ΝΕΤΡΙΝΑ ΚΑΙ SUPERNOVAE ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΕΜΦΕ – ΕΜΠ ΘΑΛΕΙΑ ΞΕΝΟΦΩΝΤΟΣ 05/05/2009

Τι γνωρίζουμε για το σύμπαν; Ηλικία : 13.73 δισ. έτη Διάμετρος: 93 δισ. έτη φωτός Πυκνότητα:9.9x10¯³⁰gr/cm³ Σκοτεινή Ενέργεια 74% Σκοτεινή Ύλη 22% Ορατή Ύλη 4% Ομογενές και ισοτροπικό Διαστέλλεται

Η ζωή ενός άστρου 3. Κατάρρευση πυρήνα Γέννηση άστρου αρχέγονο νέφος αερίου (Η,Ηe και ίχνη από ελαφρά στοιχεία) συμπιέζεται από την βαρύτητα. 2. Υδροστατική-Θερμική ισορροπία α)Υδροστατική Ισορροπία :βαρύτητα συμπιέζει αέριο  Τ και Ρεσ αερίου αυξάνονται  Πίεση-Βαρύτητα εξουδετερώνονται  σταματά διαστολή β)Θερμική Ισορροπία :εκπομπή ακτινοβολίας  απώλεια ενέργειας θερμοπυρηνική σύντηξη  απελευθέρωση ενέργειας 3. Κατάρρευση πυρήνα 4. Supernova

Εξέλιξη άστρου Εξέλιξη Massive Star M>8M Στο τέλος... Δομή κατά στρώσεις Πυκνός πυρήνας Fe Γεννήτορας Άστρου (Τύπου II) Εκφυλισμένος πυρήνας Fe  107 g·cm-3 T  1010 K MCore  1.4M RCore  5000km M  =2x10³³gr

Γιατί αυξάνεται ο ρυθμός καύσης των στοιχείων του πυρήνα; Στα πιο βαριά στοιχεία η ενέργεια που απελευθερώνεται ανά αντίδραση μειώνεται. Διαδικασία Urca (Gamov-Schoenberg) (N,Z) + e-  (N+1,Z-1) + e Πυρηνική σύλληψη e- Διάσπαση-β Εe⁻=0.25MeV προέρχεται από εκφυλισμένο αέριο e- (δημιουργία κατά τα τελευταία στάδια καύσης λόγω υψηλών πυκνοτήτων)

Μηχανισμός Κατάρρευσης Πυρήνα 1.Κατάρρευση Πυρήνα Όταν τελειώσουν τα καύσιμα στον πυρήνα του άστρου, ο πυρήνας συστέλλεται και η συστολή θα μετατραπεί σε κατάρρευση ελεύθερης πτώσης για 2 λόγους: Α) συμπίεση Τcore>5x10⁹ °K παραγωγή φωτονίων (Εφ > κατώφλι διάσπασης Fe)  διάσπαση Fe σε πυρήνες He και n (ενδόθερμη αντίδραση). Β) ρcore αυξάνεται  εκφυλισμένο αέριο e-  p + e-(2.25 MeV) n + e ΣΥΛΛΗΨΗ e- neutronization  e διαφεύγουν αφαιρώντας ενέργεια. Not enough energy to mantain the thermal equilibrium + not enough pressure to mantain the hidrostatic equilibrium, then the contraction turns into a free fall collapse and as αυξανόμενος ρυθμός ψύξης + αυξανόμενη βαρυτική δύναμη (~1/r²)  κατάρρευση σαν ελεύθερη πτώση , παράγονται τεράστιες ποσότητες νετρίνων . Σε λιγότερο από 1sec ο πυρήνας ακτίνας 4000 km έχει συνθλιβεί σε σφαίρα ακτίνας 10 km. Η ύλη έξω από τον πυρήνα δεν έχει καταλάβει τι συνέβη . Αρχική μέση πυκνότητα :10⁷gr/cm³ - πυκνότητα νέου πυρήνα: 3x10¹⁴ gr/cm³ .

Μηχανισμός Κατάρρευσης Πυρήνα 2. Αναπήδηση του πυρήνα Η εσωτερική πίεση αυξάνει: 1.Εκφυλισμένη πίεση νουκλεονίων 2.Απωθητικές πυρηνικές δυνάμεις Μόλις  > 3·1014 g/cm3, ο εσώτερος πυρήνας Σιδήρου ακτίνας 10 km γίνεται ασυμπίεστος και η κατάρρευσή του απότομα σταματά διότι σχηματίζεται ΕΚΦΥΛΙΣΜΕΝΟ ΑΕΡΙΟ ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΩΝ. Ο εσώτερος πυρήνας επαναδιαστέλλεται (όπως μια συμπιεσμένη λαστιχένια μπάλα μπορεί να επανέλθει στην ισορροπία). Στρώμα πυκνής ύλης ορμά προς τα έξω με U~10.000 km/s (κρουστικό μέτωπο). Ύλη από τα εξωτερικά στρώματα πέφτει με U~ 60.000 km/s . Το κρουστικό μέτωπο χάνει ενέργεια καθώς διαπερνά την πέφτουσα ύλη και η ταχεία επέκτασή του σταματά.

Μηχανισμός Κατάρρευσης Πυρήνα 3. Δημιουργία Νετρονιακού Άστρου Η πίεση από το εκφυλισμένο αέριο eˉ και νετρίνων, στηρίζει το στρώμα θερμής και πυκνής ύλης (σχετικά στατικό) πίσω από το μέτωπο κρούσης και έξω από τον εσώτερο πυρήνα. Το κεντρικό τμήμα αυτού του πυκνού στρώματος συμπεριλαμβανομένου και του εσώτερου πυρήνα, ακτίνας περίπου 40 km, ονομάζεται ΠΡΩΤΟ-ΝΕΤΡΟΝΙΑΚΟ ΑΣΤΡΟ. Αποτελείται από eˉ,ν και πυρηνική ύλη. Έχει Μ  1.2M ρ  10¹¹g/cm³ Το σχετικά στατικό στρώμα θερμής και πυκνής ύλης μεταξύ μετώπου κρούσης και Πρωτο-Νετρονιακού άστρου, ονομάζεται ΨΕΥΔΟΣΤΑΤΙΚΟ ΣΤΡΩΜΑ ΥΛΗΣ. Μετά από 10sec το Πρωτο-Νετρονιακό άστρο θα ψυχρανθεί και θα συμπιεστεί για να γίνει το πολύ πιο πυκνό ΝΕΤΡΟΝΙΑΚΟ ΑΣΤΡΟ, που είναι και το τελικό σημείο της αστρικής εξέλιξης.

Τι είναι η supernova; Ογκώδες αστέρι πεθαίνει εκρήγνυται. Ογκώδες αστέρι πεθαίνει εκρήγνυται. Απελευθερώνονται τεράστια ποσά ενέργειας. Ύλη άστρου εξοβελίζεται με U~1/10c. Κρουστικό μέτωπο σχηματίζει το νεφέλωμα. Νεφέλωμα Crab γεννήτορας : γίγαντας αστέρας απόσταση : 6.500 έτη φωτός supernova 1054 μ.Χ ορατή εκπομπή > 75.000 ήλιους κέντρο : στροβιλιζόμενο άστρο Νετρονίου Νεφέλωμα Crab

Χαρακτηριστικά στοιχεία για SN Σπάνιες: 1 κάθε 50 χρόνια περίπου στον γαλαξία μας ορατές με γυμνό μάτι:1006 (Lupus), 1054 (Chiιnese), 1572 (Brahe), 1604(Kepler). Η SN1054 λαμπρή όσο και το φεγγάρι για μερικές μέρες. Υπάρχουν δισεκατομμύρια μακρινών γαλαξιών οπότε είναι ευδιάκριτες. Τα τελευταία 100 χρόνια έχουν παρατηρηθεί πάνω από 1.000. Λαμπρότητα: 600x10⁶ – 4x10⁹ L , L =3.85x10³³erg/s Μια SN σε 10 sec απελευθερώνει 100 φορές την ενέργεια που θα απελευθερώσει ο ήλιος στη διάρκεια της ζωής του. Σύντομες: η Λαμπρότητα μειώνεται στο 1/100 μέσα σε 4 μήνες. Κατηγορίες SN SN Τύπου Ι Απουσία Η από φάσμα εκπομπής SN Τύπου ΙΙ Το φάσμα εκπομπής τους περιέχει Η

ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ 1960 Άμεσο Μοντέλο (Colgate & Johnson) Το κινούμενο προς τα έξω κρουστικό κύμα που παράγεται από την ‘αναπήδηση’ του πυρήνα είναι ικανό να εξοβελίσει το αστρικό περίβλημα. Υπολογίστηκαν από κινητική ενέργεια θραυσμάτων, οι ενέργειες έκρηξης των supernova : 10⁵¹ergs 1foe (1erg=100nJ=624,15GeV). Όμως διαθέσιμη ενέργεια είναι 300foe!  Η περισσότερη ενέργεια μεταφέρεται από τα νετρίνα καθώς νετρονοποιείται ο πυρήνας μέσω σύλληψης eˉ. 1965 Θέρμανση από Νετρίνα (Colgate & White) Μια SN ενεργοποιείται όταν ένας πυρήνας Σιδήρου καταρρέει απ’ευθείας σε Νετρονιακό άστρο. Πέφτουσα ύλη συγκρούεται με Νετρονιακό άστρο  ανάπτυξη μετώπου κρούσης αρκετά θερμό ώστε εκπέμπονται νετρίνα  η πέφτουσα ύλη απορροφά νετρίνα,θερμαίνεται και διαστέλλεται  ΕΚΡΗΞΗ. 1973 Σκεδάσεις Ουδέτερων Ρευμάτων των Νετρίνων (Cern) Νέος τύπος αλληλεπίδρασης : τα σωματίδια ανταλλάσσουν ένα Ζ° μποζόνιο. Δεν υφίσταται αλλαγή στην κατάσταση φορτίων των συμμετεχόντων. Το νετρίνο μπορεί να σκεδαστεί από νουκλεόνια και eˉ. Υπερισχύει στις συνθήκες που επικρατούν κατά την κατάρρευση του πυρήνα  όταν ρ>10¹¹g/cm³ τα νετρίνα σκεδάζονται τόσο συχνά  ΠΑΓΙΔΕΥΟΝΤΑΙ ΣΤΟΝ ΠΥΡΗΝΑ.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΥΠΟΘΕΣΕΙΣ 1982 Καθυστερημένο μοντέλο (Wilson) Αναπήδηση πυρήνα  κίνηση κρουστικού μετώπου πέρα από την υπέρπυκνη επιφάνεια του Πρωτο-Νετρονιακού άστρου  χάνει ενέργεια και σταματά. Νετρίνα σκεδάζονται με πυρήνες και αδέσμευτα νουκλεόνια (ουδ. ρεύματα)  παγιδεύονται στο Πρωτο-Νετρονιακό άστρο  ασκούν σημαντική εκφυλισμένη πίεση στο μέτωπο κρούσης. Εκφυλισμένη λεπτονική πίεση  δημιουργείται ψευδο-στατικό στρώμα ύλης. Νετρίνα διαρρέουν από το Πρωτο-Νετρονιακό άστρο και εναποθέτουν ενέργεια στο ψευδοστατικό στρώμα  η ύλη θερμαίνεται ‘από κάτω’, διαστέλλεται και οδηγεί το μέτωπο κρούσης προς τα έξω. Στις πρώτες προσομοιώσεις, δημιουργούνταν fizzles που εξελίσσονταν σε επιτυχείς εκρήξεις.

Καθυστερημένο Μοντέλο

Η SN1987A 24 Φλεβάρη 1987. Μέγα Μαγγελανικό Νέφος. 170.000 έτη φωτός. 24 Φλεβάρη 1987. Μέγα Μαγγελανικό Νέφος. 170.000 έτη φωτός. Φωτογραφικά αρχεία του σημείου έκρηξης. Άστρο γεννήτορας: Μπλέ υπεργίγαντας μάζας 20M. Παρατηρήθηκαν νετρίνα στους ανιχνευτές: Kamiokande II (Ιαπωνία) IMB (Οχάϊο).

Ανιχνευτές νετρίνων από SN1987A Kamiokande II IMB 1. Ανιχνευτής Cherenkov 1. Ανιχνευτής Cherenkov 2. 3.000 τόνοι καθαρού νερού 2. 8.000 τόνοι καθαρού νερού 3. Βάθος 2.700μ. στα ορυχεία Kamioka 3. Βάθος 1570μ. στα ορυχεία Morton-Thiokal , Ohio

Ανίχνευση Νετρίνων cosθc= 1/βn , όπου θc : γωνία άξονα διεύθυνσης διάδοσης ακτινοβολίας και άξονα κίνησης σωματιδίου β=U/c n : δείκτης διάθλασης μέσου(νερό 1.33)

Ανίχνευση νετρίνων SN1987Α Διάγραμμα Απόδοσης Ανίχνευσης-Εe Διάγραμμα ενέργειας - χρόνου

Σύγκριση Δεδομένων Kamiokande II : 12 και ΙΜΒ : 8 σε χρονικό διάστημα 10sec. Το σήμα που ανιχνεύθηκε στηρίζει την εικόνα ενός θερμού Πρωτο –Νετρονιακού άστρου, είναι σύμφωνο με τις θεωρίες κατάρρευσης του πυρήνα. Η διάρκεια του καταιγισμού συμφωνεί με τον χρόνο ψύξης των 10sec του Πρωτο-Νετρονιακού άστρου. Το φάσμα εκπομπής των νετρίνων επέτρεψε την εκτίμηση της συνολικής ενέργειας που εκπέμφθηκε από την SN και είναι συνεπές με το σχηματισμό ενός Νετρονιακού άστρου ακτίνας 15km και μάζας 1.4 M . Το φάσμα εκπομπής της SN1987A έδειξε ότι το εκτοξευόμενο περίβλημα αναταράχτηκε αρκετά στη διάρκεια της έκρηξης ακόμα και σε μεγάλες αποστάσεις. Παρουσία Fe στα εξώτερα στρώματα H και He !!

Μοντέλο Μεταφοράς Θερμότητας μέσω νετρίνων Μοντέλο Μεταφοράς Θερμότητας μέσω νετρίνων Πώς εξηγείται το ανακάτεμα των στοιχείων; Το διπλανό γράφημα δείχνει ένα κομμάτι της περιοχής του πυρήνα 50 ms μετά το bounce. Το μέτωπο κρούσης έχει ακτίνα περίπου 300km. H πέφτουσα ύλη διαπερνά το μέτωπο και η πυκνότητά του αυξάνεται ενώ η ταχύτητα πέφτει. Ψυχρότερη πέφτουσα ύλη συναντά ολοένα και μεγαλύτερες ροές θερμών και ενεργητικών νετρίνων, θερμαίνεται και διαστέλλεται σε μεγάλες φυσαλίδες. Κινούνται ανοδικά,μεταφέρουν ενέργεια στο μέτωπο κρούσης ,επιτρέποντάς του να κινηθεί περαιτέρω προς τα έξω. Το άστρο γίνεται SN. Κύκλος μεταφοράς θερμότητας από τα νετρίνα.

Συμπεράσματα Οι προσομοιώσεις μας οδήγησαν στο να θεωρήσουμε τις SN σαν μια μηχανή μεταφοράς θερμότητας: Πρωτο-Νετρονιακό άστρο: θερμή πηγή εκπομπής νετρίνων. Αστρικό περίβλημα: ψυχρό reservoir. Μεταγενέστερες προσομοιώσεις επιβεβαιώνουν το ρόλο-κλειδί της μεταφοράς θερμότητας λόγω θερμών νετρίνων. Το νετρονικό σήμα από την SN1987A, έθεσε ένα νέο όριο στη μάζα του e λιγότερο από 10eV.(μετρώντας τη διασπορά στις ενέργειες και στους χρόνους άφιξης , προσδιορίζουμε την U ενώ η απόσταση είναι γνωστή). Τρέχουσες προσομοιώσεις αντιμετωπίζουν σημαντικά προβλήματα: 1. Οι μάζες υπολειμμάτων Νετρονιακών άστρων είναι πολύ μικρές σε σχέση με τις μάζες των διπλών Νετρονιακών άστρων. 2. Η προσομοίωση σε σχέση με την παρατηρούμενη ηλιακή και γήινη αφθονία, έχει πάρα πολλή ύλη πλούσια σε νετρόνια(Kr) που εκτοξεύεται από την έκρηξη. Τελικά, ψάχνουμε τις απαντήσεις μέσω Φυσικής Υψηλών Ενεργειών και γι’αυτό μιλάμε για ΑΣΤΡΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΗ ΦΥΣΙΚΗ.

Βιβλιογραφία Neutrino and Supernovae , M. Herant,S. Colgate,W. Benz and C. Fryer The 20th Anniversary of SN1987A , Atsuto Suzuki Σημειώσεις Αστροφυσικής και Κοσμολογίας , Γ.Κουτσούμπας Αστροφυσική, Τόμος Ι: Αστέρες , Frank H. Shu Εισαγωγή στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών , Donald D. Perkins Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Cherenkov και Εφαρμογές (παρουσίαση PowerPoint Σεμινάριο Φυσικής 2007) , Φίλλης Ευάγγελος www.wikipedia.org www.google.com