Warum ist Eisen für die Entstehung einer Supernova verantwortlich?

Ihre Frage ist etwas zu vereinfacht, da es viele Arten von Supernovae gibt, die auf der Größe und Konfiguration des Sterns basieren. Aber ich kann Ihre Frage nach "warum Eisen" beantworten, indem ich bedenke, was einen Stern davon abhält, überhaupt zu explodieren.

Einfach ausgedrückt: Wenn Material aus einem interstellaren Nebel unter seiner eigenen Schwerkraft zu kollabieren beginnt, werden der Druck und die Temperaturen groß genug, um schließlich mit der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium zu beginnen (es ist etwas komplizierter, aber ich ' Ich spreche allgemein). Wenn Sie die durch diesen Prozess entstandenen Heliumatome betrachten, werden Sie feststellen, dass jedes Heliumatom nur ein bisschen weniger wiegt als die beiden Wasserstoffatome, aus denen es besteht. Dieses bisschen zusätzliche Masse wird als Energie abgegeben, die in großen Mengen produziert wird, wenn der Wasserstoff weiter zu Helium verschmolzen wird.

Während der „Hauptsequenz“ des Sterns hilft die Freisetzung von Energie durch die Wasserstoff-Helium-Fusion, dem Gewicht der nach innen drängenden Gase des Sterns entgegenzuwirken. Material drückt sich ein; Energie drückt in perfekter Balance aus. Dieses Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und Energieabgabe hält an, bis der Stern den größten Teil seines Wasserstoffs verbraucht hat.

An diesem Punkt (wenn im Kern des Sterns kein Wasserstoff mehr vorhanden ist, der zu Helium verschmelzen könnte) stoppt die Fusionsreaktion und die Schwerkraft setzt wieder ein, um den Stern weiter zu kollabieren. Wenn dieser Stern kollabiert, wird er schnell dichter und heißer, bis die Temperatur und der Druck im Inneren groß genug sind, um Helium zu schwereren Elementen zu verschmelzen … und der Prozess geht weiter.

Das heißt, bis der Stern anfängt, Elemente zu Eisen zu verschmelzen …

Die Verschmelzung zu Eisen ist das erste Element, das nicht mehr Energie erzeugt, als zu seiner Herstellung benötigt wird. Der Effekt ist, dass keine Nettoenergie erzeugt wird, um der nach innen drückenden Schwerkraft entgegenzuwirken. Die äußeren Schichten kollabieren also schnell zu einer viel dichteren und kleineren Kugel, wodurch das verbleibende Sternenmaterial auf einmal fusioniert und die Supernova verursacht.

In diesem Sinne ist Eisen also nicht die Ursache der Supernova, aber seine Anwesenheit markiert das unvermeidliche Ende des Lebenszyklus dieses Sterns … in diesem speziellen Szenario.

Aber verstehen Sie, dass dies eine zu starke Vereinfachung ist, um den Prozess zu veranschaulichen, nach dem Sie gefragt haben. Es gibt viele andere Sequenzen im Lebenszyklus eines Sterns. Unsere Sonne zum Beispiel hat nicht genug Masse, um mit genügend Druck zusammenzubrechen, um schwerere Elemente zu Eisen zu verschmelzen. Ohne in andere Produktionswege für schwere Elemente einzugreifen (selbst in kleineren Sternen wie unserer Sonne) – sobald unsere Sonne beginnt, Kohlenstoff und Sauerstoff zu erzeugen, geht der Brennstoff zu Ende und der Kern kollabiert einfach und prallt zurück, während er zu a anschwillt Roter Riese, bevor er seine äußeren Schichten als planetarischer Nebel verliert, während der Kern zu einem Weißen Zwerg schrumpft (und schließlich zu einem Schwarzen Zwerg abkühlt).

Die Bindungsenergie pro Nukleon gehört zu den höchsten für Eisen-56. Daher verbraucht sowohl die Kernfusion als auch die Spaltung / Photozersetzung von Eisen-56 Energie.

Die Wärmeerzeugung ist erforderlich, um zu verhindern, dass ein Stern in einen viel dichteren Zustand kollabiert. Eisen-56 bietet keine Möglichkeit, Wärme durch Kernreaktionen zu erzeugen. Daher ist ein Kernkollaps unvermeidlich.

Wenn der Stern nicht groß genug ist, kann die Kernfusion aufhören, bevor der Kern des Sterns mit Eisen verschmolzen ist, da sehr hohe Temperaturen (mehr als 2 Milliarden Kelvin) und Druck erforderlich sind, um Silizium mit Eisen zu verschmelzen . Auf diese Weise kann der Kern früher zusammenbrechen.

Der Zusammenbruch setzt Energie frei, die für einen Großteil der Leuchtkraft der Supernova verantwortlich ist. Etwas zusätzliche (exotherme) Fusion in äußeren Schichten des explodierenden Sterns kann durch den Kollaps während der Explosion ausgelöst werden.

Im Gegensatz zu den meisten Supernovae explodieren Supernovae vom Typ Ia durch außer Kontrolle geratene Kernfusion , nicht hauptsächlich durch Kernkollaps.

Eine Hypernova kann sich entweder aufgrund eines Mangels an Kernbrennstoff bilden, wobei der Kern des Sterns zuerst zu einem Neutronenstern kollabiert, gefolgt von einem Kollaps zu einem Schwarzen Loch, oder durch Paarinstabilität , die keinen dichten Überrest hinterlässt.

Die Ursache für die Paarinstabilitäts-Supernovae ist nicht der Mangel an Kernbrennstoff, sondern die Hitze des Kerns. Aufgrund des Planckschen Gesetzes nimmt die Energie der eingestrahlten Photonen mit der Temperatur zu. Sobald sie die zur Bildung von Elektron-Positron-Paaren benötigte Energie von mindestens 1,02 MeV erreichen , wird Wärmeenergie in Masse umgewandelt . Auf diese Weise geht Druck verloren, der benötigt wird, um den Kern stabil zu halten.

Paarinstabilitäts-Supernovae und -Hypernovae werden durch hohe Mengen an freigesetztem Nickel-56 angezeigt, das zu Eisen-56 zerfallen wird.

Der wichtigste Grund für den Kollaps des Kerns ist, dass Partikel, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, notorisch gravitationsinstabil sind. Denn wenn Partikel, die sich langsamer bewegen, durch die Schwerkraft komprimiert werden, ohne dass Energie entweicht, bewirkt die durch die Schwerkraft freigesetzte Gravitationsenergie, dass sich die Partikel schneller bewegen, und dies erhöht den Druck stärker als die Zunahme der Schwerkraft (aufgrund der Verkleinerung), was dies ermöglicht Objekt, das beim Komprimieren zurückprallt. Aber wenn sich die Teilchen bereits in der Nähe von c bewegen, werden sie nicht schnell genug, und obwohl der Druck zunimmt, steigt auch die Schwerkraft, und der Stern hat keine Tendenz, von der Kontraktion zurückzuprallen. Wenden Sie auf das Entweichen von Energie, und der Druck kann nicht so stark ansteigen wie die Schwerkraft. Dies führt zu einem Ausreißer, wo ein kleiner Energieverlust zu einer starken Kontraktion des Kerns führt. Dies verursacht einen "Kollaps".

Die Heilung dafür besteht darin, einen Nettowärmeverlust zu verhindern. Dies kann auf zwei Arten erfolgen – entweder durch Freisetzung von Wärme aus der Fusion (selbstreguliert, um mit welcher Geschwindigkeit auch immer Wärme entweicht), oder die für den Druck verantwortlichen Teilchen können nahe genug an ihrem quantenmechanischen Grundzustand sein, wie sie es sind darf keine Wärme mehr abgeben (selbst wenn keine Verschmelzung stattfindet).

Der Kernkollaps ist also eine Art Rennen, ob die Elektronen (die den Druck liefern, wenn sie sich ihrem quantenmechanischen Grundzustand nähern, weil dies ihre spezifische Wärme erhöht und sie zu Fressern für kinetische Energie und damit Druck werden) ihren Grundzustand erreichen und nicht zugelassen werden können keine Wärme mehr abgeben, oder wenn sie nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen und unter der oben erwähnten Instabilität leiden, da sie einen Nettowärmeverlust erleiden. Der Gewinner dieses Rennens wird durch die Menge an Masse im Kern bestimmt – ist die Masse hoch, wird die Lichtgeschwindigkeit vor dem quantenmechanischen Grundzustand erreicht, und ist die Masse gering, tritt das Gegenteil ein. Nichts an Eisen führt dazu, außer dass Eisen keine Quelle für Kernenergie sein kann und daher nicht die andere Art von Schutz vor Kernkollaps bietet.

Wenn ein Stern seinen Elementvorrat unterhalb von Eisen erschöpft hat, kann der Fusionsprozess nicht mehr verhindern, dass die äußeren Schichten in Richtung des Kerns einstürzen. Wenn der Stern ausreichend massereich ist, wird er dann die äußeren Schichten explosionsartig als Supernova ausstoßen. Eisen ist also nicht die Ursache, sondern nur der Punkt im Fusionsprozess, an dem dies auftritt.