Как взрываются сверхновые

[omelivs]

Обычно этот процесс описывается примерно так: ядерный синтез превращает водород в гелий, энергия синтеза противостоит гравитации, и звезда находится в стабильном состоянии. Потом из гелия синтезируются более тяжелые вещества вплоть до железа. На железе синтез завершается, давления изнутри больше нет, и под действием гравитации звезда обрушивается внетрь себя. Это занимает доли секунды. Я не могу понять, почему при уменьшении количества топлива звезда не сжимается пропорционально и постепенно, ведь с уменьшением количества топлива энергия синтеза тоже должна уменьшаться постепенно, и сжатие под действием гравитации тоже должно идти постепенно. Иными словами, почему синтез замедляется постепенно, а коллапс происходит мгновенно?

[any1ne]

Заголовок поправьте.

[Monstr]

Вообще железо, можно сказать, не синтезируется в ядерном горении в звездах малых и средних масс. Для его синтеза нужны огромные температуры и массы, то есть условия, которые выполняются в массивных звездах, таких мало. И они же и кончают жизнь самовзрыванием. Для звезд малых масс ядерные процессы заканчиваются уже на горении гелия, а у совсем малых масс даже и он не загорается. И внутреннее давление продолжает держать звезду.

У звезд, которые взрываются, топливо не кончается. Оно кончается в центре, но продолжает гореть в околоядерных слоях. У предсверхновой могут одновременно в разных местах гореть и водород и гелий и углерод. Поэтому и нет резких "скачков". Самый резкий "скачок" претерпевает звезда во время загорания гелия, это явление называют гелиевой вспышкой. Говорить, что звезда сжимается при ядерном горении, неправильно. Реально она расширяется, а сжимается ядро. И чем больше сжимается, тем больше температура. Но так не продолжается бесконечно, и при некоторых условиях происходит вдавливание электронов в протоны с образованием нейтронов. В этой реакции теряется энергия, уносимая нейтрино, что заставляет ядро резко сжиматься и оно как-бы отделяется от оболочки звезды, которая буквально падает вниз, как если бы из-под вас убрали стул. Поэтому и простое горение внутри звезды идет плавно, а коллапс крайне быстро.   Падение звезды внутрь себя порождает ударную волну, которая 1) зажигает вещество 2) разносит звезду в пух и прах 3) действует очень быстро.

[Kweni]

ядерный синтез превращает водород в гелий, энергия синтеза противостоит гравитации, и звезда находится в стабильном состоянии.

Гравитации противостоит вовсе не энергия синтеза, а давление газа. Сила гравитации стремится сжать звезду, сила давления газа стремится ее расширить. Эти две силы точно уравновешивают друг друга,  в обычной звезде равновесие это устойчиво, и характерное время установления этого равновесия – десятки минут. То есть, если мы возьмем инопланетный звездосжиматель и мгновенно сожмем Солнце на 10%, оно начнет снова расширяться, претерпит несколько колебаний радиуса с периодом 40 минут, которые затухнут из-за трения, и Солнце вернётся в своё прежнее состояние.

Синтез принимает участие в процессе лишь в том, что он поддерживает неизменной температуру этого газа, несмотря на непрерывный уход тепловой энергии во внешние слои и далее в космос, а следовательно – и необходимое давление. Это уже другое – тепловое равновесие между продукцией тепла внутри звезды и его излучением в космос. Тепловая энергия звезды приблизительно равна по модулю ее гравитационной энергии. Звезда излучает в пространство свою тепловую энергию, и, если не будет пополнения этой энергии за счет термоядерных реакций, то уменьшение тепловой энергии будет сопровождаться медленным сжатием звезды. И наоборот, если из-за увеличения скорости термоядерных реакций тепловая энергия вырастет, соответственно изменится и гравитационная энергия: звезда расширится. Характерное время установления этого равновесия – десятки миллионов лет.

Потом из гелия синтезируются более тяжелые вещества вплоть до железа. На железе синтез завершается, давления изнутри больше нет, и под действием гравитации звезда обрушивается внетрь себя.

На железе синтез вовсе не завершается. Синтезируются и более тяжелые элементы (s-процесс), хотя и в меньшем количестве. Просто их синтез идет не с выделением, а с поглощением энергии. В ядре одновременно происходит целая куча реакций. Пока топлива много, реакции с выделением энергии преобладают. Но когда в центре звезды оно заканчивается, равновесие нарушается. Ядро звезды начинает сжиматься (медленно), при этом оно нагревается. Но ядра элементов не бесконечно устойчивы к нагреванию. При такой высокой температуре, как в центре звезды в это время, обычное тепловое излучение – это жёсткие гамма-кванты, у которых достаточно энергии, чтобы развалить при столкновении ядро железа на 13 альфа-частиц. Наступает момент, когда эта реакция начинает преобладать, и тогда наступает быстрый коллапс (достаточно быстрый, чтобы из этих альфа- частиц не успело синтезироваться опять что-то тяжёлое), потому что затрачиваемая на распад ядер энергия черпается фактически из освобождаемой при сжатии ядра отрицательной потенциальной гравитационной энергии. То есть происходит сжатие, которое не сопровождается увеличением давления, в отличие от случая устойчивой звезды, поскольку диссоциация ядер представляет собой фазовый  переход первого рода — энергия расходуется на изменение  внутренних степеней свободы частиц, а не на увеличение энергии их теплового движения, которое определяет давление обычного невырожденного газа. Одновременно коллапсу помогают ещё несколько процессов – нейтронизация, унос энергии из центра звезды посредством нейтрино, эффекты теории относительности и др.

Я не могу понять, почему при уменьшении количества топлива звезда не сжимается пропорционально и постепенно, ведь с уменьшением количества топлива энергия синтеза тоже должна уменьшаться постепенно, и сжатие под действием гравитации тоже должно идти постепенно. Иными словами, почему синтез замедляется постепенно, а коллапс происходит мгновенно?

Потому что это неправильное описание процесса. У нас не одно, а два равновесия: равновесие между давлением  и гравитацией, и равновесие между теплопродукцией в ходе реакций внутри звезды и излучением тепла в космос. Изменение количества топлива в центре звезды и переход с одного топлива на другое непосредственно влияют на второе равновесие, а не на первое, поэтому сжатие и расширение звезды в этих процессах медленное. Но наступает момент, когда нарушается первое равновесие, и вот тогда происходит быстрый коллапс.

[Ly_S]

Может очень массивные звёзды,где-то  около 150 масс Солнца,быстро выгорая и в момент
сброса оставшейся оболочки,сбрасывают ещё и внешнюю часть ядра звезды,
а внутренняя часть ,что более плотная-остаётся ,и становится уже НЗ, пульсаром.

[Diman]

Автор темы тролль что-ли?
Про сверхновые в интернете и на форуме полно информации!

[-Юрий-]

Про сверхновые в интернете и на форуме полно информации!

И ни в одном нет полного описания этого процесса. Сколько книг читаешь, и в каждой чего-то новое узнаёшь о взрыве Сверхновой. Вот я уже прочитал несколько книг и статей об этом, но тем не менее из размещённых здесь ответов узнал что-то новое. Автор, видимо, так же. Ведь, судя по его вопросу, он кое-чего знает об этом процессе. Но не всё.

[Monstr]

И ни в одном нет полного описания этого процесса.

Вы действительно хотите полное описание?
Тогда в книгах много не найти, разве что в монографиях. А лучше в статьях.
Начните поиск с авторов, например, Woosley S.E. and Weaver T.A., "The Evolution and Explosion of Massive Stars. II. Explosive Hydrodynamics and Nucleosynthesis", Astrophys. J. Suppl. Ser., 1995, vol 101,  p. 181
http://cdsads.u-strasbg.fr/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=1995ApJS..101..181W&db_key=AST

[dims]

ведь с уменьшением количества топлива энергия синтеза тоже должна уменьшаться постепенно

Почему?

[-Юрий-]

с уменьшением количества топлива энергия синтеза тоже должна уменьшаться постепенно

Наверно можно провести такую аналогию: с уменьшением количества бензина в бензобаке, мощность двигателя не уменьшается.

[-Юрий-]

Вы действительно хотите полное описание?
...
http://cdsads.u-strasbg.fr/cgi-bin/nph-bib_query?bibcode=1995ApJS..101..181W&db_key=AST

Это уж совсем круто! Нам бы чего попроще, популярно изложенное.

[Valenock]

с уменьшением количества бензина в бензобаке, мощность двигателя не уменьшается

Неплохое сравнение для понимания процесса.

[Maxim Barkov]

Может очень массивные звёзды,где-то  около 150 масс Солнца,быстро выгорая и в момент
сброса оставшейся оболочки,сбрасывают ещё и внешнюю часть ядра звезды,
а внутренняя часть ,что более плотная-остаётся ,и становится уже НЗ, пульсаром.

Масса 150 солнц намекает на механизм взрыва СН вызванный образованием пар.
При таком механизме происходит термоядерный взрыв при выгорании Углерода-Кислорода.
После такого взрыва ЧД не образуется, ядро звезды разлетается вместе с оболочкой.

Одна из последних работ по 3Д расчетам корколлпс сверхновых можно найти здесь
http://esoads.eso.org/abs/2012ApJ...755...11K
Проблемма в том, что многомерность важна, все предыдущие расчеты взрывались практически руками.
Только последние 3-5 лет несколько груп стали взрывать честно.
До сих пор не удается воспроизвести в числах процес взрыва, но прогресс не стоит на месте и лет через 10 можно ожидать реалистичных моделей взрывов и еще лет через 10 описание их в популярной литературе.

[Ly_S]

Масса 150 солнц намекает на механизм взрыва СН вызванный образованием пар.
При таком механизме происходит термоядерный взрыв при выгорании Углерода-Кислорода.
После такого взрыва ЧД не образуется, ядро звезды разлетается вместе с оболочкой.

Радиус туманности 55 св.лет,а пульсар находится в центре.
Неужели за времени прошедшее после такого мощного взрыва,
соседнее в паре,осталось бы неизменно в центре туманности?

[Maxim Barkov]

На железе синтез вовсе не завершается. Синтезируются и более тяжелые элементы (s-процесс), хотя и в меньшем количестве. Просто их синтез идет не с выделением, а с поглощением энергии. В ядре одновременно происходит целая куча реакций. Пока топлива много, реакции с выделением энергии преобладают. Но когда в центре звезды оно заканчивается, равновесие нарушается. Ядро звезды начинает сжиматься (медленно), при этом оно нагревается. Но ядра элементов не бесконечно устойчивы к нагреванию. При такой высокой температуре, как в центре звезды в это время, обычное тепловое излучение – это жёсткие гамма-кванты, у которых достаточно энергии, чтобы развалить при столкновении ядро железа на 13 альфа-частиц. Наступает момент, когда эта реакция начинает преобладать, и тогда наступает быстрый коллапс (достаточно быстрый, чтобы из этих альфа- частиц не успело синтезироваться опять что-то тяжёлое), потому что затрачиваемая на распад ядер энергия черпается фактически из освобождаемой при сжатии ядра отрицательной потенциальной гравитационной энергии. То есть происходит сжатие, которое не сопровождается увеличением давления, в отличие от случая устойчивой звезды, поскольку диссоциация ядер представляет собой фазовый  переход первого рода — энергия расходуется на изменение  внутренних степеней свободы частиц, а не на увеличение энергии их теплового движения, которое определяет давление обычного невырожденного газа. Одновременно коллапсу помогают ещё несколько процессов – нейтронизация, унос энергии из центра звезды посредством нейтрино, эффекты теории относительности и др.

Необходимо сделать несколько уточнений.
То что вами описано, соответстует начальным звездным массам от 130 до 10.
Это важно т.к. при более высоких массах начинают образоваваться пары, которые приводят к поджатию ядра и последующему взрыву. При массах меньше 10 ядро оказывается вырожденным и его давление перестает зависеть от температуры - формируем белый карлик.
Окончание горения продуктами железного пика является хорошим приближением.
Развал железа происходит не одним гамма квантом, а последовательно несколькими фотонами. (Энергия связи ядра железа 120 МэВ, развал начинается при температуре 0.5 МэВ, обычно, энергия "разваливающего"-взаимодействующего кванта в 10 раз выше средней, что ближе к 10 МэВ. Т.е. требуется порядка 10 квантов для развала ядра железа).
Гелий не сгорает обратно в железо не потому что у него нет на это времени при падении, а потому что темп развала ядер только увеличивается.
Рост давления происходит при сжатии, но не достаточно быстрый чтобы компенсировать нарастающую силу тяготения.
После сжатии ядра звезды до радиуса 100-200 км, гравитационная энергия уже превышает ядерную энергию связи для любого ядра.
Уже с радиуса порядка 1000 км происходит свободное падение вещества, которое останавливается давлением вырожденных нейтронов (скажем так).
Давления нейтронов может оказаться не достаточно и ядро может схлопнуться в черную дыру.

Примерно так начинается коллапс ядра звезды, а собственно взрыв происходит уже после отскока вещества от протонейтронной звезды, формирования ударной волны,
развития бурной конвекции под фронтом ударной волны.
Нейтринный нагрев компенсируется потерей энергии на нейтринное охлаждене и развал тяжелых ядер.
Конвекция усиливает процессы нейтринного нагрева областей приближенных к фронту ударной волны и это позволяет уйти ударной волне наружу.

[Maxim Barkov]

Радиус туманности 55 св.лет,а пульсар находится в центре.
Неужели за времени прошедшее после такого мощного взрыва,
соседнее в паре,осталось бы неизменно в центре туманности?

Не понял, что вы хотели сказать? Какой объект обсуждаете?

[Ly_S]

Радиус туманности 55 св.лет,а пульсар находится в центре.
Неужели за времени прошедшее после такого мощного взрыва,
соседнее в паре,осталось бы неизменно в центре туманности?

Не понял, что вы хотели сказать? Какой объект обсуждаете?

Масса 150 солнц намекает на механизм взрыва СН вызванный образованием пар.

А как это понимать,про образование пар?

[sherr]

электрон-позитронных, вестимо ...

[Maxim Barkov]

Радиус туманности 55 св.лет,а пульсар находится в центре.
Неужели за времени прошедшее после такого мощного взрыва,
соседнее в паре,осталось бы неизменно в центре туманности?

Не понял, что вы хотели сказать? Какой объект обсуждаете?

Масса 150 солнц намекает на механизм взрыва СН вызванный образованием пар.

А как это понимать,про образование пар?

Быстрое динамическое сжатие ядра вызвано не развалом железа, а рождением пар. После чего усиливаются реакции термоядерного горения, которые разносят звезду.
Если звезда имеет массу близкую к 130 Массам солнца, то взрыв не единый, а состоит из нескольких пульсаций.

[VLG]

Давления нейтронов может оказаться не достаточно и ядро может схлопнуться в черную дыру.Примерно так начинается коллапс ядра звезды, а собственно взрыв происходит уже после отскока вещества от протонейтронной звезды, формирования ударной волны, развития бурной конвекции под фронтом ударной волны.

вот тут возникает очень интересный момент. Очевидно, что в случае  образования черной дыры ударной волны не образуется, то есть вспышки сверхновой не будет вообще. Странная картина - сверхновая без вспышки сверхновой. И сразу вспоминается Кассиопея А...