energi maksimum yang bergantung pada kepadatan (mereka tidak memiliki distribusi Maxwellian). Hilangnya elektron ini mengurangi tekanan, sehingga bintang itu runtuh, meningkatkan kerapatan dan karenanya energi maksimum dari elektron yang terdegenerasi, yang memungkinkan semakin banyak dari mereka untuk berpartisipasi dalam netralisasi. Hasilnya adalah kehancuran total dalam sedetik sejak permulaan.

Rob Jeffries

@RobJeffries Ini benar, walaupun harus juga dicatat bahwa sangat mungkin sebagian kecil dari bintang masif yang telah gagal supernova! Jadi, sementara beberapa bintang sudah pasti mengetahuinya, belum tentu demikian yang mereka miliki! Ada beberapa kendala longgar yang menempatkan fraksi supernova yang gagal di suatu tempat antara 5 dan 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

J. O'Brien Antognini

Untuk memberikan jawaban secara bergantian yang lebih sederhana. (Ya sangat disederhanakan, tetapi harus memperkenalkan konsep dasar).

Bintang "terbakar" oleh fusi nuklir antara unsur-unsur yang lebih ringan seperti Hidrogen berubah menjadi Helium. Panas dan energi dari pembakaran itu terus-menerus mendorong materi di dalam bintang yang menahannya. Hidrogen sekering menghasilkan energi yang cukup untuk menghentikannya agar tidak bisa jatuh ke pusat.

Ketika bintang mulai kehabisan bahan bakar yang "api" semakin dingin, dan dorongan keluar semakin lemah.

Akhirnya dorongan itu tidak cukup untuk memisahkan bintang dan semuanya bergegas kembali bersama. Keruntuhan itu melepaskan sejumlah besar energi yang menyebabkan ledakan.

Tim B
sumber

"Ketika bintang mulai kehabisan bahan bakar," api "itu semakin dingin, dan dorongan itu semakin lemah." Suhu pada inti bintang terus meningkat sepanjang hidupnya hingga ledakan supernova.

Rob Jeffries

@RobJeffries Saya tidak mengklaim sebagai seorang ahli tetapi pemahaman saya adalah bahwa itu disebabkan oleh keruntuhan gravitasi yang melepaskan energi potensial daripada panas dari fusi yang sedang berlangsung? "Api" semakin dingin tetapi faktor-faktor lain mengambil alih.

Tim B

Konversi energi potensial gravitasi menjadi panas minimal. Peningkatan suhu sebenarnya disebabkan oleh penggabungan elemen yang lebih berat dan lebih berat di dalam inti. Misalnya, baca halaman wiki ini .

zephyr

Bagus dan pendek, tapi saya akan menambahkan istilah "pantulan" ke deskripsi itu seperti yang dilakukan Rob Jeffries. Jelas dan akan menyelesaikan deskripsi Anda dengan lebih baik daripada "menyebabkan ledakan"

Mike Wise

n

$n$

n + 1

$n+1$