¿Por qué explotan las estrellas?

Siempre escucho al narrador de documentales decir que una estrella explotó porque se quedó sin combustible. Por lo general, las cosas explotan cuando tienen demasiado combustible, no cuando se quedan sin combustible. Por favor explique...

Respuesta corta:

Una pequeña fracción de la energía potencial gravitacional liberada por el colapso muy rápido del núcleo de hierro inerte se transfiere a las capas externas y esto es suficiente para impulsar la explosión observada.

Con más detalle:

Considere la energía de una estrella modelo idealizada. Tiene un "núcleo" de masa y radio inicial R 0 y una envoltura externa de masa my radio r .$M$$R_0$$m$$r$

Ahora suponga que el núcleo colapsa a un radio mucho más pequeño en una escala de tiempo tan corta que se desacopla de la envolvente. La cantidad de energía potencial gravitatoria publicada será ~ G M 2 / R .$R \ll R_0$$\sim GM^2/R$

Una fracción de esta energía liberada puede transferirse a la envoltura en forma de choques y radiación hacia afuera. Si la energía transferida excede la energía de unión gravitacional de la envoltura entonces la envoltura puede volar al espacio.$\sim Gm^2/r$

En una estrella en explosión (supernovas de colapso del núcleo tipo II) km, R ∼ 10 km y r ∼ 10 8 km. La masa del núcleo es M ∼ 1.2 M ⊙ y la masa envolvente es m ∼ 10 M ⊙ . El núcleo denso está hecho principalmente de hierro y está soportado por la presión de degeneración de electrones . Se dice que la estrella "se quedó sin combustible" porque las reacciones de fusión con núcleos de hierro no liberan cantidades significativas de energía.$R_0\sim 10^4$$R\sim 10$$r \sim 10^8$$M \sim 1.2M_{\odot}$$m \sim 10M_{\odot}$

El colapso se desencadena porque la combustión nuclear continúa alrededor del núcleo y, por lo tanto, la masa del núcleo aumenta gradualmente y, al hacerlo, se reduce gradualmente (una peculiaridad de las estructuras apoyadas por la presión de degeneración), la densidad aumenta y luego se introduce una inestabilidad por el electrón capturar reacciones o fotodisintegración de núcleos de hierro. De cualquier manera, los electrones (que son los que proporcionan el soporte para el núcleo) son absorbidos por protones para formar neutrones y el núcleo se colapsa en una escala de tiempo de caída libre de s.$\sim 1$

El colapso se detiene por la fuerte fuerza nuclear y la presión de degeneración de neutrones. El núcleo rebota; una onda de choque viaja hacia afuera; La mayor parte de la energía gravitacional se almacena en neutrinos y una fracción de esta se transfiere al choque antes de que los neutrinos escapen, alejando la envoltura exterior. Un excelente relato descriptivo de este y el párrafo anterior se puede leer en Woosley y Janka (2005) .

Poniendo en algunos números. G m 2 / r = 3 × 10 44

Por lo tanto, solo se necesita transferir del orden 1% de la energía potencial liberada del núcleo que se colapsa a la envoltura para impulsar la explosión de supernova. En realidad, esto aún no se entiende en detalle, aunque de alguna manera las supernovas encuentran la manera de hacerlo.

Un punto clave es que el colapso rápido tiene lugar solo en el núcleo de la estrella. Si toda la estrella se derrumbara como una, entonces la mayor parte de la energía potencial gravitacional escaparía como radiación y neutrinos y no habría suficiente energía incluso para revertir el colapso. En el modelo de colapso del núcleo , la mayoría (90% +) de la energía gravitacional liberada se pierde como neutrinos, pero lo que queda todavía es fácilmente suficiente para deshacer la envoltura no colapsada . El núcleo colapsado permanece unido y se convierte en una estrella de neutrones o en un agujero negro.

Una segunda forma de hacer explotar una estrella (una enana blanca) es una reacción termonuclear. Si se puede encender el carbono y el oxígeno en las reacciones de fusión nuclear, entonces se libera suficiente energía para exceder la energía de unión gravitacional de la enana blanca. Estas son supernovas de tipo Ia.

Para dar una respuesta en turnos más simples. (Sí, muy simplificado, pero debería introducir el concepto básico).

Una estrella "arde" por fusión nuclear entre elementos más ligeros como el hidrógeno que se convierte en helio. El calor y la energía de ese ardor empujan constantemente la materia dentro de la estrella que la sostiene. El hidrógeno que se fusiona genera suficiente energía para evitar que pueda colapsar hacia el centro.

A medida que la estrella comienza a quedarse sin combustible, ese "fuego" se enfría y la expulsión se debilita.

Finalmente, el empuje no es suficiente para mantener a la estrella separada y todo se vuelve a juntar. Ese colapso libera una gran cantidad de energía que causa la explosión.