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...

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 R 0 et une enveloppe extérieure de masse m et de rayon r .$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 ~ G M 2 / R .$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, R ∼ 10 km et r ∼ 10 8 km. La masse centrale est M ∼ 1,2 M ⊙ et la masse enveloppe est m ∼ 10 M ⊙ . 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 = 3 × 10 44

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.

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.