Materia zdegenerowana w białych karłach i gwiazdach neutronowych

24 Stycznia 2016

Cześć

Ostatnio zastanawiałam się nad składem chemicznym superciężkich gwiazd, czyli białych karłów oraz gwiazd neutronowych (pulsarów, magnetarów). Podręczniki do chemii i fizyki jądrowej podają, że gwiazdy te łączy obecność w nich tak zwanej zdegenerowanej materii. Z tym, że w przypadku białych karłów jest ona mniej gęsta niż u gwiazd neutronowych. Spróbowałam zrobić w miarę zwięzłą notkę o materii zdegenerowanej i jej rodzajach. Jeśli znacie jakieś ciekawe informacje na ten temat, to proszę, dopisujcie w komentarzach lub podawajcie linki do innych źródeł. Lub poprawcie, jeśli wyłapiecie błąd albo nieścisłość.

Materia złożona z elektronów, protonów lub neutronów (wszystkie z wymienionych cząstek elementarynch zaliczają się do tzw. fermionów) podlega tzw. zakazowi Pauliego. Zakaz ten mówi, że tylko jedna cząstka danego rodzaju może przyjąć określony stan kwantowy.

Materia zdegenerowana, to taka materia, w której z powodu spadku objętości (np. przy zapadaniu się gwiazdy) spowoduje wypełnienie cząstkami wszystkich stanów kwantowych, jakie są dostępne.

I teraz przyjrzyjmy się procesom zachodzącym w gwiazdach przy końcu ich życia:

Gdy wypaleniu ulega mało masywna gwiazda (do 1.44 mas Słońca), to degeneracji ulega sfera elektronowa (ta najbardziej zewnętrzna w atomie). Powstaje wówczas biały karzeł. Białe karły skladają się ze zdegenerowanego gazu elektronowego oraz z nieruszonych, niezmienionych jąder atomowych.

Jednak w przypadku masywniejszych gwiad (> 1,44 masy Słońca) po wypaleniu paliwa jądrowego, zapadanie się gwiazdy nie kończy się na przejściu sfery elektronowej w stan zdegenerowany. Degeneracji ulegają również jądra atomowe. Nukleony (protony i neutrony wchodzące w skład jądra) ulegają bardzo silnemu przybliżeniu i gęstemu upakowaniu. Na skutek ogromnego ciśnienia dochodzi do tzw. "neutronizacji" materii. Protony łączą się z elektronami i postają wskutek

tego neutrony. W efekcie tworzy się gwiazda zbudowana niemal całkowicie z neutronów (tzw. gwiazda neutronowa, czyli np. pulsar lub magnetar).

Dla ciekawostki dodam, że swobodny neutron (niezwiązany z jądrem) lub będacy jego nadmiarowym składnikiem ulega samorzutnej przemianie jądrowej beta- (rozpada się na elektron i proton). Natomiast neutrony w gwieździe neutronowej są tak gęsto upakowane, że nie nie podlegają rozpadowi beta minus.

WielkiAtraktor · 24 Stycznia 2016

Dopiero niedawno przeczytałem o (bardzo prawdopodobnym) istnieniu tzw. nuklearnego makaronu (nuclear pasta). To stan pośredni między jednorodną materią neutronową a tą zwykłą, może występować w wierzchnich warstwach gwiazdy neutronowej oraz przez chwilę w trakcie wybuchu supernowej.

http://arxiv.org/pdf/1109.3511v2.pdf

Edytowane 24 Stycznia 2016 przez WielkiAtraktor

24 Stycznia 2016

Bardzo ciekawe zagadnienie, nie słyszałam o tym dotąd. W książkach naukowych do chemii czy fizyki jądrowej nie znalazłam nic na ten temat. Jednak w internecie da się coś poszukać. Z tego co zrozumiałam po analizie różnych tekstów, materia neutronowa nie jest zbudowana na kształt uporządkowanych ciasno ubitych "kulek" (jak np. w diamencie), tylko przybiera różne kształty. Jednym z takich kształtów, w jaki ukladają się neutrony zdegenerowane, jest właśnie "makaron jądrowy". Poszukam monografii naukowych na ten temat.

Wielkie dzięki za ten post

Ciekawy kawałek: (źródło: https://www.granicenauki.pl/wielka-kosmiczna-pustka-25915)

"Istnieją fascynujące symulacje, które pokazują, że neutrony mogą tworzyć w skali dziesiątek i setek femtometrów kulki, nitki i wstęgi. Jednym z pojęć używanych w symulacjach materii gwiazd neutronowych (tak, w poważnych pracach naukowych) jest nuclear pasta, czyli „makaron jądrowy”

Behlur_Olderys · 24 Stycznia 2016

A czy może być tak, że malutka objętość jądra będzie miała już zdegenerowaną materię jądrową, czyli taka malutka gwiazda neutronowa w środku, a dookoła biały karzeł? Czy to przejście z białego karła w gwiazdę neutronową musi być katastroficzne (supernowa)?

24 Stycznia 2016

A czy może być tak, że malutka objętość jądra będzie miała już zdegenerowaną materię jądrową, czyli taka malutka gwiazda neutronowa w środku, a dookoła biały karzeł? Czy to przejście z białego karła w gwiazdę neutronową musi być katastroficzne (supernowa)?

Bardzo ciekawe pytanie. Stany pośrednie są fascynujące, zresztą nie tylko w astronomii, w chemii i fizyce też Odpowiedzi poszukam jeszcze w literaturze. Mam sporo ksiąg, więc jest szansa, że w którejś z nich będzie bardziej szczegółowo omówiony temat. A jeśli jednak nie znajdę, to podpytam o to na uczelni

ZbyT · 24 Stycznia 2016

A czy może być tak, że malutka objętość jądra będzie miała już zdegenerowaną materię jądrową, czyli taka malutka gwiazda neutronowa w środku, a dookoła biały karzeł? Czy to przejście z białego karła w gwiazdę neutronową musi być katastroficzne (supernowa)?

nie ma takiej możliwości

aby powstała gwiazda neutronowa jądro musi mieć odpowiednio dużą masę, a gdy ją posiada (lub przekroczy) cała jego masa przekształca się w gwiazdę neutronową. Pozostała otoczka jest odrzucana przez falę uderzeniową generowaną przez opuszczające jądro neutrina. Materia opadająca na gwiazdę neutronową przekształca się w zdegenerowany gaz elektronowy i jądra, które mogą przez jakiś czas istnieć na powierzchni aby w końcu przekształcić się w neutrony

przejście od stanu materii jaka znajduje się w białym karle do gwiazdy neutronowej jest dramatyczny. Nie można tego zrobić płynnie

pozdrawiam

ekolog · 24 Stycznia 2016

To tak trochę (analogia) jak z wielkim zderzaczem pod Genewą?! Pewne rzeczy wymagają ekstremalnych warunków do swojego powstania

A klasyczna historia gwiazd jest na dzień dzisiejszy jak na obrazku - tylko jeszcze może wspomnę, że duży czerwony olbrzym może (być może) zapaść się po cichu od razu w czarną dziurę - wg hipotez np Kochanka.

Do poniższego rysunku trzeba dopowiedzieć, że gwiazda neutronowa może tez powstać podczas zjawiska supernowej gdy kolidują dwa białe karły

Pozdrawiam

Edytowane 24 Stycznia 2016 przez ekolog

25 Stycznia 2016

nie ma takiej możliwości

aby powstała gwiazda neutronowa jądro musi mieć odpowiednio dużą masę, a gdy ją posiada (lub przekroczy) cała jego masa przekształca się w gwiazdę neutronową. Pozostała otoczka jest odrzucana przez falę uderzeniową generowaną przez opuszczające jądro neutrina. Materia opadająca na gwiazdę neutronową przekształca się w zdegenerowany gaz elektronowy i jądra, które mogą przez jakiś czas istnieć na powierzchni aby w końcu przekształcić się w neutrony

przejście od stanu materii jaka znajduje się w białym karle do gwiazdy neutronowej jest dramatyczny. Nie można tego zrobić płynnie

pozdrawiam

A więc do rozpoczecia procesu neutronizacji materii potrzebna jest pewna masa krytyczna. Czyli w układach podwójnych, w których biały karzeł akreuje materię od sąsiedniej gwiazdy, po przekroczeniu tej "masy krytycznej" biały karzel przekształca się w gwiazdę neutronową?

ZbyT · 25 Stycznia 2016

A więc do rozpoczecia procesu neutronizacji materii potrzebna jest pewna masa krytyczna. Czyli w układach podwójnych, w których biały karzeł akreuje materię od sąsiedniej gwiazdy, po przekroczeniu tej "masy krytycznej" biały karzel przekształca się w gwiazdę neutronową?

to scenariusz na powstanie supernowej typu Ia

pozdrawiam

Behlur_Olderys · 25 Stycznia 2016

Z angielskiej wikipedii zrozumiałem, iż "uruchamia" się wtedy (supernowa typu Ia) łańcuchowa reakcja jądrowa spalająca głównie węgiel, ale i tlen, która w kilka sekund (!!!) spala większość materii białego karła, wyzwalając przy tym energię która praktycznie rozrywa gwiazdę na kawałki. Nie jest osiągany limit masy Chandrasekhara. Interesujące jest pytanie: skoro tak, to czy, i z czego powstaje gwiazda neutronowa?

Co innego przy supernowej typu II: z tego, co rozumiem wymaga bardzo ciężkiej (~8 mas Słońca) gwiazdy, która na swój sposób potrafi "poradzić" sobie z fuzją tlenu, węgla, i w ogóle wszystkiego aż do żelaza. Spalanie żelaza nie wydziela energii, więc nie pomoże gwieździe zatrzymać zapadania się grawitacyjnego. Żelazne jądro poddane sile większej, niż ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronów zaczyna "wpychać" elektrony w jądra atomowe, gdzie łączą się z protonami tworząc neutrony. Promień orbitali elektronowe są z reguły 3-4 rzędy wielkości większe, niż promienie jąder, a zatem objętość gwałtownie zmniejsza się 1000-10000 krotnie. W powstałą pustkę spadają zewnętrzne warstwy gwiazdy z prędkościami relatywistycznymi, przez co wybuch ma charakter - wydaje mi się - w dużej mierze kinetyczny, przynajmniej na początku, w przeciwieństwie do wybuchu 1a, gdzie głównym źródłem energii są reakcje jądrowe. Supernowa typu II jest w zasadzie wynikiem powstania gwiazdy neutronowej.

ekolog · 25 Stycznia 2016

Ja tak samo przypuszczałem jak Behlur_Olderys, że ta supernowa bazująca na podkradaniu materii sąsiedniej gwiazdy przez białego karła aż do nagłego wybuchu to kończy się "pawie niczym" ale zdaje się że jednak zawsze każda supernowa owocuje albo gwiazdą neutronowa albo czarną dziurą.

Gwiazda neutronowa – gwiazda zdegenerowana powstała w wyniku ewolucji gwiazd o dużych masach (~ 8–10 mas Słońca). Powstają podczas wybuchu supernowej (supernowe typu II lub Ib) lub kolapsu białego karła (supernowa typu Ia) w układach podwójnych. Materia składająca się na gwiazdy neutronowe jest niezwykle gęsta, przy średnicy 10–15 km gwiazdy tego typu mają masę od 1,4 do 2,5 mas Słońca. Łyżeczka materii neutronowej ma masę ok. 6 miliardów ton^.

Zatem (jeśli rozpatrujemy białokarłowych protoplastów) nie musi to być chyba zderzenie dwóch białych karłów tylko wystarczy to podkradanie z "normalnej" gwiazdy (typ Ia).

Pozdrawiam

Edytowane 25 Stycznia 2016 przez ekolog

25 Stycznia 2016

"Zatem (jeśli rozpatrujemy białokarłowych protoplastów) nie musi to być chyba zderzenie dwóch białych karłów tylko wystarczy to podkradanie z "normalnej" gwiazdy (typ Ia)."

Ja też myślę, że wystarczy, gdyż to "podkradanie" prowadzi właśnie do przekroczenia masy krytycznej, wybuchu iuformowania się gwiazdy neutronowej.

Behlur_Olderys · 25 Stycznia 2016

The current view among astronomers who model Type Ia supernova explosions, however, is that this limit is never actually attained and collapse is never initiated.

Za wikipedią w języku angielskim.

Ten paragraf sugeruje, że masa Chandrasekhara nie jest przez supernową typu 1a nigdy przekraczana i nie następuje kolaps jądra w gwiazdę neutronową, a eksplozja wywołana przez gwałtowną syntezę węgla i tlenu jest bardziej zbliżona do wybuchu gwiazdy nowej, niż do supernowej typu II, w której właśnie gwałtowny kolaps i wyzwolona przy nim energia spadku materii na zwarty obiekt w środku jest głównym źródłem energii.

Oczywiście, jest to moja interpretacja źródła mało naukowego, ale brzmi dość przekonująco, z chęcią podyskutowałbym o szczegółach

Pozdrawiam!

Edytowane 25 Stycznia 2016 przez Behlur_Olderys

ZbyT · 25 Stycznia 2016

Ten paragraf sugeruje, że masa Chandrasekhara nie jest przez supernową typu 1a nigdy przekraczana i nie następuje kolaps jądra w gwiazdę neutronową, a eksplozja wywołana przez gwałtowną syntezę węgla i tlenu jest bardziej zbliżona do wybuchu gwiazdy nowej, niż do supernowej typu II, w której właśnie gwałtowny kolaps i wyzwolona przy nim energia spadku materii na zwarty obiekt w środku jest głównym źródłem energii.

to opis wybuchu gwiazdy nowej. W wyniku wybuchu zewnętrznych warstw białego karła część masy zostaje odrzucona, a sam biały karzeł pozostaje

trzeba sobie zdawać sprawę, że nie ma bezpośrednich dowodów na przekroczenie granicy Chandrasekhara więc mamy do czynienia z hipotezą. Inna hipoteza zakłada, że do wybuchu supernowej Ia dochodzi podczas zderzenia białych karłów. Żeby było ciekawiej ten drugi scenariusz wydaje się niemal pewny w przypadku niektórych supernowych, gdy nowo powstała gwiazda neutronowa ma masę zdecydowanie przekraczającą 2 masy słoneczne. Taka gwiazda nie może powstać w pierwszym scenariuszu

pozdrawiam

Behlur_Olderys · 26 Stycznia 2016

Wydaje mi się oczywiste - z teoretycznego punktu widzenia - że tylko przekroczenie limitu Chandrasekhara może dać szansę na stworzenie gwiazdy neutronowej.

Niestety, nie wiem dlaczego piszesz, że podałem opis wybuchu gwiazdy nowej. Nie stało się tak. Jest to opis wybuch supernowej typu Ia.

Spędziłem sporo czasu czytając artykuły na ten temat i mimo początkowego zaskoczenia utwierdzam się w przekonaniu, iż w przypadkach wybuchów supernowych typu Ia, o ile dokonuje się to wg scenariusza akrecji materii z gwiazdy-towarzysza, nie pojawia się później gwiazda neutronowa, gdyż masa Chandrasekhara nie została nigdy osiągnięta, a całe zdarzenie to gwałtowna reakcja syntezy węgla i tlenu trwająca kilka sekund i rozrywająca białego karła na kawałki.

Mogę za to w 100% zgodzić się, iż tylko grawitacyjne zapadanie się jądra gwiazdy o masie przekraczającej masę Chandrasekhara doprowadzi do powstania gwiazdy neutronowej. Być może kolizja dwóch białych karłów daje szansę na taki kolaps. Ale w powolnej akrecji materii - nie, gdyż gwałtowna fuzja węgla i tlenu zachodzi tuż zanim limit Chandrasekhara zostanie przekroczony.

W razie czego proszę pierwszy paragraf poniższej publikacji:

http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0702351v1.pdf

Edytowane 26 Stycznia 2016 przez Behlur_Olderys

26 Stycznia 2016

"w gwiazdach nowych do zapłonu termojądrowego dochodzi jedynie w warstwach powierzchniowych białego karła. To nie doprowadza do jego całkowitej eksplozji i unicestwienia. Gwiazda nowa przechodzi na powierzchni zapłon termojądrowy, jaśnieje, po czym po pewnym czasie powraca do swojego stanu wyjściowego. Jednak w przypadku supernowych Ia cały zasilony wielką masą gwiezdnego towarzysza biały karzeł wybucha, nie pozostawiając po sobie żadnego trwałego obiektu."

źródło: http://www.wiz.pl/8,1729.html#

czy dobrze rozumiem, że eksplozja supernowej typu Ia prowadzi do zniszczenia całego białego karła, gdyż reakcje jądrowe obejmują nie tylko powierzchnię, ale zachodzą w całej objętości gwiazdy? A w wybuchu nowej reakcje termojądrowe zachodzą jedynie w miejscu, gdzie nagromadzony wskutek akrecji materiał styka się z powierzchnią białego karła i odrzuceniu ulega tylko zewnętrzna część (otoczka)?

Behlur_Olderys · 26 Stycznia 2016

"w gwiazdach nowych do zapłonu termojądrowego dochodzi jedynie w warstwach powierzchniowych białego karła. To nie doprowadza do jego całkowitej eksplozji i unicestwienia. Gwiazda nowa przechodzi na powierzchni zapłon termojądrowy, jaśnieje, po czym po pewnym czasie powraca do swojego stanu wyjściowego. Jednak w przypadku supernowych Ia cały zasilony wielką masą gwiezdnego towarzysza biały karzeł wybucha, nie pozostawiając po sobie żadnego trwałego obiektu."

źródło: http://www.wiz.pl/8,1729.html#

czy dobrze rozumiem, że eksplozja supernowej typu Ia prowadzi do zniszczenia całego białego karła, gdyż reakcje jądrowe obejmują nie tylko powierzchnię, ale zachodzą w całej objętości gwiazdy? A w wybuchu nowej reakcje termojądrowe zachodzą jedynie w miejscu, gdzie nagromadzony wskutek akrecji materiał styka się z powierzchnią białego karła i odrzuceniu ulega tylko zewnętrzna część (otoczka)?

W całej literaturze z jaką się spotkałem w tym temacie panuje konsensus, że dobrze rozumiesz