1 Tadeusz Smela PTMA Szczecin, 23 stycznia 2016 SUPERNOWE WYBUCHAJĄCE GWIAZDY

2 Spośród wielu niezwykłych zjawisk jakie możemy zaobserwować na niebie jednymi z najbardziej spektakularnych w swojej naturze jest wybuch supernowej Ze względu na ogromną energię wyzwoloną podczas wybuchu zjawiska te są obserwowalne w najdalszych zakątkach Wszechświata Wbrew nazwie nie są to narodziny nowej gwiazdy a jej śmierć

3 SUPERNOWE  Opowiem o niesamowitych zjawiskach zachodzących w ostatnich sekundach życia gwiazd  Supernowych termojądrowych typu Ia  Supernowych implozyjnych typu II  Znaczeniu tych zjawisk

4 Dwa podstawowe mechanizmy wybuchu supernowej to: implozja w wyniku kolapsu grawitacyjnego (jądro masywnej gwiazdy, po wypaleniu całego paliwa zapada się szybkością dziesiątków tysięcy kilometrów na sekundę) wybuch termojądrowy białego karła – ostateczne samounicestwienie gwiazdy

5

6 E=mc 2

7 RÓWNOWAGA HYDROSTATYCZNA Temp 15 mln K H – He Kluczowa zasada która powoduje stabilność gwiazdy

8 CYKL ŻYCIA TYPOWEJ GWIAZDY Powolne kurczenie się jądra powodujące wzrost temperatury

9 BIAŁY KARZEŁ Temperatura powierzchni do 100 000 K

10 BIAŁY KARZEŁ Słońce – średnica 1 300 000 km Biały Karzeł – średnica 12 000 km

11 BIAŁY KARZEŁ

12 Credit: HST Syriusz B

13

14 Subramanyan Chandrasekhar Credit: ESO

15 Źródło: NASA.GOV

16 SUPERNOWA TYPU IA Polski model supernowej - DFD – detonacja nieudanej deflagracji Animacja jest do pobrania z tego miejsca: http://flash.uchicago.edu/~jbgallag/wd_det_8km_16rb_80off_movies/ Źródło: flash.uchicago.eduflash.uchicago.edu

17 SUPERNOWA TYPU IA Na zdjęciu supernowa SN2011dh w galaktyce M51, odkryta 31 maja 2011. Chociaż galaktyka M51 znajduje się w odległości około 25 mln lat świetlnych od Ziemi to gwiazda przez kilka tygodni była wyraźnie widoczna. 3.5 miliarda razy jaśniej niż Słońce Każda supernowa Ia w momencie wybuchu osiąga taką samą jasność absolutną -19.3 MAG

18 SUPERNOWA TYPU IA Całkowita energia wyzwolona na skutek wspomnianej powyżej reakcji w białym karle o masie 1,44 masy Słońca wynosi około 2 × 10 44 J Gwiazda ulega całkowitemu zniszczeniu, pozostaje po niej mgławica, składająca się głównie z radioaktywnego niklu, który rozpada się przez radioaktywny kobalt do żelaza. Jasność absolutna w maksimum blasku wynosi -19,3 (badania przeprowadzone przy użyciu coraz bardziej precyzyjnych instrumentów wykazały wariacje w jasności wynoszącą +-0,3m) Standardowy mechanizm supernowej typu Ia termojądrowej

19 SUPERNOWE Definicje różnych rodzajów wybuchów Deflagracja (zwana też dawniej wybuchem właściwym ) – to spalanie, które propaguje się w danym materiale z prędkością mniejszą niż wynosi prędkość dźwięku w danym materiale. Mechanizm deflagracji polega na przekazywaniu energii termicznej poprzez promieniowanie i przewodzenie ciepła od warstwy, w której zachodzi utlenianie do dalszych warstw. Przekazywana energia wywołuje reakcję w kolejnych warstwach materiału. Deflagracja w odpowiednich warunkach, może przechodzić w eksplozję lub nawet detonację. Eksplozja to wybuch rozprzestrzeniający się z prędkością mniejszą niż prędkość maksymalna dla danego materiału. Detonacja – najdoskonalszy rodzaj wybuchu - jest to wybuch rozprzestrzeniający się w materiale wybuchowym z maksymalną możliwą prędkością (ponaddźwiękową lub hiperdźwiękową) dla danego materiału. Można powiedzieć, że detonujący obiekt wybucha w całej swojej objętości prawie jednocześnie.

20 SUPERNOWE Supernowe Ia są eksplozjami termojądrowymi białych karłów CO o masie bliskiej masy Chandrasekhara. Biały karzeł to wypalona gwiazda o masie rzędu masy Słońca i promieniu porównywalnym z ziemskim. Ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronów powstrzymuje przyciąganie grawitacyjne. Eksplozja następuje w wyniku powolnej akrecji na powierzchnię białego karła materii pochodzącej z drugiego składnika. Skutkiem akrecji jest wzrost masy, zmniejszanie rozmiarów i wzrost temperatury, szczególnie w rejonach centralnych, gdzie gęstość jest największa Biały karzeł węglowo tlenowy (CO), którego masa w wyniku akrecji z gwiazdy towarzyszącej rośnie zbliżając się do wartości 1,44 masy Słońca (limit Chandrasekhara), ulega samozapłonowi w rejonie centralnym. Dochodzi do połączenia jąder atomowych węgla i tlenu, w wyniku czego powstają (w przypadku zachodzenia kompletnej reakcji) jądra radioaktywnego niklu: 2 12 C + 2 16 O → 56 Ni + energia Reakcja z reguły nie jest kompletna dlatego w wyniku syntezy termojądrowej tlenu i węgla powstają też jądra atomów znajdujących się w tablicy Mendelejewa poniżej żelaza. Standardowy mechanizm supernowej typu Ia termojądrowej

21 SUPERNOWE Nie mamy poprawnego i spójnego z prawami fizyki modelu samego wybuchu termojądrowego supernowej typu Ia. Jeden z modeli wybuchu supernowej Ia zaproponował polski astrofizyk Tomasz Plewa, pracujący wtedy na Uniwersytecie w Chicago, zaproponował niezwykle interesujący model DFD (ang. Detonating Failed Deflagration, detonacja nieudanej deflagracji). Od pewnego czasu wiadomo było, że wybuch termojądrowy w polu grawitacyjnym prowadzi do sferycznie rozchodzącego się płomienia tylko wtedy, gdy zapłon nastąpi prawie idealnie w centrum idealnie symetrycznego białego karła. W praktyce, zapłon w niewielkiej odległości, rzędu kilkunastu kilometrów od centrum (biały karzeł ma promień około 7000 km), powoduje powstanie płomienia kształtem przypominającego raczej grzyb atomowy. Standardowy mechanizm supernowej typu Ia termojądrowej

22 SUPERNOWE Wybuch centralny nie wyprodukuje energii wystarczającej do rozerwania białego karła, ale spali sporo węgla i tlenu oraz zdeformuje go. Ponieważ „grzyb” unosi się cały czas do góry, wcześniej czy później musi „wyskoczyć” (dochodzi do tego po około sekundzie) na powierzchnię. W tym momencie na powierzchni gwiazdy tworzą się ogromne rozchodzące się koncentrycznie fale. Przypominają one ziemskie fale tsunami. Na powierzchni białego karła nie ma jednak gór czy kontynentów. Rozchodzące się fale, nie napotykając na żadne przeszkody, obiegają (w czasie kilku sekund) powierzchnię gwiazdy i zderzają się w punkcie znajdującym się na antypodach. Zogniskowana energia jest wystarczająco duża, aby powstała fala uderzeniowa zadziałała jak zapalnik i pobudziła białego karła do detonacji. Fala detonacyjna w ułamku sekundy spala to, co pozostało po wcześniejszej, nieudanej deflagracji. Całe to zjawisko, od zapłonu deflagracji do wygaśnięcia detonacji, trwa około 5 sekund. Standardowy mechanizm supernowej typu Ia termojądrowej Polecam publikację dr Andrzeja Odrzywołka „Polski model supernowej”

23 SUPERNOWA Model wcześniej przedstawiony nie wyjaśnia wszystkich znanych zjawisk związanych z wybuchem supernowej Ia. Jeżeli biały karzeł wybucha w wyniku akrecji materii z sąsiedniej gwiazdy a ta akreowana materia to głównie wodór to nikt nie potrafi wyjaśnić powodu z jakiego brak jest linii absorbcyjnych wodoru w widmie supernowej Ia. Istnieją alternatywne teorie wyjaśniające wybuchy supernowych termojądrowych Jedna z nich mówi o tym, że supernowa Ia to eksplodujący biały karzeł o masie mniejszej niż granica Chandrasekhara. Impulsem detonacji jest wybuch termojądrowy helu na powierzchni białego karła, pochodzącego z akrecji z gwiazdy towarzyszącej. Inna teoria mówi o zderzeniu dwóch białych karłów. W układzie dwóch karłów, w wyniku postępującego zbliżania się lżejszy składnik ulega rozerwaniu w polu sił pływowych cięższego. Powstaje dysk akrecyjny i gwałtowne powiększanie się masy centralnego składnika. Model ten w oczywisty sposób wyjaśnia brak H i He: po prostu ich tam nie ma. Wariacja w jasności może być pochodną sumy mas składników.

24 SUPERNOWA TYPU II Supernowa implozyjna Temp 100 mln K Kilkaset tysięcy lat He – C, O H - He

25 SUPERNOWA TYPU II W temp. 500 mln K zapala się węgiel W temperaturze 1 mld K zaczynają zachodzić reakcje syntezy tlenu Kilkaset lat Supernowa implozyjna He – C, O C, O – Ne, Mg H - He

26 SUPERNOWA TYPU II temp. 2 mld K Około 1 roku Supernowa implozyjna He – C, O C, O – Ne, Mg H - He Ne, Mg – Si,S

27 SUPERNOWA TYPU II temp. 7 mld K ok. 1 dzień Supernowa implozyjna He – C, O C, O – Ne, Mg Ne, Mg – Si,S H - He Si, S - Fe

28 SUPERNOWA TYPU II Supernowa implozyjna He – C, O C, O – Ne, Mg Ne, Mg – Si,S H - He Fe żelazo nie jest paliwem termojądrowym reakcje syntezy muszą się zakończyć Znika ciśnienie promieniowania powstrzymujące jądro przed zapadnięciem

29 SUPERNOWA TYPU II Energia grawitacyjna podgrzewa jądro do 10 mld K (10 10 K) Rozedrgane jądra żelaza ulegają fotodezintegracji – rozpadowi na mniejsze jądra i swobodne protony i neutrony pod wpływem fotonów gamma Jest to reakcja odwrotna do syntezy odwrotna do syntezy – pochłania energię obniżając temperaturę i ciśnienie W warunkach obniżającego się ciśnienia ogromna grawitacja grawitacja powoduje dalsze gwałtowne kurczenie jądra gwiazdy z prędkością dziesiątek tysięcy km/s Supernowa implozyjna – końcowe sekundy życia masywnej gwiazdy

30 SUPERNOWA TYPU II Grawitacja jest tak wielka że zdegenerowane elektrony nie mogąc złamać zakazu Pauliego, ściskane siłami grawitacji reagują z protonami powstałymi w wyniku fotorozpadu (fotodezintegracji). Zachodząca reakcja e - + p + → n 0 + ν e wychwytuje wszystkie zdegenerowane elektrony w jądrze. Ten proces nosi nazwę neutronizacja- odwrotny rozpad beta (w warunkach zdegenerowanego gazu neutronów reakcja jest nieodwracalna) Znika ciśnienie zdegenerowanych elektronów, zapadanie jądra trwa dalej. Supernowa implozyjna – końcowe sekundy życia masywnej gwiazdy

31 SUPERNOWE Gdy temperatura dojdzie do 1 biliona K (10 12 K) neutrony stają się zdegenerowane. Ciśnienie zdegenerowanych neutronów (Zakaz Pauliego) gwałtownie zatrzymuje zapadanie jądra (to zatrzymanie trwa około 1 ms). Otaczająca materia z wyższych warstw wciąż się zapada i uderza w lite, sztywne jądro tworząc ogromną falę uderzeniową. W ciągu kilku sekund uwalniana jest Energia 10 46 J. To jest 50 x więcej niż Słońce wytwarza w ciągu 10 mld lat świecenia w ciągu głównym. Supernowa implozyjna

32 SUPERNOWE Większość energii jest uwalniana w postaci neutrin, tylko 1 % to widzialne światło. To wystarcza żeby gwiazda pojaśniała setki milionów razy przewyższając blaskiem całą galaktykę przez kilka dni do kilku tygodni. W wyniku wybuchu gwiazda może stracić od 20 do 80% swojej masy Supernowa implozyjna

33 SUPERNOWE Podczas końcowego zniszczenia gwiazdy w wybuchu supernowej, z rozpadających się jąder żelaza jest uwalniany wysoki strumień neutronów. W warunkach ekstremalnych temperatur i ciśnień oraz obecności ogromnej liczny neutronów zachodzi reakcja spontanicznego budowania ciężkich jąder atomowych – szybki wychwyt neutronów. R- proces Proces powstawania jąder o większej liczbie atomowej w reakcji r polega na: Szybkim wychwycie przez jądro wielu neutronów i powstaniu niestabilnego nuklidu bogatego w neutrony. Serii spontanicznych rozpadów β - prowadzących do powstania stabilnego nuklidu (jądra atomowego). W procesie r, jądro przyłącza kolejne neutrony aż do osiągnięcia stanu marginalnej stabilności, w którym energia wiązania kolejnego neutronu byłaby równa zeru. Supernowa implozyjna - fabryka pierwiastków

34 SUPERNOWE W ten sposób powstają ciężkie pierwiastki takie jak ołów, złoto aż do uranu Destrukcyjne wydarzenie jakim jest wybuch supernowej nie tylko tworzy nowe pierwiastki ale zapewnia mechanizm skutecznego ich rozpraszania w przestrzeni. Wszystkie pierwiastki cięższe od żelaza powstały w ostatnich sekundach życia masywnej gwiazdy Supernowa implozyjna - fabryka pierwiastków

35 SUPERNOWE Supernowa implozyjna - fabryka pierwiastków

36 SUPERNOWE W wyniku wybuchu gwiazda może stracić od 20 do 80% swojej masy. Ta wyrzucona materia to budulec dla kolejnych generacji gwiazd Supernowa implozyjna

37 GWIAZDA NEUTRONOWA Egzotyczny obiekt o średnicy 15-17 kilometrów Gęstość średnia ok. 2 mld ton/cm3 Temperatura – setki miliardów stopni

38 PORÓWNANIE ROZMIARÓW Słońce – średnica 1 300 000 km Biały Karzeł – średnica 12 000 km Gwiazda Neutronowa – średnica 15 km

39 CZARNA DZIURA

40 SUPERNOWE Jak rozpoznać z typ supernowej

41 SUPERNOWE Jak rozpoznać z typ supernowej

42 ZNACZENIE SUPERNOWYCH Supernowa typu II to najpotężniejszy reaktor termojądrowy. W ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach powstają nowe pierwiastki. Każdy atom cięższy od żelaza we wszystkim co nas otacza powstał w jądrze masywnej gwiazdy wyniku wybuchu supernowej implozyjnej.

43 ZNACZENIE SUPERNOWYCH Dzięki w przybliżeniu stałej jasności absolutnej osiąganej przez wybuchającą supernową typu Ia (około -19,3 mag), wybuchy te są wykorzystywane do określania odległości pozagalaktycznych.

44 SUPERNOWE Wewnątrz głównych typów wyróżnia się jeszcze kilka podtypów, w zależności od występowania innych linii widmowych, bądź kształtu krzywej blasku: Typ I – brak linii wodoru Typ Ia – linie Si II na 615,0 nm Typ Ib – linie He I na 587,6 nm Typ Ic – słabe lub brak linii helu Typ II – obecne linie wodoru Typ II-P Typ II-L Wg aktualnej wiedzy supernowe implozyjne obejmują typy: Ib/c, IIb, II-L, II-P, Iin, a supernowe Ia to supernowe termojądrowe Klasyfikacja

45 SUPERNOWE żelazo nie jest paliwem termojądrowym reakcje syntezy musza się zakończyć Supernowa implozyjna

46 SUPERNOWE

47 BIBLIGRAFIA Andrzej Odrzywołek - Polski model supernowej Andrzej Odrzywołek - 400 lat bez eksplozji supernowej. Kiedy następna? AUSTRALIA TELESCOPE NATIONAL FACILITY http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/senior/astrophysics/index.html http://www.atnf.csiro.au/outreach/education/senior/astrophysics/index.html Isaac Asimov – Wybuchające gwiazdy Alexei V. Filippenko - OPTICAL SPECTRA OF SUPERNOVAE http://flash.uchicago.edu http://astro.unl.edu/naap/ebs/animations/ebs.html Wikipedia

48 Dziękuję za uwagę