A II - es típusú szupernóva egy összeomló maggal rendelkező szupernóva , amelyben egy hatalmas csillag gyors összenyomódása és ezt követő erőteljes robbanása következtében a csillag fényessége éles ( 10 8-10 10 - szeres ) növekedés következik be . Ahhoz, hogy egy ilyen robbanás lehetséges legyen, a csillag tömegének legalább 8-szor, de legfeljebb 40-50-szeresére kell haladnia a Nap tömegének ( M ʘ ) [1] . A szupernóvák osztályozása spektrumaik különbségén alapul, a II-es típusú szupernóvák pedig jellemzőik alapján azonosíthatók. hidrogén spektrális sorozata [2] . Az ilyen szupernóvákat általában a galaxisok spirális karjaiban és a H II régiókban figyelik meg , de nem az elliptikus galaxisokban .
A csillagokban energia szabadul fel az elemek termonukleáris fúziós reakcióinak eredményeként . A Naptól eltérően a nagy csillagok rendelkeznek a hidrogénnél és héliumnál nagyobb atomtömegű elemek termonukleáris fúziójához szükséges tömeggel. Mivel a csillag belsejében a hőmérséklet és a nyomás sokkal magasabb, az ilyen csillagok életciklusa rövidebb. Az elektronok taszító nyomása és a fúziós reakciók által generált energia elegendő ahhoz, hogy a csillag egyensúlyban legyen – amikor ezek a folyamatok ellenállnak a kompressziós erőnek, és megakadályozzák, hogy a csillag összeessen . A csillag egyre nagyobb tömegű elemeket olvaszt össze, kezdve a hidrogénnel és a héliummal , majd a periódusos rendszerben haladva vas és nikkel képződik . A vas és a nikkel termonukleáris fúziója nem biztosít elegendő energiakibocsátást a nehezebb elemek szintéziséhez, ezért a nikkel és a vas fokozatosan felhalmozódik a csillag központi zónájában, és a termonukleáris fúzióban részt vevő, csökkentett könnyűelem-tartalmú magot alkot. Az energiahiány miatt a külső nyomással szembeni ellenállás csökken, az egyensúly megbomlik, a központi magot összenyomja a csillag külső héjainak tömege.
Amikor az összenyomott központi mag tömege meghaladja a Chandrasekhar határértéket (körülbelül 1,4 Mʘ ), az elektron taszítási energia már nem elegendő a gravitációs összehúzódás ellensúlyozására. A mag katasztrofális összeomlása másodperceken belül megtörténik. Az összeomlott belső mag becsapódása nélkül a külső anyag a gravitációs erő hatására összeomlik, és eléri a fénysebesség 23%-át is , a gyors összehúzódás pedig 100 milliárd kelvinre emeli a belső mag hőmérsékletét . Ennek eredményeként neutronizációs reakciók kezdődnek , amelyek neutronokat és neutrínókat termelnek . Ez gyors energiaveszteséget okoz , amelyet a keletkező neutrínók magukkal vittek, és körülbelül 10 46 J (100 ellenség ) szabadul fel egy tíz másodperces robbanás alatt. A belső mag összeomlását a neutronok degenerációja állítja meg - az atommag nukleonjai (protonok, neutronok) közötti taszítás elkezd hatni, ami arra kényszeríti az implóziót, hogy megforduljon és kialudjon. Ennek a táguló lökéshullámnak az energiája elegendő ahhoz, hogy elpusztítsa a csillag külső rétegeit, és növelje sebességüket, szupernóva-robbanást hozva létre. A robbanás olyan erős, hogy lehetővé teszi a vasnál nehezebb elemek szintézisét [2] . A csillag kezdeti méretétől függően a mag maradványai neutroncsillagot vagy fekete lyukat alkotnak . A mögöttes mechanizmus miatt a létrejövő szupernóvát mag-összeomlási szupernóvának is nevezik.
A II. típusú szupernóva-robbanásoknak több kategóriája létezik, amelyeket a robbanás után kapott fénygörbe (a fény-idő grafikonja) alapján osztályoznak. A II-L típusú szupernóvák fénygörbéjük folyamatos lineáris csökkenést tapasztalnak egy robbanás után, míg a II-P típusú szupernóvák fénygörbéjük lassabb hanyatlásának (fennsík) periódusát, amelyet normál hanyatlás követ. Az Ib és az Ic típusú szupernóvák masszív, magból összeomló csillagok, amelyek hidrogén- és (Ic típusú) héliumhéjukat ontották. Ennek eredményeként ezek az elemek hiányoznak a spektrumból.
A Napnál sokkal nagyobb tömegű csillagok meglehetősen összetett módon fejlődnek . A csillagok magjában a héliumot hidrogénből szintetizálják hőenergia felszabadulásával , amely nyomást biztosít a táguló gáz számára. Ez a nyomás megóvja a csillagot a gravitációs összeomlástól , vagy más szóval létrehozza az úgynevezett csillag- vagy hidrosztatikus egyensúlyt . A keletkező hélium fokozatosan felhalmozódik, mivel a mag hőmérséklete még nem elég magas az égéshez és az új elemek szintéziséhez. Végül a magban lévő hidrogén elfogy, az égéséből felszabaduló energia csökken, a gravitáció pedig a mag zsugorodását okozza. Ez az összehúzódás annyira megemeli a hőmérsékletet, hogy egy rövidebb, héliummal segített fúziós fázist indítson el, amely a csillag teljes élettartamának kevesebb mint 10%-át teszi ki. A 8 napnál kisebb széntömegű csillagokban, amelyek a hélium fúziója során keletkeznek, nem lépnek fúziós reakciókba, és a csillag fokozatosan lehűl, és fehér törpévé válik [3] [4] . A fehér törpék, ha közeli társuk van egy vörös óriás formájában, Ia típusú szupernóvává válhatnak a szomszédjukból származó anyag felhalmozódása miatt [2] .
Egy nagyobb csillag azonban elég masszív ahhoz, hogy a következő kompresszió során, amikor a hélium is elfogy, a szén elkezd égni a magban. Ezeknek a hatalmas csillagoknak a központi részei vöröshagymaszerűen rétegessé válnak, ahogy nehezebb atommagok halmozódnak fel a közepén: a külső héjakban a hidrogén héliummá ég, majd egy héliumréteg szénné alakul egy hármas héliumreakció során . majd egyre nehezebb elemek rétegei vannak. Egy csillagban ez a folyamat folyamatosan fejlődik, ismétlődő szakaszokon megy keresztül: amikor a következő elem termonukleáris fúziója leáll, a mag összehúzódik, amíg a nyomás és a hőmérséklet elegendő lesz a fúzió következő szakaszának elindításához, amely leállítja a kompressziót [3] [ 4] .
Folyamat | Fő üzemanyag | Fő Termékek | Sztár 25 Mʘ [ 5] | ||
---|---|---|---|---|---|
Hőmérséklet ( K ) |
Sűrűség (g/ cm3 ) |
Időtartam | |||
Hidrogén égetése | hidrogén | hélium | 7×10 7 | tíz | 10 7 éves |
Háromszoros hélium reakció | hélium | szén , oxigén | 2×10 8 | 2000 | 10 6 éves |
Égő szén | szén | Ne , Na , Mg , Al | 8×10 8 | 10 6 | 10 3 év |
neon égő | neon | Ó , Mg | 1,6×10 9 | 10 7 | 3 év |
égő oxigén | oxigén | Si , S , Ar , Ca | 1,8×10 9 | 10 7 | 0,3 év |
Szilícium égés | szilícium | nikkel ( vasra bomlik ) | 2,5×10 9 | 10 8 | 5 nap |
A csillag égési folyamatát korlátozó tényező a termonukleáris fúzió során felszabaduló energia mennyisége , amely a nukleonokat az atommagban tartó kötési energiától függ . Minden további lépésben egyre nehezebb magok keletkeznek, amelyek összeolvadásakor egyre kevesebb energia szabadul fel. Ezenkívül a szén nukleáris elégetése során jelentős energiaveszteség következik be a csillagot könnyen elhagyó neutrínók révén , ami gyorsabb reakcióhoz vezet, mint más esetekben [6] . Ez addig folytatódik, amíg meg nem képződik a nikkel-56 , amely radioaktívan bomlik kobalt-56-tá , majd vas-56-tá több hónap alatt. Mivel az összes elem közül a vasnak és a nikkelnek van a legnagyobb az egy nukleonra jutó kötési energiája [7] , a csillagban lévő energiát nem lehet előállítani további fúzióval, és a nikkel-vas mag megnő [4] [8] . Ez a mag hatalmas gravitációs nyomás alatt van. Mivel nincs olyan energiaforrás, amely tovább növelné a csillag hőmérsékletét, a gravitációs összehúzódást csak az elektrontaszítási nyomás tartja vissza . Ebben az állapotban az anyag olyan sűrű, hogy a további sűrűsödéshez az elektronoknak ugyanazt az energiaszintet kell elfoglalniuk . Ez a helyzet azonban nem lehetséges azonos fermionos részecskék esetében, mint például az elektron, a Pauli-féle kizárási elv szerint .
Amikor az atommag tömege meghaladja a Chandrasekhar-határt , körülbelül 1,4 Mʘ -t, az elektrontaszítási nyomás már nem tudja visszatartani az összehúzódást, és katasztrofális összeomlás következik be [ 9] . A mag külső része 70 000 km/s ( a fénysebesség 23%-a ) sebességgel rohan a csillag középpontjába [10] . A gyorsan összehúzódó mag nagy energiájú gamma-sugarak kibocsátásával melegszik fel , amelyek a nukleáris fotoelektromos hatás révén vasmagokat hasítanak fel, héliummagokat és szabad neutronokat bocsátanak ki . Az atommag sűrűségének növekedésével a neutronizációs reakció energetikailag kedvezővé válik , amelyben az elektronok és a protonok inverz béta-bomlás révén egyesülnek , neutronokat és elemi részecskéket hozva létre, amelyeket neutrínóknak neveznek . Mivel a neutrínók ritkán lépnek kölcsönhatásba a normál anyaggal, könnyen kiszabadulhatnak az atommagból, energiát visznek el, és felgyorsítják az ezredmásodperceken belül bekövetkező összeomlást. Amikor a belső régió elválik a csillag külső rétegeitől, e neutrínók egy részét a csillag külső rétegei elnyelik, és teljesen feltáratlan módon szupernóva-robbanást indítanak el [11] .
A II. típusú szupernóvák esetében, amikor az atommag sűrűségéhez hasonló sűrűséget érnek el, az összeomlást végül a neutronok közötti taszító erők állítják meg. Ezek az erők az erős kölcsönhatásból és a neutronok degenerációs nyomásából adódnak. Amikor az összeomlás megáll, az összenyomódó anyag szétnyomódik, lökéshullámot hozva létre, amely kifelé terjed. Az atommaghasadási reakciók, valamint az elektronbefogási reakciók csökkenthetik a kilökődés energiáját és lelassíthatják a hullámot 100-200 kilométeres tartományban [12] .
A nukleáris összeomlás fázisa olyan rövid és energikus, hogy csak a neutrínók tudnak kiszabadulni. Ahogy a protonok és az elektronok elektronbefogás útján neutronokat alkotnak , elektronneutrínó jön létre . Egy tipikus II-es típusú szupernóvában az újonnan képződött neutronmag kezdeti hőmérséklete körülbelül 100 milliárd kelvin , ami 104- szerese a Nap magjának hőmérsékletének. Ennek a hőenergiának a nagy részét el kell veszíteni, különben lehetetlen stabil neutroncsillag kialakulása, mivel a neutronok egyszerűen „elforrnak”. Ezt az energiaszivárgást a neutrínók további kibocsátásával érik el [13] . Ezek a "termikus" neutrínók rezgések eredményeként jönnek létre, minden ízű neutrínó-antineutrínó párok formájában , amelyek többszöröse az elektronbefogás során felszabaduló neutrínóknak [14] . Ez a két neutrínótermelő mechanizmus az összeomlás gravitációs potenciális energiáját tíz másodperces neutrínókitöréssé alakítja át, mintegy 10 46 J (100 ellenség ) felszabadulásával [15] .
Egy tisztázatlan folyamat során a felszabaduló energiának (neutrínók formájában) körülbelül 1%-a, azaz 10 44 J (1 ellenség) visszanyeli a késleltetett lökéshullámot, ami szupernóva-robbanást okoz [12] . Az SN 1987A szupernóva által kibocsátott neutrínók arra a következtetésre vezették a vezető asztrofizikusokat, hogy a mag összeomlásának elméleti képe alapvetően helyes. A Kamiokande II és IMB vízműszerek termikus eredetű antineutrínókat [13] , míg a Baksan gallium-71 alapú műszer termikus eredetű vagy elektronbefogású neutrínókat ( leptonszám = 1) detektált.
Ha az eredeti csillag tömege kisebb, mint 20 M ʘ , akkor a robbanás erősségétől és az összeomló anyag mennyiségétől függően az újonnan képződött magmaradvány neutroncsillaggá válik [10] . Ha a tömeg nagyobb volt, akkor a maradék fekete lyukká változik [4] [16] . Az elméleti tömeghatár egy ilyen forgatókönyv esetén körülbelül 40-50 Mʘ . E határ felett a csillagról azt tekintik, hogy közvetlenül, szupernóva-robbanás nélkül átalakul fekete lyukkal [17] , bár a szupernóva-összeomlási modellek bizonytalansága miatt ezek a határértékek számításai pontatlanok.
A részecskefizikai szabványmodell olyan elmélet , amely leírja az összes anyagot alkotó elemi részecskék közötti négy ismert alapvető kölcsönhatás közül hármat . Ez az elmélet lehetővé teszi annak előrejelzését, hogy a részecskék hogyan fognak kölcsönhatásba lépni különböző körülmények között. A részecskék energiája egy szupernóvában általában egy-százötven picojoule ( tíztől százig MeV -ig terjed ) [18] . Ez az energia elég kicsi ahhoz, hogy a részecskefizikai standard modellből származó előrejelzések többnyire helyesek legyenek. A nagy sűrűség azonban megkövetelheti a standard modell módosítását [19] . Különösen a földi részecskegyorsítók kölcsönhatási helyzeteket hozhatnak létre olyan részecskék között, amelyek energiája sokkal nagyobb, mint a szupernóváké [20] . Ezekben a kísérletekben azonban a kölcsönhatás kisszámú részecske között megy végbe, és valószínű, hogy a szupernóva belsejében lévő nagy sűrűségek ismeretlen hatásokat keltenek. A neutrínók és a szupernóva más részecskéi közötti kölcsönhatások a gyenge nukleáris erőn keresztül jönnek létre , amelyet jól megértettek. A protonok és neutronok közötti kölcsönhatás azonban az erős nukleáris erőn keresztül valósul meg , amelyet sokkal kevésbé vizsgáltak [21] .
A II-es típusú szupernóvák fő megoldatlan problémája az, hogy nem világos, hogy a neutrínókitörés hogyan adja át energiáját a csillag többi részére, lökéshullámot hozva létre, amely a csillag felrobbanását okozza. A fenti vitából látható, hogy az energia mindössze egy százalékát kell átadni a robbanás létrejöttéhez. De nagyon nehéz megmagyarázni, hogyan megy végbe ez az energiaátviteli folyamat, bár úgy gondolják, hogy a kölcsönhatásban részt vevő részecskék jól tanulmányozottak. Az 1990-es években az egyik modell a konvekciós csere volt , abból a feltételezésből, hogy a konvekció – akár alulról, akár felülről hulló neutrínókkal – befejezi az őscsillag elpusztításának folyamatát. A vasnál nehezebb elemek keletkeznek a robbanás során a neutronok befogásával és a „neutrínógömb” határához nyomott neutrínók nyomásával. A szupernóva-robbanás gáz- és porfelhőt lövell ki a környező térbe, amely sokkal gazdagabb nehéz elemekben, mint az az anyag, amelyből a csillag eredetileg állt [22] .
A neutrínófizika , amelyet a Standard Modell modellez, kritikus fontosságú e folyamat megértéséhez [19] . A kutatás másik fontos területe a haldokló csillagot alkotó plazma hidrodinamikája . A plazma viselkedése a mag összeomlása során attól függ, hogy mikor és hogyan jön létre a „lökéshullám”, valamint attól, hogy mikor és hogyan „lassul le” és aktiválódik [23] .
Valójában egyes elméleti modellek hidrodinamikai instabilitást tartalmaznak egy elakadt lökéshullámban, amelyet „állandó akkréciós sokk-instabilitásnak” neveznek (SASI, Standing Accretion Shock Wave). Ez az instabilitás a felszaporodó lökéshullám nem sugárirányú perturbációinak kialakulásából adódik, deformálva azt, ami a lökéshullámnak a csillag külső rétegeibe való bejutásához és szupernóva-robbanáshoz vezethet [24] . A SASI-t gyakran használják a neutrínó-elméletekkel párhuzamosan a gátolt sokkaktiválás számítógépes szimulációiban [25] .
A számítógépes modellezés sikert hozott a II-es típusú szupernóvák viselkedésének kiszámításában a lökéshullám kialakulásának szakaszában. A robbanás első másodpercének figyelmen kívül hagyásával, és feltételezve, hogy a robbanás megindult, az asztrofizikusok részletes előrejelzéseket tudtak készíteni a szupernóva által létrehozott elemekről és a várható fénygörbéről [26] [27] [28] .
A II. típusú szupernóva spektruma jellemzően Balmer abszorpciós vonalakat jelenít meg , csökkentett fluxust jellemző frekvenciákon , ahol a hidrogénatomok energiát nyelnek el. E vonalak jelenléte a szupernóva e kategóriájának megkülönböztetésére szolgál az I. típusú szupernóvától .
Ha egy II-es típusú szupernóva fényességét egy idővonalon ábrázoljuk, akkor a fényesség jellegzetes csúcsát mutatja, amelyet hanyatlás követ. Ezek a fénygörbék átlagosan napi 0,008 magnitúdós csökkenést mutatnak ; sokkal alacsonyabb, mint az Ia típusú szupernóvák hanyatlása. A II. típus a fénygörbe alakjától függően két osztályra osztható. A II-L típusú szupernóva fénygörbéje folyamatos lineáris csökkenést mutat a maximális fényerő után. Ezzel szemben a II-P típusú szupernóva fénygörbéjének sajátos lapossága van (ezt platónak nevezik ) a hanyatlás során, amikor a fényesség lassabb ütemben csökken: 0,0075 magnitúdó naponta a II-P típusnál, szemben a napi 0,012 magnitúdóval a II-L típushoz [29] .
Feltételezések szerint a fénygörbék alakjának különbségét a II-L típusú szupernóvák esetében az anyacsillag hidrogénburkának nagy részének kilökődése okozza [29] . A II-P típusú szupernóvák platófázisát a külső réteg átlátszatlanságának változása okozza. A lökéshullám ionizálja a hidrogént a külső héjban - elűzi az elektront a hidrogénatomtól - ami az átlátszatlanság jelentős növekedéséhez vezet . Ez megakadályozza, hogy a fotonok kiszabaduljanak a robbanás belsejéből. Ha a hidrogén kellőképpen lehűl a rekombinációhoz, a külső réteg átlátszóvá válik [30] .
Az "N" a szűket jelenti, ami keskeny vagy közepes hidrogénemissziós vonalak jelenlétét jelzi a spektrumban. Az átlagos szélesség azt jelzi, hogy a robbanásból származó kilökődés erős kölcsönhatásba léphet a csillag körüli gázzal - a körkörös közeggel [31] [32] . A megfigyelt tulajdonságok magyarázatához szükséges becsült körkörös sűrűség jóval magasabb, mint a csillagfejlődés standard elmélete alapján várható [33] . Úgy gondolják, hogy a nagy körkörös sűrűség a IIn szupernóva megjelenése előtti nagy tömegveszteségnek köszönhető. A becsült tömegveszteségi értékek általában 10 -3 M ʘ yr -1 felett vannak . Vannak arra utaló jelek, hogy fényes kék változócsillagokként keletkeznek , nagy robbanás előtti tömegveszteséggel [34] . Az SN 1998S és az SN 2005gl a IIn típusú szupernóvák példái; Egy másik példa lehet az SN 2006gy , egy rendkívül aktív szupernóva [35] .
A IIb típusú szupernóva az eredeti spektrumban halvány hidrogénvonallal rendelkezik, ezért a II. Később azonban a hidrogén kibocsátása észrevehetetlenné válik, de van egy második csúcs a fénygörbében, amelynek spektruma inkább egy Ib típusú szupernóvára emlékeztet . Az ős egy hatalmas csillag lehet, amely a külső rétegeinek nagy részét kilökte, vagy hidrogénburokának nagy részét egy kettős rendszerben lévő társával való kölcsönhatás miatt veszítette el, és egy szinte teljes egészében héliumból álló magot hagyott maga után [36] . A IIb típusú kibocsátások bővülésével a hidrogénréteg gyorsan átlátszóbb lesz, és mélyebb rétegeket tár fel [36] . A IIb típusú szupernóva klasszikus példája az SN 1993J [37] [38] , a Cassiopeia A másik példája [39] . A IIb osztályt először (mint elméleti koncepció) Woosley és munkatársai javasolták. 1987-ben [40] , és ezt az osztályt hamarosan alkalmazták az SN 1987K [41] és az SN 1993J [42] esetében is .
A hipernóva egy ritka típusú szupernóva, amely lényegesen fényesebb és aktívabb, mint a normál szupernóvák. Ilyen például az 1997ef (Ic típus) és az 1997cy (IIn típus). A hipernóvák különféle módokon jönnek létre: relativisztikus sugarak egy fekete lyuk kialakulása során, amikor az anyag visszatér a neutroncsillag magjába – az összeomlási modell ; interakció a csillag körüli anyag sűrű héjával - a CSM modell (angolul: CircumStellar Material); hatalmas pár-instabil szupernóvák ; más modellek is lehetségesek, például a bináris és a kvark csillag .
A körülbelül 25-90 naptömegű csillagok magjai elég nagyok ahhoz, hogy egy szupernóva-robbanás után az anyag visszatérjen a neutroncsillag magjába, és fekete lyukat képezzen. Ez sok esetben csökkenti a szupernóva fényességét, és 90 Mʘ felett a csillag szupernóva-robbanás nélkül közvetlenül fekete lyukká változik. De ha az előd elég gyorsan forog, a lehulló anyag relativisztikus sugarakat generál, amelyek több energiát sugároznak, mint az eredeti robbanás [43] . Közvetlenül is láthatóak, ha felénk sugároznak, még világosabb tárgy benyomását keltve. Egyes esetekben gamma-kitöréseket is generálhatnak , bár nem minden gammasugár-kitörés származik szupernóvából [44] .
Egyes esetekben a II-es típusú szupernóva akkor fordul elő, amikor a csillagot egy nagyon sűrű anyagfelhő veszi körül, amely kilökődik, valószínűleg kék változó kitörések során . Ez a sokkoló anyag fényesebbé válik, mint egy szabványos szupernóva. Valószínűleg számos fényerősség létezik ezeknél a IIn típusú szupernóváknál, amelyek közül a hipernóva a legfényesebb.
Pár-instabil szupernóvák akkor keletkeznek, amikor egy rendkívül nagy tömegű csillag oxigénmagja eléggé felforrósodik ahhoz, hogy a gamma-sugárzás spontán elektron-pozitron párokat hozzon létre [45] . Ennek eredménye a mag összeomlása, de amikor a vasmag összeomlása endoterm fúziót okoz nehezebb elemekkel, az oxigénmag összeomlása gyors exoterm fúziót hoz létre, amely végül elpusztítja a csillagot. A teljes felszabaduló energia a kezdeti tömegtől függ, a mag nagy része 56 Ni-vé alakul, és kilökődik, ami néhány hónapon belül szupernóvához vezet. Az utazás végén a körülbelül 140 Mʘ tömegű csillagok hosszú életű, de egyébként tipikus szupernóvákat, míg a legnagyobb, körülbelül 250 Mʘ tömegű csillagok rendkívül fényes és nagyon hosszú élettartamú hipernóvákat. A nagyobb tömegű csillagok a fotonukleáris átalakulások miatt halnak meg . Csak a III. populációban nagyon alacsony fémtartalmú csillagok érhetik el ezt a szakaszt . A nehezebb elemekkel rendelkező csillagok halványabbak, és addig vetik le külső rétegeiket, amíg elég kicsik nem lesznek ahhoz, hogy normál Ib/c típusú szupernóvaként felrobbanjanak. Úgy gondolják, hogy még a mi galaxisunkban is az alacsony fémességű régi csillagok egyesülése hatalmas csillagokat képezhet, amelyek páros instabil szupernóvává alakulhatnak.
Szótárak és enciklopédiák |
---|
változó csillagok | |
---|---|
Kitörő | |
Lüktető | |
forgó | |
Kataklizmikus | |
elhomályosító binárisok | |
Listák | |
Kategória: Változócsillagok |