การยุบตัวของแกนกลางและการระเบิดของซูเปอร์โนวา

การสิ้นสุดของดาวฤกษ์มวลมาก หรือการจุดระเบิดอย่างรุนแรงของดาวแคระขาว ปลดปล่อยพลังงานในไม่กี่วินาทีมากกว่าที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมาตลอดช่วงชีวิตทั้งหมด โดยส่องสว่างกว่ากาแล็กซีชั่วขณะ และสร้างรวมถึงกระจายธาตุใหม่ๆ

Definition

การยุบตัวของแกนกลางคือการยุบตัวอย่างรุนแรงของแกนเหล็กของดาวฤกษ์มวลมากเมื่อมันมีมวลเกินกว่าที่ความดันความเสื่อมสภาพจะรองรับได้ และซูเปอร์โนวาคือการระเบิดที่สว่างไสวที่เกิดขึ้น ไม่ว่าจะจากการยุบตัวดังกล่าวหรือจากการแตกสลายด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ความร้อนของดาวแคระขาว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการยุบตัวของแกนเหล็กของดาวฤกษ์มวลมากเมื่อการค้ำจุนจากความเสื่อมสภาพล้มเหลว การกระเด้งกลับและกลไกที่ขับเคลื่อนด้วยนิวตริโนที่อาจฟื้นฟูคลื่นกระแทกที่หยุดชะงักเพื่อสร้างซูเปอร์โนวาจากการยุบตัวของแกนกลาง การระเบิดด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ความร้อนที่แตกต่างกันของดาวแคระขาวในฐานะซูเปอร์โนวาชนิด Ia การจำแนกประเภทสเปกตรัมของซูเปอร์โนวา และซากที่เหลือและการเสริมสร้างธาตุที่พวกมันทิ้งไว้เบื้องหลัง

Core questions

• อะไรเป็นตัวกระตุ้นการยุบตัวของแกนกลางของดาวฤกษ์มวลมาก?
• การยุบตัวกลายเป็นการระเบิดได้อย่างไร?
• ซูเปอร์โนวาแบบเทอร์โมนิวเคลียร์และแบบแกนกลางยุบตัวแตกต่างกันอย่างไร?
• ซูเปอร์โนวาเหลืออะไรไว้เบื้องหลัง?

Key concepts

• การยุบตัวของแกนเหล็ก
• การกระเด้งกลับของแกนกลาง
• กลไกที่ขับเคลื่อนด้วยนิวตริโน
• ซูเปอร์โนวาชนิด Ia
• ซูเปอร์โนวาชนิด II
• ซากซูเปอร์โนวา
• เทียนมาตรฐาน

Key theories

การยุบตัวของแกนเหล็กและกลไกนิวตริโน

เมื่อแกนเหล็กมีมวลเกินกว่ามวลจันทรเศขรที่มีประสิทธิภาพ มันจะยุบตัวลงจนกระทั่งความหนาแน่นระดับนิวเคลียร์หยุดมันไว้ ทำให้เกิดคลื่นกระแทกที่หยุดชะงัก; พลังงานที่สะสมโดยฟลักซ์นิวตริโนที่รุนแรงเชื่อกันว่าจะฟื้นฟูคลื่นกระแทกและขับเคลื่อนการระเบิด ทิ้งดาวนิวตรอนหรือหลุมดำไว้เบื้องหลัง

ซูเปอร์โนวาชนิด Ia แบบเทอร์โมนิวเคลียร์

ดาวแคระขาวคาร์บอน-ออกซิเจนที่ถูกผลักเข้าใกล้ขีดจำกัดจันทรเศขรโดยการสะสมมวลหรือการรวมตัว จะจุดระเบิดการเผาไหม้เทอร์โมนิวเคลียร์ที่ควบคุมไม่ได้ซึ่งทำให้ดาวทั้งดวงแตกสลาย; เนื่องจากการระเบิดเหล่านี้มีความสม่ำเสมอสูง จึงทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้ระยะทางจักรวาลที่สามารถปรับมาตรฐานได้

Mechanisms

ในดาวฤกษ์มวลมาก แกนเหล็กที่เฉื่อยชาจะเติบโตขึ้นจนกระทั่งมีมวลเกินกว่าที่ความดันความเสื่อมสภาพจะรองรับได้ จากนั้นจะยุบตัวลงภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งวินาที แกนกลางด้านในจะแข็งตัวขึ้นที่ความหนาแน่นระดับนิวเคลียร์และกระเด้งกลับ แต่คลื่นกระแทกจะหยุดชะงักจนกระทั่งนิวตริโนที่ไหลออกมาจากดาวนิวตรอนแรกเริ่มสะสมพลังงานเพียงพอที่จะจุดชนวนมันอีกครั้ง ทำให้เปลือกนอกหลุดออกไป ในทางกลับกัน ในดาวแคระขาว การหลอมรวมคาร์บอนที่ควบคุมไม่ได้จะปลดปล่อยพลังงานเพียงพอที่จะทำให้ดาวทั้งดวงแตกสลาย

Clinical relevance

ซูเปอร์โนวาจะกระจายธาตุหนักที่เสริมสร้างกาแล็กซีและเป็นเมล็ดพันธุ์ของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ดวงใหม่ ขับเคลื่อนคลื่นกระแทกระหว่างดวงดาวและการเร่งความเร็วของรังสีคอสมิก ทิ้งดาวนิวตรอนและหลุมดำไว้เบื้องหลัง และในเหตุการณ์ชนิด Ia ยังเป็นเทียนมาตรฐาน (standard candles) ที่เปิดเผยการขยายตัวของเอกภพที่เร่งขึ้น

History

Baade และ Zwicky บัญญัติศัพท์ซูเปอร์โนวาในปี 1934 และเชื่อมโยงกับการก่อตัวของดาวนิวตรอน Colgate, Arnett, Bethe และคนอื่นๆ ได้พัฒนาการกลไกที่ขับเคลื่อนด้วยนิวตริโน และซูเปอร์โนวา 1987A ในเมฆมาเจลลันใหญ่ได้ให้การตรวจจับนิวตริโนครั้งแรกจากแกนกลางที่ยุบตัว

Debates

ความแข็งแกร่งของกลไกการระเบิดที่ขับเคลื่อนด้วยนิวตริโน

การจำลองการระเบิดจากการยุบตัวของแกนกลางที่ประสบความสำเร็จนั้นเป็นเรื่องยากมานาน; ไม่ว่าการให้ความร้อนด้วยนิวตริโนที่ได้รับความช่วยเหลือจากความไม่เสถียรหลายมิติจะเพียงพอหรือไม่ หรือว่าการหมุนและสนามแม่เหล็กมีความจำเป็นในบางกรณีหรือไม่ ยังคงอยู่ภายใต้การตรวจสอบอย่างแข็งขัน

Key figures

• Fritz Zwicky
• Walter Baade
• Hans Bethe
• Stanford Woosley

Seminal works

• woosley2002
• baade1934

Frequently asked questions

ทำไมแกนกลางที่ยุบตัวจึงระเบิดแทนที่จะยุบตัวลงไปเฉยๆ?

แกนกลางด้านในจะแข็งตัวขึ้นอย่างกะทันหันที่ความหนาแน่นระดับนิวเคลียร์และกระเด้งกลับ ทำให้เกิดคลื่นกระแทก; แม้ว่าคลื่นกระแทกนี้จะหยุดชะงัก แต่ฟลักซ์นิวตริโนมหาศาลที่หลุดออกมาจากดาวนิวตรอนแรกเกิดสามารถสะสมพลังงานที่อยู่เบื้องหลังมันได้เพียงพอที่จะจุดชนวนคลื่นกระแทกอีกครั้งและทำให้ชั้นนอกของดาวหลุดออกไป

ซูเปอร์โนวาทั้งหมดเหมือนกันหรือไม่?

ไม่ ซูเปอร์โนวามีสองประเภทหลัก: ซูเปอร์โนวาจากการยุบตัวของแกนกลางเป็นการสิ้นสุดของดาวฤกษ์มวลมากและทิ้งดาวนิวตรอนหรือหลุมดำไว้เบื้องหลัง ในขณะที่ซูเปอร์โนวาชนิด Ia เกิดจากการแตกสลายด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ความร้อนของดาวแคระขาวและไม่ทิ้งซากที่อัดแน่นไว้; พวกมันแตกต่างกันในสเปกตรัมและเส้นโค้งแสง