なぜ星が爆発するのですか？

ドキュメンタリーの語り手が、スターは燃料を使い果たしたため爆発したといつも言っています。通常、物が燃え尽きるときではなく、燃料が多すぎるときに爆発します。説明してください...

star explosion

（十分に大きい）星には多くの問題があります。重力はこのすべての問題を重心でまとめようとするので、何かを押し戻す必要があります。星の場合、光を生成するコアの核融合プロセスは押し戻されます。ある時点で、星は燃料を使い果たし、「押し出し」が消えるので、すべてが中心に非常に急速に崩壊します。 その後、爆発します。

— するThorbjörnRavnアンデルセン

@ThorbjørnRavnAndersenキーポイントは、すべてが崩壊しているわけではないということです。その場合、放出された重力ポテンシャルエネルギーが崩壊を元に戻すにも不十分であり、爆発を引き起こします。コアのみが崩壊します。エンベロープは、宇宙に吹き飛ばされるまで、崩壊を至福の状態で知らないままです。

— ロブジェフリーズ

このSEでは「コメントとしての回答」が許可されていますか？

— dav1dsm17年

@ dav1dsm1thいいえ、どのSEでも許可されていません。ただし、これはかなり一般的な方法です。誰もが完全な答えを書く時間がないので、できることはすべて書き留め、誰かが一緒になって完全な答えに肉付けできることを願っています。

— セツ

@Setsu聞いてよかった。願わくば、これらのコメントが何らかの時点で（私のノイズを含めて）整理されることを願っています。

— dav1dsm1th

回答:

短い答え：

不活性鉄コアの非常に急速な崩壊によって放出された重力ポテンシャルエネルギーのごく一部が外層に移動し、これは観測された爆発を推進するのに十分です。

さらに詳細に：

理想化されたモデルスターのエネルギー論を考えてください。質量と初期半径「コア」と、質量と半径外側エンベロープを持っています。 $M$ $R_0$ $m$ $r$

今、コアははるかに小さい半径に崩壊したとそれは封筒から切り離すことのような短い時間スケール。リリース重力ポテンシャルエネルギーの量になります。 $R \ll R_0$ $\sim GM^2/R$

この放出されたエネルギーの一部は、外向きに移動する衝撃と放射の形でエンベロープに伝達されます。伝達されたエネルギーは、エンベロープの重力結合エネルギーを超える場合次に、包絡線は空間に吹き込むことができます。 $\sim Gm^2/r$

爆発スター（タイプIIコア崩壊超新星）における kmであり、キロメートル、キロ。コアの質量は、エンベロープ質量は、。高密度のコアは、ほとんどが鉄でできており、電子の縮退圧力によって支えられています。鉄原子核との核融合反応では、大量のエネルギーが放出されないため、この星は「燃料切れ」と言われています。 $R_0\sim 10^4$ $R\sim 10$ $r \sim 10^8$ $M \sim 1.2M_{\odot}$ $m \sim 10M_{\odot}$

崩壊は、核燃焼がコアの周囲で継続し、コアの質量が徐々に増加し、それにより徐々に収縮するために引き起こされます（縮退圧力によってサポートされる構造の特異性）、密度が増加し、その後、電子によって不安定性が導入されます鉄核の反応または光崩壊を捕捉します。いずれにせよ、電子（コアのサポートを提供するもの）は陽子によってモップアップされて中性子を形成し、コアは秒の自由落下タイムスケールで崩壊します！ $\sim 1$

強い核力と中性子の縮退圧力により崩壊は停止します。コアが跳ね返ります。衝撃波は外側に向かって進みます。重力エネルギーのほとんどはニュートリノに蓄積され、その一部はニュートリノが逃げる前に衝撃に伝達され、外側のエンベロープを追い出します。これと前の段落の優れた説明的な記述は、Woosley＆Janka（2005）で読むことができます。

いくつかの数字を入れます。

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

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

したがって、超新星爆発を引き起こすためには、崩壊するコアから放出されたポテンシャルエネルギーの1％をエンベロープに転送するだけです。これは実際にはまだ詳細に理解されていませんが、超新星はそれを行う方法を見つけています。

重要な点は、急速な崩壊が星の中心でのみ起こることです。星全体が1つに崩壊した場合、重力ポテンシャルエネルギーの大部分は放射とニュートリノとして逃げ、崩壊を逆転させるにもエネルギーが不十分になります。ではコア崩壊モデル、解放重力エネルギーの大半（90％+）がされニュートリノとして失ったが、どのような残っているのは、まだ沈胴バインド解除するように容易に十分であるエンベロープを。崩壊したコアは拘束されたままで、中性子星またはブラックホールになります。

星（白色d星）を爆発させる2番目の方法は、熱核反応です。核融合反応で炭素と酸素に点火できる場合、白色white星の重力結合エネルギーを超えるのに十分なエネルギーが放出されます。これらはタイプIa超新星です。

— ロブ・ジェフリーズ
ソース

コア崩壊型超新星のモデルは、通常、一貫して超新星を生成できなかったことに注意する価値があります。シミュレーションでは、通常、衝撃が失速し、これが起こらない場合でも、シミュレーションは通常、観測された光度を一致させるのが困難です。このペーパーの紹介は、この分野のいくつかの困難に対する優れた紹介です：adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...746..106P

— J.オブライエンアントニーニ

私の質問は、安定性のポイントがパラメーター空間をさまよいながら無事に移行するのではなく、なぜ爆発するのかということです。陽子と電子を一緒にジャムするのに十分な温度/密度がある場合、すべてを支えているものが突然すべて削除されるため、それが低下し、密度がさらに増加し、さらに削除されます...トンという「ゆっくり」立ち上げと、いくつかの安定性を維持することができるプロセス？確かに、星は電子捕獲なしからすべての電子捕獲に移行しませんか？

— ニックT

@ J.O'BrienAntognini実際、モデルは必要なエネルギーの1％を転送する方法を見つけるのに苦労する可能性があります。しかし、本当の星はそれを理解しており、エネルギー源が何であるかについて誰も異議を唱えていません。

— ロブジェフリーズ

@NickTそれは確かに暴走不安定です。縮退した電子は密度に依存する明確な最大エネルギーを持っているため（マックスウェル分布を持たないため）、電子の捕獲はしきい値密度で発生します。この電子の消失により圧力が低下するため、星が崩壊し、密度が増加し、したがって縮退電子の最大エネルギーが増加し、ますます多くの電子が中性子化に参加できるようになります。その結果、発症から数秒で完全に崩壊します。

— ロブジェフリーズ

@RobJeffriesこれは事実ですが、超新星に失敗した大質量星のかなりの部分が非常によくあることにも注意する必要があります！したがって、いくつかの星が確かにそれを理解しましたが、必ずしもすべての星がそうであるわけではありません！失敗した超新星の割合を5〜50％のどこかに置くいくつかの緩い制約があります：adsabs.harvard.edu/abs/2016arXiv161002402A

— J.オブライエンアントニーニ

より簡単な順番で答えを出すため。（はい、非常に単純化されていますが、基本的な概念を紹介する必要があります）。

星は、ヘリウムに変わる水素などの軽い元素間の核融合によって「燃えます」。その燃焼の熱とエネルギーは、恒星の内部の物質を常に押し上げます。融合する水素は、中心に崩壊するのを防ぐのに十分なエネルギーを生成します。

星が燃料を使い果たし始めると、「火」が冷たくなり、押し出しが弱くなります。

最終的には、プッシュだけではスターを引き離すのに十分ではなく、すべてが一緒に戻ります。その崩壊は、爆発を引き起こす膨大な量のエネルギーを放出します。

— ティム・B
ソース

「星が燃料を使い果たし始めると、「火」が冷たくなり、押し出しが弱くなります。」星の中心部の温度は、超新星爆発まで、その寿命を通して上昇し続けます。

— ロブジェフリーズ

@RobJeffries私は専門家であると主張していませんが、私の理解では、それは進行中の核融合からの熱ではなく、重力崩壊によるポテンシャルエネルギーの放出によるものだと思いますか？「火」は冷たくなりましたが、他の要因が引き継いでいます。

— ティムB

重力ポテンシャルエネルギーの熱への変換は、せいぜい最小限です。温度の上昇は、実際には、コア内のより重い元素とより重い元素の継続的な融合によるものです。たとえば、このwikiページを読んでください。

— ゼファー

短く簡潔ですが、Rob Jeffriesが行ったように、その説明に「バウンス」という用語を追加します。それは鮮やかで、「爆発を引き起こす」よりもあなたの説明をよりうまく終えるでしょう

— マイクワイズ

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