Ⅱ형 초신성

Ⅱ형 초신성(일명 핵붕축 초신성)은 대질량 항성이 내부 붕괴에 의해 격렬하게 폭발한 결과로 분류상 격변성의 한 갈래입니다. 내부 붕괴를 일으킬 수 있는 항성은 태양 질량의 최소 9배입니다. 
질량이 큰 항성은 핵융합에서 에너지를 생산합니다. 태양과 달리 이들 항성의 질량은 수소와 헬륨보다 원자량이 무거운 원소를 합성할 수 있습니다. 항성의 진화는 질량이 큰 핵융합 연료를 공급하여 철 원소가 만들어질 때까지 더 큰 핵융합 연료를 저장합니다. 그러나 철의 핵융합은 에너지를 만들어 항성을 지탱할 수 없기 때문에 핵심적인 질량은 전자가 간단히 압력을 합쳐서 지탱합니다. 이 압력은 페르미자에 속하는 전자로부터 나오며 항성이 압축될 때 원자핵 내에서 같은 에너지 상태를 가질 수 없습니다.

 

철핵의 질량이 태양질량의 1.44배(찬드라세카 한계)보다 크면 내폭으로 이어집니다. 빠른 수축은 핵심을 가열시켜 빠른 핵반응으로 대량의 중성자와 중성미자를 형성합니다. 중성자의 짧은 거리력에 의해 붕괴가 저지됩니다. 밖으로 휙 돌아 나갑니다. 바깥으로 전달되는 진파는 주위를 둘러싸고 있는 물질을 밀어내고 초신성의 폭발을 이룰 수 있는 충분한 에너지가 있습니다.

Ⅱ형 초신성의 폭발은 몇 가지 다른 종류가 있습니다. 폭발 후의 광도 곡선-광도 대 폭발 후의 시간 변화 그래프-에 따라 분류할 수 있습니다. Ⅱ-L 초신성은 안정된 선형 광도 저하를 나타냅니다. Ⅱ-P 초신성은 정상적인 광도에서 광도를 나타냅니다. 하강 이후 완만한 하강을 보여야 정상적인 하강곡선이 이어집니다. 일반적으로 이들 붕괴 초신성의 스펙트럼에도 수소의 스펙트럼이 나타납니다. 비록 Ib와 Ic 초신성도 수소와 헬륨(Ic 초신성)의 껍질을 던진 핵심 붕괴 대질량 항성이지만 이들의 스펙트럼은 이들 원소가 부족하게 보입니다.

 

 

Ⅱ형 초신성의 형태

태양보다 질량이 큰 항성의 진화 과정은 태양보다 훨씬 복잡합니다. 태양의 핵심에서 수소는 융합되어 헬륨이 되며, 방출된 열에너지는 태양의 핵심과 압력을 공급하여 태양을 지탱하는 껍데기가 핵심의 붕괴를 막습니다. 핵심에서 제조·축적된 헬륨은 온도가 높지 않아 더 이상의 핵융합을 일으키기에 충분하지 않습니다. 마지막으로 핵심 수소가 마르면 융합이 느려지고 중력으로 인해 핵심이 수축하기 시작합니다. 수축에 의해 높아진 온도는 짧은 기간 동안 헬륨 융합을 일으키기에 충분합니다. 이는 항성의 생명에 있어서 보통 10%보다 짧습니다. 질량이 태양질량의 8배 이하인 항성은 헬륨이 융합해 생성된 탄소를 연료로 사용할 수 없습니다. 항성은 점차 냉각되어 백색왜성이 될 것입니다. 백색왜성에 가까운 동반성이 있다면 Ia 초신성이 될 수 있습니다. 

질량이 더 큰 항성은 어떻게든 질량만 충분하면 헬륨 연소 단계가 끝난 후 더 높은 온도와 압력을 만들어 핵심 탄소를 연료로 만들어 핵융합을 시작할 수 있습니다. 더 무거운 원소가 이 큰 질량 항성의 핵심에 형성되었을 때, 이 원소들은 양파처럼 겹겹이 쌓여 있는데, 가장 바깥쪽에는 수소 원소가 둘러쌓여 있고, 안쪽으로 갈수록 더 무거운 원소인 수소융합합성 헬륨이, 더 안쪽에는 3헬륨으로 바뀌는 탄소가 둘러져 있습니다. 이 큰 질량 항성들의 진화 단계는 끊임없이 반복됩니다. 먼저 핵심 연소가 멈춘 후 수축하기 시작하여 온도와 압력을 상승시키고 다음 단계의 핵융합을 진행할 수 있을 때까지 다시 점화시켜 핵심의 수축을 막습니다. 

 

코어의 붕괴

이 과정의 제한은 핵융합을 통해 생성되는 총 에너지입니다. 이 에너지는 이 핵자들을 묶는 속박 에너지와 관련이 있고, 핵자의 수와도 관련이 있습니다. 모든 단계는 더 무거운 원소를 발생시키지만, 방출되는 에너지는 점점 적습니다. 이 과정은 니켈-56 발생까지 지속됩니다(방사성 붕괴를 거쳐 철-56이 됩니다). 철과 니켈은 모든 원소 중 단위당 핵자 속박능력이 가장 높으므로 더 이상 핵융합을 통해 에너지를 방출하지 못합니다. 니켈-철핵은 계속 성장합니다. 이 핵심은 중력의 큰 압력 아래서 항성이 온도와 압력을 더 높일 수 있는 핵융합이 지지되지 않을 때 전자에 의해 간단히 지탱될 수밖에 없습니다. 이 경우, 물질의 밀도가 이렇게 높으면, 전기를 강제할 것입니다. 자(子)가 같은 에너지 계단을 차지하는 것은 페르미자(전자처럼)가 지켜야 할 불이익의 원리에 어긋나는 것입니다.

핵심 크기가 찬드라세카의 한계를 넘어서면 제인의 압력이 버티지 못하고 재앙의 위축이 시작됩니다. 핵심 외곽부가 핵심으로 내려앉는 속도는 초속 70,000km(광속의 23%) 빠른 수축으로 핵심 온도가 상승하여 높은 에너지의 감마선을 발생시켜 철핵을 헬륨과 자유중성자로 붕괴시킵니다. 핵심 밀도가 높아지면 헬륨 핵이 정력적으로 변해 전자와 양성자가 전자의 흡수(반베타 붕괴)를 거쳐 중성자와 중성미자가 될 수 있습니다. 중성미자는 일반 물질과의 작용이 어렵기 때문에 코어로부터 도주할 수 있고, 에너지를 가져가 코어 붕괴를 가속시키는 것이 모두 밀리초의 시계표 안에서 이루어집니다. 핵심이 항성의 껍질과 분리될 때, 일부 중미(中微)가 있습니다. 바깥층에 흡수되어 초신성의 폭발이 시작됩니다. 

Ⅱ형 초신성의 경우 붕괴는 결국 중성자와 중성자의 단거리 상호작용 척력(강력한 작용력을 매개체로 함), 즉 중성자의 약병합 압력에 의해 막히고 원자핵과 비슷한 밀도의 핵심을 형성하게 됩니다. 축소가 멈추면 핵심으로 떨어집니다. 물질은 튕겨서 바깥으로 퍼지는 것과 같은 충격파를 만들 수 있습니다. 진파로부터의 에너지는 핵심 중원소를 해리시키고 진파의 에너지를 감소시켜 외핵 내에서 폭발을 멈추게 하는 작용을 일으킬 수 있습니다. 

핵심 붕괴 단계의 고밀도와 풍부한 에너지는 중성미자만이 핵심을 탈출할 수 있습니다. 양성자와 전자는 전자 포획을 통해 중성자와 전기 중성미자를 형성합니다. 전형적인 Ⅱ형 초신성의 새로 형성된 중성자 핵심의 초기 온도는 대략 천억 K입니다. 105 태양의 핵심 온도입니다. 이 열에너지는 반드시 방출돼야 안정적인 중성자별(그렇지 않으면 중성자가 끓어오른다)을 만들 수 있는데, 이는 중성미자의 추가 발사를 통해 완성됩니다. 이러한 "열" 중성미자는 중성미자-반중성미자 쌍의 맛을 형성합니다. 총수는 전자 포획 중성미자의 몇 배 입니다. 이 두 중성미자의 발생 메커니즘은 핵심이 무너져 내리는 중력위(重力位)를 10초간 중성미자로 바꿔 폭발시켜 1046초이의 에너지(100 foes)를 방출합니다. 

"대략 1044초이(1 foe)의 에너지가 재흡수되어 충격적인 작용을 잃게 된다" 폭발 과정을 정확히 알 수는 없지만 초신성 1987A 폭발 사건에서 이미 실제 관은 존재합니다. 초신성 폭발로 인한 중성미자를 측정한 결과, 주류 천문학자들은 핵심이 무너지는 줄거리가 대체로 옳다고 생각했습니다. 물을 기반으로 한 가미오카 II와 IMB 모두 열에너지로부터의 반중성미자를 검출했고 갈륨-71 기반의 Baksan은 열과 전자포획으로부터의 중성미자(경성자 수=1)를 검출했습니다.

원시 항성의 질량이 20 태양 질량보다 낮을 때(근거리에 폭발하는 힘과 되돌아오는 물질의 총량) 핵심 붕괴 후의 간단히 병합된 잔해는 중성자 별입니다. 이 질량을 넘어서 붕괴된 잔해는 블랙홀입니다.이론적으로, 이러한 핵심 붕괴의 질량 한계는 태양 질량의 40-50배입니다. 이 질량의 항성은 초신성 폭발을 거치지 않고 바로 블랙홀이 될 것으로 믿습니다. 그러나 불확실한 초신성 모델에서 이러한 연산을 진행합니다. 이러한 한계 또한 불확실합니다.