Сверхновые типа II возникают как завершающая стадия эволюции массивных звёзд с начальными массами более 8–10 масс Солнца. После истощения термоядерного горючего во внутренних слоях звезды, начинается гравитационное сжатие её ядра. Электронное вырождение и нейтронизация вещества не способны остановить сжатие, что приводит к катастрофическому коллапсу и формированию нейтронной звезды или чёрной дыры. Падающие внешние оболочки сталкиваются с образовавшимся жестким нейтронным ядром, и происходит обратный удар — мощная ударная волна, которая выбрасывает наружу оболочку звезды. В этот момент в звёздных слоях и вблизи ударной волны реализуются условия, при которых возможны высокоэнергичные ядерные реакции.
Сверхновые типа Ia происходят в тесных двойных системах, когда белый карлик, аккрецируя вещество от компаньона, достигает предела Чандрасекара (~1.4 M☉). Повышение давления и температуры в недрах приводит к термоядерному взрыву углеродно-кислородного ядра. В отличие от коллапсирующих сверхновых, здесь не формируется нейтронная звезда; вся структура объекта разрушается, а синтез новых элементов происходит в процессе взрывного термоядерного горения.
Температурный режим в ходе взрыва сверхновой достигает порядка 10⁹ К, что приводит к активации быстропротекающих ядерных реакций, часто в условиях фоторазрушения и ядерного равновесия. Существует несколько характерных областей, где протекают специфические типы нуклеосинтеза:
Альфа-процесс реализуется в условиях высокой температуры и плотности в зонах, где присутствует избыток гелия. Нуклеосинтез идет по пути:
⁴He + ⁴He → ⁸Be (нестабильно) + ⁴He → ¹²C → … → ²⁸Si → ³²S → ³⁶Ar → ⁴⁰Ca → ⁴⁴Ti → ⁴⁸Cr → ⁵²Fe → ⁵⁶Ni
Именно ⁵⁶Ni, образующееся в большом количестве, является краткоживущим предшественником ⁵⁶Fe, наблюдаемого в спектрах сверхновых через радиоактивные распады:
⁵⁶Ni (t₁/₂ ≈ 6.1 сут) → ⁵⁶Co (t₁/₂ ≈ 77 сут) → ⁵⁶Fe
Этот распад выделяет гамма-кванты, которые и обеспечивают послесвечение сверхновой на протяжении месяцев.
r-процесс является основным механизмом образования тяжёлых элементов с массовыми числами A > 90, включая золото, уран, платину и актиноиды. Он протекает в условиях экстремального нейтронного флюенса (плотность нейтронов >10²² см⁻³), когда захват нейтронов происходит быстрее, чем β-распад.
Характерные этапы r-процесса:
Местом протекания r-процесса долгое время считались внешние оболочки сверхновых, однако современные наблюдения и моделирование указывают, что основной вклад в r-процесс может исходить от слияний нейтронных звёзд, хотя вклад сверхновых коллапсирующего типа также остаётся значительным.
На поздних стадиях эволюции массивных звёзд ядро звезды состоит из железа и близких к нему по массе элементов, образовавшихся в условиях ядерного статистического равновесия (ЯСР). При температуре выше ~5×10⁹ К, реакции идут настолько быстро, что система переходит в состояние ЯСР, в котором энергетически наиболее выгодны изотопы с наибольшей связанной энергией на нуклон — то есть железо, никель, кобальт.
Элементы Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn формируются вблизи ядра звезды в ходе взрывного кремниевого горения и в процессе распада радиоактивных предшественников. Например:
⁴⁴Ti → ⁴⁴Sc → ⁴⁴Ca, ⁵⁷Ni → ⁵⁷Co → ⁵⁷Fe, ⁶⁰Zn → ⁶⁰Cu → ⁶⁰Ni
Во время коллапса и взрыва сверхновой выделяется колоссальное количество нейтрино (~10⁵⁸ частиц), которые, несмотря на слабое взаимодействие с веществом, играют ключевую роль в нуклеосинтезе.
ν-процесс — нейтриноиндуцированные реакции с ядрами, приводящие к образованию некоторых редких изотопов, например:
Нейтрино также могут участвовать в нейтронной генерации, необходимой для r-процесса, и в ускорении ударной волны при переходе от стагнации к экспансии.
Спектроскопические наблюдения сверхновых показывают наличие широкого набора химических элементов в выброшенном веществе. Их соотношения позволяют восстановить параметры взрыва и физику нуклеосинтеза.
Изотопные аномалии в метеоритах и солнечной системе, обнаруженные в инклюзах (CAIs), указывают на вклад сверхновых в химию предсолнечного вещества.
Гамма-астрономия регистрирует линии распада изотопов ⁴⁴Ti, ²⁶Al и ⁶⁰Fe — прямое свидетельство взрывного нуклеосинтеза.
По современным представлениям, именно сверхновые ответственны за основной вклад в химическое обогащение межзвёздной среды, начиная от кислорода и заканчивая актиноидами. С каждым взрывом в Галактику выбрасывается от 1 до нескольких солнечных масс нового вещества, которое в дальнейшем участвует в образовании новых звёзд и планетных систем.