Pourquoi les étoiles explosent-elles?

J'entends toujours le narrateur de documentaires dire qu'une star a explosé parce qu'elle manquait de carburant. Habituellement, les choses explosent quand elles ont trop de carburant, pas quand elles manquent de carburant. S'il vous plaît, expliquez...

star explosion

— Camion Laurence mcLarry
source

Une étoile (assez grande) a beaucoup de matière. La gravité essaie de rassembler toute cette matière au centre de la masse, donc quelque chose doit repousser. Pour une étoile, le processus de fusion dans le noyau produisant de la lumière est celui qui repousse. À un moment donné, l'étoile manque de carburant et le «push out» disparaît de sorte que tout s'effondre très rapidement au centre. Puis ça explose.

— Thorbjørn Ravn Andersen

@ ThorbjørnRavnAndersen Un point clé est que tout ne s'effondre pas. S'il en était ainsi, l'énergie potentielle gravitationnelle libérée serait insuffisante, même pour inverser l'effondrement, et provoquer une explosion. Seul le noyau s'effondre. L'enveloppe reste parfaitement inconsciente de l'effondrement jusqu'à ce qu'elle soit soufflée dans l'espace.

— Rob Jeffries

Les "réponses en tant que commentaire" sont-elles autorisées sur cette SE?

— dav1dsm1th

@ dav1dsm1th Non, il n'est autorisé sur aucun SE. Cependant, c'est une pratique assez courante; tout le monde n'a pas le temps de rédiger une réponse complète, alors ils notent tout ce qu'ils peuvent et espèrent que quelqu'un pourra venir le développer en une réponse complète.

— Setsu

@Setsu Bon à entendre. Espérons que ces commentaires seront nettoyés à un moment donné (y compris mon bruit).

— dav1dsm1th

Réponses:

Réponse courte:

Une infime fraction de l'énergie potentielle gravitationnelle libérée par l'effondrement très rapide du noyau de fer inerte est transférée aux couches externes, ce qui est suffisant pour alimenter l'explosion observée.

Plus en détail:

Considérez l'énergétique d'une étoile modèle idéalisée. Il a un "noyau" de masse et de rayon initial et une enveloppe extérieure de masse et de rayon . $M$ $R_0$ $m$ $r$

Supposons maintenant que le noyau s'effondre dans un rayon beaucoup plus petit sur une échelle de temps si courte qu'il se dissocie de l'enveloppe. La quantité d'énergie potentielle gravitationnelle libérée sera . $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

Une fraction de cette énergie libérée peut être transférée à l'enveloppe sous forme de chocs et de rayonnements se déplaçant vers l'extérieur. Si l'énergie transférée dépasse l'énergie de liaison gravitationnelle de l'enveloppe alors l'enveloppe peut être soufflée dans l'espace. $\sim Gm^2/r$

Dans une étoile qui explose (supernovae d'effondrement d'un noyau de type II) km, km et km. La masse centrale est et la masse enveloppe est . Le noyau dense est principalement constitué de fer et soutenu par une pression de dégénérescence électronique . L'étoile aurait «manqué de carburant» car les réactions de fusion avec les noyaux de fer ne libèrent pas de quantités importantes d'énergie. $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

L'effondrement est déclenché parce que la combustion nucléaire continue autour du noyau et que la masse du noyau augmente progressivement et, ce faisant, elle rétrécit progressivement (une particularité des structures soutenues par la pression de dégénérescence), la densité augmente, puis une instabilité est introduite soit par l'électron réactions de capture ou photodésintégration des noyaux de fer. Quoi qu'il en soit, les électrons (qui fournissent le support au noyau) sont absorbés par les protons pour former des neutrons et le noyau s'effondre sur une échelle de temps de chute libre de s! $\sim 1$

L'effondrement est stoppé par la forte force nucléaire et la pression de dégénérescence des neutrons. Le noyau rebondit; une onde de choc se déplace vers l'extérieur; la majeure partie de l'énergie gravitationnelle est stockée dans les neutrinos et une fraction de celle-ci est transférée au choc avant que les neutrinos ne s'échappent, chassant l'enveloppe extérieure. Un excellent compte rendu descriptif de cela et du paragraphe précédent peut être lu dans Woosley & Janka (2005) .

Mettre en quelques chiffres.

g M^{2} / R = 4 \times {dix}^{46} J

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

g m^{2} / r = 3 \times {dix}^{44} J

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

Il suffit donc de transférer de l'ordre de 1% de l'énergie potentielle libérée du noyau qui s'effondre vers l'enveloppe afin de provoquer l'explosion de la supernova. En fait, cela n'est pas encore compris en détail, bien que les supernovae trouvent en quelque sorte un moyen de le faire.

Un point clé est que l'effondrement rapide n'a lieu qu'au cœur de l'étoile. Si l'étoile entière s'effondrait comme une seule, alors la majeure partie de l'énergie potentielle gravitationnelle s'échapperait sous forme de rayonnement et de neutrinos et il n'y aurait pas suffisamment d'énergie même pour inverser l'effondrement. Dans le modèle d'effondrement du cœur , la majeure partie (90% +) de l'énergie gravitationnelle libérée est perdue sous forme de neutrinos, mais ce qui reste est encore facilement suffisant pour délier l' enveloppe non effondrée . Le noyau effondré reste lié et devient soit une étoile à neutrons, soit un trou noir.

Une deuxième façon de faire exploser une étoile (une naine blanche) est une réaction thermonucléaire. Si le carbone et l'oxygène peuvent être enflammés dans les réactions de fusion nucléaire, alors suffisamment d'énergie est libérée pour dépasser l'énergie de liaison gravitationnelle de la naine blanche. Ce sont des supernovae de type Ia.

— Rob Jeffries
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Il convient de noter que les modèles de supernovae d'effondrement du cœur n'ont généralement pas produit de supernovas de manière cohérente. Dans les simulations, le choc se bloque généralement, et même lorsque cela ne se produit pas, les simulations ont généralement des difficultés à faire correspondre les luminosités observées. L'introduction à cet article présente une bonne introduction à certaines des difficultés dans le domaine: adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J. O'Brien Antognini

Ma question serait largement pourquoi explose-t-il plutôt que de passer sans incident alors que le point de stabilité erre à travers l'espace des paramètres. Est-ce le point clé que lorsque vous avez suffisamment de température / densité pour brouiller les protons et les électrons ensemble, que tout d'un coup supprime ce qui retient tout, alors il tombe, peut augmenter la densité, en supprime plus ... mais encore une fois pourquoi n'est-ce pas? t que d' un processus qui peut « lentement » montée en puissance et maintenir une certaine stabilité? Certes, l'étoile ne passe pas d'aucune capture d'électrons à toutes les captures d'électrons?

— Nick T

@ J.O'BrienAntognini En effet, les modèles peuvent avoir du mal à trouver comment transférer le 1% d'énergie nécessaire - comme je l'ai mentionné plus haut. Mais les vraies stars l'ont compris et personne ne conteste quelle est la source d'énergie.

— Rob Jeffries

@NickT c'est en effet une instabilité galopante. La capture d'électrons se produit à une densité seuil parce que les électrons dégénérés ont une énergie maximale distincte, dépendante de la densité (ils n'ont pas de distribution maxwellienne). Cette disparition des électrons réduit la pression, donc l'étoile s'effondre, augmentant la densité et donc l'énergie maximale des électrons dégénérés, permettant à de plus en plus d'entre eux de participer à la neutronisation. Le résultat est un effondrement total dans une seconde du début.

— Rob Jeffries

@RobJeffries C'est vrai, même s'il convient également de noter qu'il pourrait très bien être qu'une fraction substantielle d'étoiles massives qui ont échoué les supernovae! Alors que quelques stars l'ont certainement compris, ce n'est pas forcément le cas de toutes! Il y a des contraintes lâches qui placent la fraction de supernova échouée entre 5 et 50%: adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J. O'Brien Antognini

Pour donner une réponse dans des virages plus simples. (Oui très simplifié, mais il devrait introduire le concept de base).

Une étoile "brûle" par fusion nucléaire entre des éléments plus légers tels que l'hydrogène se transformant en hélium. La chaleur et l'énergie de cette combustion poussent constamment la matière à l'intérieur de l'étoile qui la maintient. L'hydrogène qui fusionne génère suffisamment d'énergie pour l'empêcher de s'effondrer au centre.

Au fur et à mesure que l'étoile commence à manquer de carburant, le «feu» se refroidit et la poussée s'affaiblit.

Finalement, la poussée n'est pas suffisante pour garder la star à part et tout se précipite ensemble. Cet effondrement libère une énorme quantité d'énergie qui provoque l'explosion.

— Tim B
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"Alors que l'étoile commence à manquer de carburant, le" feu "se refroidit et la poussée s'affaiblit." La température au cœur d'une étoile continue d'augmenter tout au long de sa vie jusqu'à l'explosion de la supernova.

— Rob Jeffries

@RobJeffries Je ne prétends pas être un expert mais ma compréhension est que cela est dû à l'effondrement gravitationnel libérant de l'énergie potentielle plutôt que de la chaleur de la fusion en cours? Le «feu» s'est refroidi mais d'autres facteurs prennent le dessus.

— Tim B

La conversion de l'énergie potentielle gravitationnelle en chaleur est au mieux minimale. L'augmentation de la température est en fait due à la fusion continue d'éléments de plus en plus lourds dans le cœur. Par exemple, lisez cette page wiki .

— zephyr

Agréable et court, mais j'ajouterais le terme "rebond" à cette description comme l'a fait Rob Jeffries. Il est vivant et terminerait votre description plus joliment que "provoque l'explosion"

— Mike Wise

@TimB Rob a raison sur la température. La façon la plus simple de voir qu'il doit en être ainsi est de noter que les étoiles massives passent par une série d'étapes de combustion nécessitant chacune des températures plus élevées que la précédente. Comme une star épuise le carburant de la scène

n

$n$ , il s'effondre et se réchauffe jusqu'à ce qu'il soit suffisamment chaud pour la scène

n + 1

$n+1$ brûler pour démarrer. Il vaut la peine de lire sur le théorème virial dans ce contexte, parce que ce qui se passe, il y a de l'énergie potentielle est convertie en énergie thermique.

— dmckee