Warum explodieren Sterne?

Ich höre immer den Sprecher von Dokumentarfilmen sagen, dass ein Stern explodiert ist, weil ihm der Treibstoff ausgegangen ist. Normalerweise explodieren Dinge, wenn sie zu viel Treibstoff haben, nicht, wenn ihnen der Treibstoff ausgeht. Bitte erkläre...

star explosion

— Lkw Laurence mcLarry
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Ein (ausreichend großer) Stern hat viel zu bedeuten. Die Schwerkraft versucht, all diese Dinge im Zentrum der Masse zusammenzuhalten, also muss etwas zurückgedrängt werden. Für einen Stern ist der Fusionsprozess im Kern, der Licht erzeugt, derjenige, der zurückschiebt. Irgendwann geht dem Stern der Treibstoff aus und das "Herausdrücken" verschwindet, sodass alles sehr schnell in der Mitte zusammenbricht. Dann explodiert es.

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Ein wichtiger Punkt ist, dass nicht alles zusammenbricht. Wäre dies der Fall, würde die freigesetzte potentielle Gravitationsenergie nicht ausreichen, um den Kollaps rückgängig zu machen, und eine Explosion auslösen. Nur der Kern stürzt ein. Der Umschlag nimmt den Zusammenbruch so lange nicht wahr, bis er in den Weltraum geweht wird.

— Rob Jeffries

Sind "Antworten als Kommentar" zu dieser SE erlaubt?

— dav1dsm1th

@ dav1dsm1th Nein, es ist in keiner SE erlaubt. Es ist jedoch eine ziemlich übliche Praxis; Nicht jeder hat die Zeit, eine vollständige Antwort zu verfassen. Deshalb notieren sie alles, was sie können, und hoffen, dass jemand mitkommt, um eine vollständige Antwort zu erhalten.

— Setsu

@ Setsu Gut zu hören. Hoffentlich werden diese Kommentare irgendwann bereinigt (einschließlich meines Rauschens).

— dav1dsm1th

Antworten:

Kurze Antwort:

Ein winziger Teil der potenziellen Energie der Gravitation, die durch den sehr schnellen Zusammenbruch des inerten Eisenkerns freigesetzt wird, wird auf die äußeren Schichten übertragen. Dies reicht aus, um die beobachtete Explosion anzutreiben.

Ausführlicher:

Betrachten Sie die Energie eines idealisierten Modellsterns. Es hat einen "Kern" aus Masse und Anfangsradius und eine äußere Hülle aus Masse und Radius . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Angenommen, der Kern kollabiert auf einer so kurzen Zeitskala auf einen viel kleineren Radius dass er sich von der Hülle entkoppelt. Die Menge der freigesetzten potentiellen Gravitationsenergie wird . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Ein Teil dieser freigesetzten Energie kann in Form von nach außen gerichteten Stößen und Strahlung auf die Hülle übertragen werden. Wenn die übertragene Energie , um die Gravitationsbindungsenergie des Umschlags überschreitet kann die Hülle in den Raum geblasen werden. $\sim Gm^2/r$

In einem explodierenden Stern (eine Typ-II-Kernkollaps-Supernovae) sind km, km und km. Die Kernmasse beträgt und die Hüllmasse beträgt . Der dichte Kern besteht hauptsächlich aus Eisen und wird durch den Druck der Elektronendegeneration gestützt . Dem Stern soll der Treibstoff ausgegangen sein, da bei Fusionsreaktionen mit Eisenkernen keine nennenswerten Energiemengen freigesetzt werden. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

Der Zusammenbruch wird ausgelöst, weil das Kernbrennen um den Kern herum andauert und somit die Kernmasse allmählich zunimmt und dabei allmählich schrumpft (eine Besonderheit von Strukturen, die durch den Entartungsdruck unterstützt werden), die Dichte zunimmt und dann entweder durch Elektronen eine Instabilität eingeführt wird Einfangreaktionen oder Photodesintegration von Eisenkernen. In beiden Fällen werden Elektronen (die den Kern stützen) von Protonen zu Neutronen aufgespült, und der Kern kollabiert auf einer Zeitskala für den freien Fall von s! $\sim 1$

Der Zusammenbruch wird durch die starke Kernkraft und den Druck der Neutronenentartung aufgehalten. Der Kern springt auf; eine Stoßwelle reist nach außen; Der größte Teil der Gravitationsenergie wird in Neutrinos gespeichert und ein Teil davon wird auf den Schock übertragen, bevor die Neutrinos entkommen und die äußere Hülle vertreiben. Eine ausgezeichnete beschreibende Darstellung dieses und des vorhergehenden Absatzes kann eingelesen werden Woosley & Janka (2005) .

Zahlen eingeben.

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

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

Man muss also nur 1% der freigesetzten potentiellen Energie des kollabierenden Kerns auf die Hülle übertragen, um die Supernova-Explosion auszulösen. Dies ist eigentlich noch nicht im Detail verstanden, obwohl Supernovae irgendwie einen Weg finden, dies zu tun.

Ein entscheidender Punkt ist, dass der schnelle Zusammenbruch nur im Kern des Sterns stattfindet. Wenn der gesamte Stern zusammenbrechen würde, würde der größte Teil der potentiellen Gravitationsenergie als Strahlung und Neutrinos entweichen und es würde nicht einmal genügend Energie vorhanden sein, um den Zusammenbruch rückgängig zu machen. Im Kern Zusammenbruch Modell, die meisten (90% +) der freigesetzten Gravitationsenergie wird als Neutrinos verloren, aber was bleibt , ist noch leicht ausreichen , um die nicht kollabierte zu entbinden Umschlag . Der kollabierte Kern bleibt gebunden und wird entweder zum Neutronenstern oder zum Schwarzen Loch.

Eine zweite Möglichkeit, einen Stern (einen Weißen Zwerg) zur Explosion zu bringen, ist eine thermonukleare Reaktion. Wenn Kohlenstoff und Sauerstoff in Kernfusionsreaktionen entzündet werden können, wird genügend Energie freigesetzt, um die Gravitationsbindungsenergie des Weißen Zwergs zu überschreiten. Dies sind Supernovae vom Typ Ia.

— Rob Jeffries
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Es ist erwähnenswert, dass Modelle von Kernkollaps-Supernovae im Allgemeinen nicht konsequent Supernovae produzieren konnten. In Simulationen kommt der Schock normalerweise zum Stillstand, und selbst wenn dies nicht der Fall ist, haben Simulationen normalerweise Schwierigkeiten, die beobachteten Leuchtstärken anzupassen. Die Einleitung zu diesem Artikel

— J. O'Brien Antognini

Meine Frage wäre im Großen und Ganzen, warum sie explodiert und nicht ereignislos wechselt, wenn der Punkt der Stabilität durch einen beliebigen Parameterraum wandert. Ist der entscheidende Punkt, dass, wenn Sie genug Temperatur / Dichte haben, um Protonen und Elektronen zusammen zu stauen, das, was alles hält, plötzlich entfernt wird, so dass es fällt, die Dichte weiter erhöhen kann, mehr entfernt ... aber warum dann wieder nicht? Ist das ein Prozess, der "langsam" hochfahren und etwas Stabilität bewahren kann? Sicher geht der Stern nicht von keinen Elektronenfängen zu allen Elektronenfängen?

— Nick T

@ J.O'BrienAntognini In der Tat können sich die Modelle schwer tun, herauszufinden, wie sie die 1% der benötigten Energie übertragen können - wie ich oben angedeutet habe. Aber echte Sterne haben es herausgefunden und niemand bestreitet, was die Energiequelle ist.

— Rob Jeffries

@ NickT es ist in der Tat eine außer Kontrolle geratene Instabilität. Das Einfangen von Elektronen erfolgt bei einer Schwellendichte, weil die entarteten Elektronen eine deutliche, dichteabhängige maximale Energie haben (sie haben keine Maxwellsche Verteilung). Dieses Verschwinden von Elektronen verringert den Druck, so dass der Stern zusammenbricht und die Dichte und damit die maximale Energie der entarteten Elektronen erhöht, wodurch immer mehr von ihnen an der Neutronisierung teilnehmen können. Das Ergebnis ist ein völliger Zusammenbruch innerhalb einer Sekunde nach Beginn.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Dies ist wahr, obwohl auch zu beachten ist, dass es durchaus sein kann, dass ein erheblicher Anteil massereicher Sterne an Supernovae gescheitert ist! Einige Stars haben es sicherlich herausgefunden, aber es ist nicht unbedingt so, dass sie es alle haben! Es gibt einige lockere Einschränkungen, die den Anteil der fehlgeschlagenen Supernova zwischen 5 und 50% liegen lassen: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini,

In einfacheren Schritten eine Antwort geben. (Ja, sehr vereinfacht, aber es sollte das Grundkonzept einführen).

Ein Stern "brennt" durch Kernfusion von leichteren Elementen wie Wasserstoff zu Helium. Die Hitze und Energie dieses Brennens treibt die Materie im Inneren des Sterns ständig an und hält sie hoch. Der schmelzende Wasserstoff erzeugt genug Energie, um zu verhindern, dass er ins Zentrum hinunterfällt.

Wenn dem Stern der Treibstoff ausgeht, wird das "Feuer" kälter und das Herausdrücken schwächer.

Schließlich reicht der Stoß nicht aus, um den Stern auseinander zu halten, und alles rast wieder zusammen. Dieser Zusammenbruch setzt eine große Energiemenge frei, die die Explosion verursacht.

— Tim B
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"Wenn dem Stern der Treibstoff ausgeht, wird das" Feuer "kälter und das Herausdrücken schwächer." Die Temperatur im Kern eines Sterns steigt während seines gesamten Lebens bis zur Supernova-Explosion weiter an.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Ich behaupte nicht, ein Experte zu sein, aber ich verstehe, dass dies auf einen Gravitationskollaps zurückzuführen ist, der potenzielle Energie anstelle von Wärme aus der laufenden Fusion freisetzt. Das "Feuer" ist kälter geworden, aber andere Faktoren übernehmen.

— Tim B

Die Umwandlung von potentieller Gravitationsenergie in Wärme ist bestenfalls minimal. Der Temperaturanstieg ist eigentlich auf die fortgesetzte Verschmelzung von immer schwereren Elementen im Kern zurückzuführen. Lesen Sie zum Beispiel diese Wiki-Seite .

— Zephyr

Nett und kurz, aber ich würde dieser Beschreibung den Begriff "Sprungkraft" hinzufügen, wie es Rob Jeffries tat. Es ist lebendig und würde Ihre Beschreibung besser ergänzen als "Verursacht die Explosion"

— Mike Wise

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