Коллапс ядра звезды представляет собой один из наиболее драматичных процессов в астрофизике, напрямую связанный с физикой ускорителей и взаимодействием элементарных частиц при экстремальных плотностях и температурах. Процесс начинается, когда центральная область массивной звезды (масса > 8 M☉) исчерпывает запасы термоядерного топлива и давление, создаваемое термоядерными реакциями, становится недостаточным для противодействия гравитации.
В этот момент центральное ядро подвергается быстрому сжатию, скорость которого определяется балансом между гравитационной силой и вырожденным электронным давлением. В результате плотность ядра достигает порядка 1014 г/см3, что соответствует плотности ядерной материи.
Начальная стадия: Вырожденное ядро железа не может поддерживать дальнейшие термоядерные реакции. Энергия теплового движения электронов уже не способна компенсировать гравитационное давление.
Интенсивное сжатие: В течение нескольких сотых секунды ядро сжимается почти свободным падением. Скорость сжатия достигает значений порядка 0, 2 − 0, 3c, где c — скорость света.
Неупругие взаимодействия и нейтринные процессы: При высокой плотности происходят процессы нейтринного захвата на протонах:
p + e− → n + νe
Это приводит к быстрому увеличению концентрации нейтронов и выбросу мощного потока электронных нейтрино. Нейтрино уносят значительную часть энергии коллапса и играют ключевую роль в динамике последующего взрыва.
Формирование ударной волны: Когда ядро достигает плотности, сравнимой с ядерной, процесс сжатия резко замедляется, возникает обратная ударная волна. Эта ударная волна распространяется через надъядерные слои и может инициировать взрыв сверхновой.
Ударная волна в коллапсирующем ядре — это тонкая граница, за которой резко изменяются плотность, температура и давление. Энергия ударной волны определяется как кинетическая энергия коллапсирующего ядра: порядка 1053 эрг.
Ключевым механизмом переноса энергии ударной волны является нейтринное нагнетание: нейтрино, испускаемые из центрального ядра, частично рассеиваются на внешних слоях, передавая энергию и разгоняя их до скоростей, достаточных для синтеза тяжелых элементов и выброса массы в космос.
Взрыв сверхновой — это основной источник тяжелых элементов в галактике. Под действием ударной волны и интенсивного потока нейтрино происходят следующие процессы:
Физика ускорителей предоставляет инструменты для изучения ядерных реакций, которые происходят при температурах и плотностях, недостижимых в обычных лабораторных условиях. Использование ускорителей позволяет:
Моделирование ударных волн и нейтринного нагнетания требует точного знания сечений реакций, энергии распада и спектров нейтрино — данные, получаемые на ускорителях, критически важны для корректного предсказания интенсивности и химического состава сверхновых.
Энергия, выделяемая при коллапсе ядра и последующем взрыве, распределяется следующим образом:
Эти процессы демонстрируют глубокую связь астрофизики с физикой высоких энергий и ускорителей, где эксперименты на Земле помогают интерпретировать наблюдения космических событий.