Existem mudanças observáveis ​​em uma estrela prestes a se tornar supernova, minutos ou horas antes da explosão?

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Estou escrevendo um romance de ficção científica, em que um navio está preso em um único sistema estelar (uma supergigante vermelha). Um dos pontos da trama é a estrela se tornar supernova em várias horas, então os personagens precisam consertar sua nave antes que isso aconteça.

Tenho conhecimento básico de como funciona: o ferro gerado a partir da fusão nuclear é acumulado no núcleo, até chegar a um ponto em que a fusão do ferro é iniciada. Como a fusão de ferro é uma reação endotérmica, o núcleo não é mais capaz de gerar energia suficiente para resistir à sua própria gravidade e pressão das camadas externas, de modo que entra em colapso e explode.

Eu li que, uma vez que a fusão de ferro começa dentro do núcleo, o colapso ocorre em minutos, o colapso dura alguns segundos (até menos de um segundo) e a onda de choque leva várias horas para alcançar a superfície. Está tudo correto?

O fato é que preciso que os personagens consigam prever a explosão a curto prazo. Algumas horas ou até minutos. Seria ótimo se eles pudessem estar cientes do colapso do núcleo e iniciar uma contagem regressiva.

Então, há alguma sugestão externa desses eventos, como mudanças na luminosidade ou na cor? O espectro estelar muda quando a fusão de ferro começa ou quando o núcleo entra em colapso? Eu sei que o colapso do núcleo gera uma enorme quantidade de neutrinos. Essa quantidade é tão intensa que pode ser facilmente detectável? (isto é, sem um detector enorme em uma instalação subterrânea). A quantidade de ferro no núcleo pode ser estimada a partir do espectro e tamanho da estrela, para que o tempo aproximado do colapso possa ser previsto?

Alfonso de Terán
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O primeiro aviso que você poderia receber de uma supernova iminente de colapso do núcleo viria dos neutrinos porque eles reagem muito fracamente com a matéria; no entanto, é também por isso que são necessários detectores tão grandes para medir sua presença, o que é um problema. As pistas do EM estão lá, mas estão em prazos muito mais curtos.
Dean
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A ciência desta pergunta provavelmente é boa para este site. No entanto, os problemas de história associados e as possíveis perguntas subsequentes podem ser mais apropriadas no Worldbuilding .
Makyen 21/09/16
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@Makyen Na verdade, na Worldbuilding há uma pergunta altamente relacionada em Como podemos extinguir uma supernova? O título é um pouco enganador - trata-se mais de impedir que a estrela se torne uma supernova no final do processo, do que de extinguir ou reduzi-la uma vez iniciada - mas acho que essa pergunta será útil para o OP.
um CVn
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@ Dean Um contador geiger será suficiente para o seu detector de neutrinos neste caso. Por outro lado, se você estiver muito perto ele está indo simplesmente para lhe dizer que você está morto: what-if.xkcd.com/73
Loren Pechtel
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@Mehrdad ver physics.stackexchange.com/questions/63558/... mas talvez mais específico para sua pergunta physics.stackexchange.com/questions/194606/...
Rob Jeffries

Respostas:

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Acho que sua melhor aposta seria detectar neutrinos gerados pela queima nuclear dentro da estrela (como fazemos para o Sol). Uma vez que a estrela atinge o estágio de queima de carbono, ela está realmente liberando mais energia nos neutrinos do que nos fótons. Durante a fase de queima de silício, que dura alguns dias e é o que cria o núcleo de ferro degenerado (que entra em colapso quando é maciço o suficiente), o fluxo de neutrinos aumenta para cerca de 10 47 erg / sa alguns segundos antes do colapso do núcleo. (O pico de fluxo durante o colapso do núcleo é de cerca de 10 52 a 10 53 erg / s). Este artigo de Asakura et al. estima que o detector KamLAND japonês possa detectar o fluxo de neutrinos pré-supernova para estrelas a distâncias de várias centenas de parsecse forneça um aviso prévio de uma supernova de colapso principal com várias horas ou até dias de antecedência. Como seus personagens estão no mesmo sistema da estrela, eles dificilmente precisariam de um grande detector subterrâneo para captar os neutrinos.

Este gráfico mostra um exemplo de luminosidade dos neutrinos (para neutrinos anti-elétrons) versus o tempo para uma estrela pré-supernova (de Asakura et al. 2016, baseada em Odrzywolek & Heger 2010 e Nakazato et al. 2013); o colapso do núcleo começa em t = 0s.

Figura 1 de Asakura et al.  2016

Ao medir o espectro de energias para diferentes tipos de neutrinos e sua evolução no tempo, você provavelmente poderia ter uma idéia muito boa de quão longe a estrela estava, principalmente porque podemos supor que seus personagens têm modelos muito melhores para a evolução estelar do que nós atualmente Faz. (Eles também gostariam de obter medições precisas da massa da estrela, taxa de rotação, talvez estrutura interna via astroseismologia etc.), a fim de ajustar o modelo de evolução estelar; tudo isso poderia ser feito com facilidade.)

O colapso do núcleo seria sinalizado pelo enorme aumento no fluxo de neutrinos.

Este artigo "What If" de Randall Munroe estima que o fluxo de neutrinos de uma supernova de colapso do núcleo seria letal para um ser humano a uma distância de cerca de 2 UA. O que, como ele aponta, poderia estar dentro de uma estrela supergigante, então seus personagens provavelmente estariam um pouco mais longe do que isso. Mas mostra que o fluxo de neutrinos seria facilmente detectável e que seus personagens poderiam sofrer envenenamento por radiação se estivessem próximos a 10 UA. (Claro, você deseja detectá- lo mais diretamente do que apenas esperar até começar a ficar doente, pois isso pode levar mais tempo do que a onda de choque leva para alcançar a superfície da estrela.) Isso é apenas para trazer para casa o fato de que eles não teriam nenhum problema em detectar os neutrinos ....

Peter Erwin
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Ótima resposta! @ Alfonso Pode ajudar seu realismo a abordar o fato de que os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar. Alguma linha simples que implique que as capacidades de detecção de neutrinos aumentaram dez vezes para a sua tecnologia do futuro ajudaria a vender o realismo de que você pode realmente detectar neutrinos em uma pequena nave espacial sem algo como os atuais detectores de neutrinos (que são enormes).
precisa
Muito obrigado, Peter. Essa é exatamente a informação que eu precisava.
Alfonso de Terán
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@zephyr O volume do detector de neutrinos pode ser reduzido pelo fluxo relativo de neutrinos que você espera. Você não precisa de um detector grande para observar o pulso de neutrino se estiver em órbita ao redor da estrela que explode.
Rob Jeffries
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@zephyr Na Tabela 6 do artigo ao qual vinculei, digamos que o KamLAND possa detectar o fluxo pré-SN 10 horas antes do colapso do núcleo para uma estrela a 150 pc de distância (após uma integração de 48 horas). O fluxo de neutrinos para uma nave espacial 100 UA da estrela é cerca de 100 bilhões de vezes maior. Portanto, como Rob Jeffries apontou, você pode usar um detector 100 bilhões de vezes menor que o KamLAND. Para reduzir o tempo de integração para um segundo mais prático, você precisa de um detector 500.000 vezes menor que o KamLAND: cerca de 2 kg de cintilador líquido. (Supondo que nenhuma tecnologia melhor.)
Peter Erwin
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Mesmo sem um detector de nêutrons real, esse fluxo de neutrino pode depositar energia suficiente para a estrela para ser detectável nas camadas superficiais da estrela ou mostrar como tipo específico de ruído em outros detectores (pelo menos câmeras, radares e rádios) que o navio deve ter.
hyde
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Outras respostas estão corretas; um pulso de neutrino é definitivamente esperado como resultado de uma supernova de colapso do núcleo e deve ocorrer algumas horas antes que uma onda de choque chegue à superfície.

(Gρ)1/2ρ10M

Outra possibilidade não mencionada até agora são as ondas gravitacionais. Supondo que um detector de ondas gravitacionais relativamente portátil estivesse disponível (!), Você também esperaria um pulso agudo de ondas gravitacionais na escala de tempo do colapso do núcleo (um segundo ou menos) que também pressagiaria a onda de explosão da supernova algumas horas depois.

Rob Jeffries
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Com relação à onda gravitacional: uma estrela em colapso não rotativa emitirá ondas gravitacionais? De outra discussão, entendi (talvez por engano) que a rotação era um requisito. Algo com quadrupolo ...
Peter - Reinstate Monica
Espera-se que as supernovas PeterA.Schneider sejam fontes de GW, porque é esperado que haja assimetria (o núcleo estará girando muito rápido - veja pulsares). por exemplo. iopscience.iop.org/article/10.1086/381360/fulltext/…
Rob Jeffries
@ PeterA.Schneider As supernovas reais são altamente assimétricas, mesmo quando seus progenitores exibem um alto grau de simetria esférica. Essa assimetria pode ser suficiente para produzir ondas gravitacionais, embora eu não tenha triturado os números. Encontrar a fonte dessa assimetria é um tópico ativo de pesquisa.
Calchas
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Como Dean disse , os progenitores da supernova geralmente liberam neutrinos antes do colapso total do núcleo, da formação de remanescentes e da ejeção das camadas externas da estrela. O processo - focado aqui nos neutrinos - é mais ou menos o seguinte:

  1. ρ109 g/cm3
    e+pn+νe
    np+e-+ν¯e
  2. A captura de elétrons reduz a pressão de degeneração de elétrons no núcleo, o que leva ao colapso acelerado do núcleo. A pressão de degenerescência é importante nos núcleos de muitas estrelas, mas em estrelas extremamente massivas - incluindo supergigantes vermelhos - simplesmente não é suficiente para parar o colapso.
  3. 1011 g / cm3ρ4×1011 g / cm3
  4. ρ2.5×1014 g / cm3
  5. Os neutrinos ainda presos no / pelo remanescente estelar são liberados cerca de dez segundos depois. A produção de pares de neutrinos também leva a um resfriamento rápido. Alguns desses neutrinos podem contribuir para o renascimento da onda de choque.

Os neutrinos podem chegar horas - ou possíveis dias, em algumas circunstâncias - antes da luz da supernova. O primeiro foi o caso do SN 1987A , a primeira supernova a partir da qual os neutrinos foram detectados.

Referências

HDE 226868
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Obrigado, @HDE. Essa resposta detalhada me faz pensar se o colapso do núcleo poderia ser acelerado com a introdução de algo "novo" na estrela. No romance, há uma batalha com uma nave alienígena hostil desconhecida. Esse navio é desativado e colocado em uma trajetória decrescente para a estrela. Se houver uma maneira de reduzir esse tempo para a explosão, isso adicionaria mais drama (o colapso do núcleo é detectado pelos personagens antes do esperado). Observo que a nave em queda é alienígena e desconhecida; portanto, não há problema em incluir antimatéria, matéria estranha ou tudo o que for necessário.
Alfonso de Terán 21/09
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@ AlfonsodeTerán, Mesmo assumindo algum tipo de unobtainium, não é crível, mesmo em um ambiente fictício, que a adição de qualquer coisa que esteja na escala de uma nave espacial tenha efeito suficiente ao cair involuntariamente em uma estrela. A diferença de escala é muito vasta. Escrevê-lo de tal forma que quase destruiria minha suspensão de descrença se eu estivesse lendo uma história dessas. Mesmo supondo que a nave tenha sido alimentada por um buraco negro, o tempo que levaria para a singularidade afetar significativamente a estrela é mais longo do que o que você está descrevendo.
Makyen 21/09/16
@ AlfonsodeTerán Mayken está absolutamente certo. Você precisaria de tecnologia bastante avançada para começar a considerar ter uma chance de impactar a evolução de uma estrela como essa, se isso for possível. Seus efeitos seriam como uma gota no balde metafórico.
HDE 226868
1
1M
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@ Spike0xff Se o lago estiver super-frio e a gota estiver impura, poderá desencadear a cristalização. Eu não acho que esses deslocamentos de fase ocorre em núcleos estelares na realidade, mas como SF poderia ter um inferno congelar ...
Peter - Reintegrar Monica
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Uma supernova superluminosa (também conhecida como hipernova) pode exibir um pico duplo de brilho e alguns estão teorizando que essa pode ser a norma para uma supernova superluminosa, embora, tanto quanto eu saiba, só tenha sido observada em um caso até agora (DES14X3taz).

De qualquer forma, (pelo menos) nesse caso, houve um aumento substancial inicial no brilho. Então, o brilho diminuiu (algumas magnitudes) por alguns dias e depois voltou a ser consideravelmente mais brilhante que o "choque" inicial.

Você provavelmente precisará ter cuidado com as distâncias envolvidas. A explosão inicial de luz já é grande o suficiente para que, a menos que seu pessoal esteja bem distante, já seja suficiente para fritá-lo.

Há um outro ponto que pode ser interessante para o seu romance. Após a explosão, o que você provavelmente recebe é um magnetar - que, como você diria pelo nome, é uma estrela com um campo magnético extremamente forte - tão forte, de fato, que é provável que cause todo tipo de estragos com qualquer coisa na vizinhança que dependa de alguma coisa que envolva atividade elétrica - não apenas eletrônica, mas também provavelmente os nervos das pessoas.

Existe um problema óbvio aqui: uma supergigante vermelha é o tipo certo de estrela como progenitora de uma supernova "normal". Provavelmente não é o tipo certo como progenitor de uma supernova superluminosa. O progenitor de uma supernova é tipicamente algo como seis ou oito massas solares. Uma supernova superluminosa é provavelmente (apenas algumas são conhecidas, por isso é difícil generalizar) algo como algumas centenas de massas solares. Dada a quantidade de energia liberada, ela deve ser bastante grande de qualquer maneira.

Referência: Smith, et al (2015)

Jerry Coffin
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