Gibt es beobachtbare Veränderungen in einem Stern, die wenige Minuten oder Stunden vor der Explosion zu einer Supernova werden?

Ich schreibe einen Science-Fiction-Roman, in dem ein Schiff in einem Einzelsternsystem (einem roten Überriesen) gestrandet ist. Einer der Handlungspunkte ist, dass der Stern in einigen Stunden zur Supernova wird, daher müssen die Charaktere ihr Schiff reparieren, bevor dies geschieht.

Ich habe Grundkenntnisse darüber, wie es funktioniert: Durch Kernfusion erzeugtes Eisen sammelt sich im Kern an, bis es einen Punkt erreicht, an dem die Eisenfusion beginnt. Da das Schmelzen von Eisen eine endotherme Reaktion ist, kann der Kern nicht mehr genügend Energie erzeugen, um gegen die eigene Schwerkraft und den Druck der äußeren Schichten zu bestehen, sodass er zusammenbricht und explodiert.

Ich habe gelesen, dass sobald die Eisenfusion im Inneren des Kerns beginnt, der Zusammenbruch innerhalb von Minuten stattfindet, dass der Zusammenbruch selbst einige Sekunden (sogar weniger als eine Sekunde) dauert und dass die Stoßwelle mehrere Stunden benötigt, um die Oberfläche zu erreichen. Ist das alles richtig?

Die Sache ist, dass ich die Charaktere brauche, um die Explosion kurzfristig vorhersagen zu können. Ein paar Stunden oder sogar Minuten. Es wäre großartig, wenn sie den Zusammenbruch des Kerns bemerken und einen Countdown starten könnten.

Gibt es also einen äußeren Anhaltspunkt für diese Ereignisse, wie z. B. Änderungen der Leuchtkraft oder der Farbe? Ändert sich das Sternspektrum, wenn die Eisenfusion beginnt oder wenn der Kern zusammenbricht? Ich weiß, dass der Kernkollaps eine große Menge an Neutrinos erzeugt. Ist diese Menge so intensiv, dass sie leicht nachweisbar ist? (Das heißt, ohne einen riesigen Detektor in einer unterirdischen Anlage). Kann die Eisenmenge im Kern aus dem Spektrum und der Größe der Sterne abgeschätzt werden, so dass die ungefähre Zeit des Zusammenbruchs vorhergesagt werden kann?

Ich denke, Ihre beste Wette wäre es, Neutrinos aufzuspüren, die durch das Verbrennen von Atomen im Inneren des Sterns erzeugt werden (wie wir es für die Sonne tun). Sobald der Stern das Stadium der Kohlenstoffverbrennung erreicht, setzt er in Neutrinos mehr Energie frei als in Photonen. Während der Siliziumbrennphase, die einige Tage dauert und den entarteten Eisenkern erzeugt (der kollabiert, sobald er massiv genug ist), steigt der Neutrinofluss einige Sekunden vor dem Kernkollabieren auf etwa 10 ⁴⁷ erg / s. (Der Spitzenfluss während des Kernkollapses beträgt etwa 10 ⁵² bis 10 ⁵³ erg / s). Dieses Papier von Asakura et al. schätzt, dass der japanische KamLAND-Detektor den Neutrinofluss vor der Supernova für Sterne in Entfernungen von mehreren Hundert Parsec nachweisen könnteund warnen Sie vorab einige Stunden oder sogar Tage im Voraus vor einer Kernkollaps-Supernova. Da sich Ihre Charaktere im selben System wie der Stern befinden, benötigen sie kaum einen großen unterirdischen Detektor, um die Neutrinos aufzunehmen.

Diese Darstellung zeigt ein Beispiel der Neutrinoluminosität (für Antielektronenneutrinos) gegenüber der Zeit für einen Stern vor der Supernova (von Asakura et al. 2016, basierend auf Odrzywolek & Heger 2010 und Nakazato et al. 2013); Kernkollaps beginnt bei t = 0s.

Indem Sie das Energiespektrum für verschiedene Arten von Neutrinos und deren zeitliche Entwicklung messen, können Sie wahrscheinlich eine sehr gute Vorstellung davon bekommen, wie weit der Stern entfernt ist, zumal wir davon ausgehen können, dass Ihre Charaktere viel bessere Modelle für die Sternentwicklung haben als wir derzeit machen. (Sie möchten auch die Masse, die Rotationsrate und möglicherweise die innere Struktur des Sterns mithilfe der Astroseismologie usw. genau messen, um das Sternentwicklungsmodell zu optimieren. All dies sind Dinge, die sie recht einfach tun können.)

Der Kernkollaps selbst würde durch den enormen Anstieg des Neutrinoflusses signalisiert .

In diesem "What If" -Artikel von Randall Munroe wird geschätzt, dass der Neutrino-Fluss aus einer Kernkollaps-Supernova für einen Menschen in einer Entfernung von etwa 2 AE tödlich wäre . Was, wie er betont, tatsächlich in einem übergroßen Stern stecken könnte, sodass Ihre Charaktere wahrscheinlich etwas weiter entfernt wären. Es zeigt jedoch, dass der Neutrinofluss leicht nachweisbar ist und dass Ihre Charaktere möglicherweise eine Strahlenvergiftung erleiden, wenn sie näher als 10 AE wären. (Natürlich würden Sie wollen erkennen , es direkt als nur darauf warten , um bis Sie begann krank zu fühlen, denn das könnte länger dauern als die Stoßwelle die Oberfläche des Sterns zu erreichen dauert.) Dies ist nur nach Hause zu bringen , die Tatsache, dass sie keine Probleme haben würden, die Neutrinos zu entdecken ....

Andere Antworten sind richtig; Ein Neutrinopuls wird definitiv als Folge einer Kernkollaps-Supernova erwartet und sollte einige Stunden vor dem Eintreffen einer Stoßwelle an der Oberfläche auftreten.

$\sim (G \rho)^{-1/2}$$\rho$$10M_{\odot}$

Eine weitere bisher nicht erwähnte Möglichkeit sind Gravitationswellen. Unter der Annahme, dass ein relativ portabler Gravitationswellendetektor verfügbar ist (!), Würde man auch einen scharfen Gravitationswellenimpuls auf der Zeitskala des Kernkollapses (eine Sekunde oder weniger) erwarten, der auch einige Stunden später die Supernova-Explosionswelle vorhersagen würde.

Wie Dean sagte , setzen Supernova-Vorläufer typischerweise Neutrinos frei, bevor der Kern vollständig kollabiert, Reste gebildet und die äußeren Schichten des Sterns ausgeworfen werden. Der Prozess, der sich hier auf die Neutrinos konzentriert, sieht ungefähr so ​​aus:

1. $\rho\sim10^9\text{ g/cm}^3$ $$e^-+p\to n+\nu_e$$ $$n\to p+e^-+\bar{\nu}_e$$
2. Das Einfangen von Elektronen reduziert den Druck der Elektronendegeneration im Kern, was zu einem beschleunigten Zusammenbruch des Kerns führt. Entartungsdruck ist in den Kernen vieler Sterne wichtig, aber in extrem massereichen Sternen - einschließlich roter Überriesen - ist es einfach nicht genug, um den Kollaps zu stoppen.
3. $\sim10^{11}\text{ g/cm}^3$$\rho\sim4\times10^{11}\text{ g/cm}^3$ , werden Neutrinos eingefangen. Sie streuen Kerne ab und übertragen Energie auf Elektronen. Die Streuung von Elektronen-Kernen ist ebenfalls wichtig und kann bei höheren Energien dominant sein.
4. $\rho\sim2.5\times10^{14}\text{ g/cm}^3$ erfährt der Kern einen "Sprung" und die Supernova-Explosion beginnt vollständig. Eine Stoßwelle breitet sich in den äußeren Kern aus, und durch Elektroneneinfang werden mehr Neutrinos erzeugt.
5. Neutrinos, die immer noch im / vom Stern eingeschlossen sind, werden etwa zehn Sekunden später freigesetzt. Auch die Produktion von Neutrinopaaren führt zu einer raschen Abkühlung. Einige dieser Neutrinos können zu einer Wiederbelebung der Schockwelle beitragen.

Neutrinos können Stunden - oder unter Umständen auch Tage - vor dem Licht der Supernova eintreffen. Ersteres war bei der SN 1987A der Fall , der ersten Supernova, aus der Neutrinos nachgewiesen wurden.

Verweise

• Balasi et al. (2015)
• Mirizzi et al. (2015)
• Scholberg (2012)

Eine superleuchtende Supernova (auch Hypernova genannt) kann eine doppelte Spitze ihrer Helligkeit aufweisen, und einige gehen davon aus, dass dies die Norm für eine superleuchtende Supernova sein könnte, obwohl sie meines Wissens bisher nur in einem Fall tatsächlich beobachtet wurde (DES14X3taz).

Jedenfalls war in (zumindest) diesem Fall eine anfängliche erhebliche Helligkeitssteigerung zu verzeichnen. Dann fiel die Helligkeit für ein paar Tage (um ein paar Größenordnungen) und stieg dann wieder an, um deutlich heller als die anfängliche "Erhebung" zu sein.

Sie müssen wahrscheinlich vorsichtig mit den Entfernungen umgehen. Der anfängliche Ausbruch von Licht ist schon groß genug , dass es sei denn , Ihre Leute sind ganz weg ein weiter Weg, es schon genug sein , werden sie zu einem knusprigen braten.

Es gibt jedoch noch einen weiteren Punkt, der für Ihren Roman interessant sein könnte. Nach der Explosion erhalten Sie wahrscheinlich einen Magnetar - der, wie der Name vermuten lässt, ein Stern mit einem extrem starken Magnetfeld ist -, der in der Tat so stark ist, dass er allerlei Chaos anrichten kann mit irgendetwas in der Nähe, das von irgendetwas abhängt, das mit elektrischer Aktivität zu tun hat - nicht nur mit Elektronik, sondern wahrscheinlich auch mit den Nerven der Menschen.

Hier liegt jedoch ein offensichtliches Problem auf der Hand: Ein roter Überriese ist der richtige Sterntyp als Vorläufer für eine "normale" Supernova. Es ist wahrscheinlich nicht der richtige Typ als Vorläufer für eine superleuchtende Supernova. Der Vorläufer einer Supernova besteht typischerweise aus sechs oder acht Sonnenmassen. Eine superleuchtende Supernova ist wahrscheinlich (nur wenige sind bekannt, daher ist es schwer zu verallgemeinern) so etwas wie ein paar hundert Sonnenmassen. In Anbetracht der Menge an Energie freigesetzt, es hat ziemlich groß sowieso sein.

Referenz: Smith et al. (2015)