当恒星中心的电子被吃掉之后

作者: 亨亨

来源: https://phys.org/news/2020-03-electron-eating-neon-star-collapse.html

发布日期: 2020-04-03

一项新研究发现,大质量恒星中的氖元素可以俘获核心电子,导致恒星坍缩成中子星并产生超新星。研究人员模拟了质量为太阳质量8到10倍的恒星的演化过程,揭示了电子俘获过程如何影响恒星的最终命运。

在宇宙中,遍布着许多不同种类的恒星。不同大小的恒星,生命周期也不同,最终的结局也有所不同。一项新的研究发现,在一些大质量的恒星内部,元素氖(Ne)可以俘获在恒星核心的电子,从而导致恒星坍缩成中子星,并产生超新星。研究人员将目标锁定在质量为太阳质量的8到10倍的恒星,这些恒星通常具有一个由氧(O)、氖(Ne)和镁(Mg)组成的核心(简称ONeMg核心)。

核心中含有大量的简并电子,这意味着在致密的空间中含有大量电子,这些电子具有足够的能量来对抗引力,从而避免核心坍缩。然而,一旦核心的密度足够高,电子就会被同样存在于核心的镁和氖所消耗。

过去已有研究证实,一旦核心的质量接近钱德拉塞卡极限,镁和氖就会开始吞噬电子,产生所谓的电子俘获过程。但关于电子俘获是否会导致中子星的形成,却一直存在争议。

为此,天文学家研究了一颗质量为太阳质量8.4倍的恒星的演化过程,并运行了计算机模拟来寻找答案。通过一些最新的与密度以及温度相关的电子俘获率数据,研究人员模拟了恒星核心的演化,恒星的核心是由简并电子的压力对恒星自身引力的对抗所维持的。由于镁和氖主要吞噬电子,因此电子数量会减少,核心也迅速缩小。

电子俘获还会释放热量。

当星核的中心密度超过10¹⁰g/cm³时,核心中会启动氧燃烧,并产生铁、镍等铁族原子核。这时,温度会变得非常高,从而使质子得到自由并逃逸。在此之后,电子开始变得更容易被自由的质子和铁族原子核俘获,由于其密度如此之高,以至于内核在没有产生热核爆炸的情况下就坍缩了。在新的电子俘获率下,氧燃烧会在稍微偏离中心的位置发生。

尽管如此,坍缩形成了一颗中子星,并引发了超新星爆炸,这表明超新星是可以由电子俘获引发的。

前面我们已经提到,这些质量范围在8到10倍太阳质量的恒星会形成由氧、镁、氖构成的核心,ONeMg核心随后会通过壳层燃烧而增加质量,恒星则将继续演化。在这个后续的演化过程中,恒星的富含氢的包层会在一些机制(如星尘风等)之下损失质量。

这些恒星的命运最终有两种结局:假如它几乎已经失去了所有富含氢的包层,那么就会形成一个由ONeMg构成的白矮星;假如包层的质量损失很少,ONeMg核心的质量接近钱德拉塞卡极限,恒星就会如研究人员在模拟中发现的那样,形成一颗由电子俘获引发的超新星。研究人员认为,电子捕获超新星或许就能解释,早在1054年就被记录下的形成了蟹状星云的超新星特性。

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