탄소 폭발
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1. 개요
탄소 폭발은 백색 왜성이 질량을 흡수하여 찬드라세카 한계에 도달하거나, 두 백색 왜성이 병합되어 찬드라세카 한계를 넘어서면서 발생하는 현상이다. 백색 왜성은 자체적으로 핵융합을 조절할 수 없어 열 폭주에 취약하며, 내부 온도 상승으로 탄소 핵융합이 시작된다. 이 과정에서 레일리-테일러 불안정성과 난류가 발생하여 핵융합이 가속화되고, 열핵 화염이 일어나 Ia형 초신성으로 이어지며 백색 왜성이 파괴된다. Ia형 초신성은 우주의 팽창 속도 측정 및 암흑 에너지 연구에 중요한 정보를 제공한다.
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2. 백색 왜성의 밀도와 질량 증가
백색 왜성은 핵융합 연료를 소진한 후 수축하고 냉각되는 과정에서 형성된다. 백색 왜성은 주로 전자 축퇴압에 의해 지지되며, 온도와 무관하게 높은 밀도를 유지한다. 백색 왜성은 쌍성계의 동반성이나 다른 별과의 충돌을 통해 외부로부터 물질을 흡수하여 질량을 증가시킬 수 있다.
2. 1. 찬드라세카 한계와 탄소 폭발
백색 왜성은 작거나 중간 크기 별(예시: 태양)의 잔해이다. 별은 생애 말기에 수소와 헬륨 연료를 태우고 핵융합 과정이 중단되면, 자체 중력에 의해 더 무거운 원소를 태우거나 중성자별 또는 II형 초신성으로 붕괴될 만큼 충분한 질량을 가지고 있지 않으므로 점차 수축하고 냉각되면서 매우 밀도가 높아진다.가끔 백색 왜성은 다른 원천으로부터 질량을 얻는다. 예를 들어, 왜성 별이 충분한 양의 물질을 자체적으로 흡수할 수 있을 만큼 가까이 있는 쌍성 동반자나 다른 별과의 충돌로, 동반자 자체의 후기 단계 별의 진화 과정에서 방출된 물질을 흡수한다. 백색 왜성이 충분한 물질을 얻으면 내부 압력과 온도가 상승하여 탄소가 핵에서 융합을 시작할 만큼 충분해진다. 탄소 폭발은 일반적으로 흡수된 물질이 백색 왜성의 질량을 대략 1.4 태양 질량인 찬드라세카 한계에 가깝게 밀어낼 때 발생한다. 찬드라세카 한계는 별의 수명 동안 붕괴를 막는 전자 축퇴압을 중력이 극복할 수 있는 질량이다. 이는 두 개의 백색 왜성이 병합될 때 결합된 질량이 찬드라세카 한계를 "넘는" 경우에도 발생하며, 이는 Ia형 초신성으로 이어진다.
주계열성은 열압력에 의해 지지되며 팽창하고 냉각되어 열에너지의 증가에 자동으로 균형을 맞춘다. 그러나 축퇴압은 온도와 무관하므로, 백색 왜성은 일반 별의 방식으로 융합 과정을 조절할 수 없어 열 폭주 융합 반응에 취약하다.
3. 핵융합과 압력
백색 왜성에서 핵융합 반응이 다시 시작되면 열이 방출되지만, 초기에는 외부 압력이 주로 축퇴압에 의해 유지된다. 핵융합이 재개되어도 별은 즉시 팽창하지 않기 때문에, 열 폭주 융합 반응이 발생할 가능성이 있다.
3. 1. 열 폭주와 양의 되먹임
백색 왜성의 경우, 재개된 핵융합 반응은 열을 방출하지만, 별 내부에 존재하며 추가적인 붕괴에 저항하는 외부 압력은 초기에는 거의 전적으로 축퇴압에 기인하며, 핵융합 과정이나 열에는 거의 기인하지 않는다. 따라서 핵융합이 재개될 때에도, 별의 열 평형에 핵심적인 외부 압력은 크게 증가하지 않는다. 그 결과, 별은 수소 연소 시(너무 늦기 전까지) 그랬던 것처럼, 핵융합과 열 과정을 중력 및 전자 압력과 균형을 맞추기 위해 크게 팽창하지 않는다. 팽창에 의한 냉각 수단 없이 열 생산이 증가하면 내부 온도가 극적으로 상승하고, 따라서 핵융합 속도 또한 매우 빠르게 증가하는데, 이는 양의 되먹임의 한 형태인 열 폭주로 알려져 있다.[2]3. 2. 레일리-테일러 불안정성과 난류
불꽃은 레일리-테일러 불안정성과 난류와의 상호 작용으로 인해 극적으로 가속화된다. 융합 재개는 레일리-테일러 불안정성에 따라 불균등하게 팽창하는 일련의 "거품" 형태로 바깥쪽으로 확산된다.[3] 융합 영역 내에서 부피가 변하지 않는 상태에서 열 증가는 융합 속도를 기하급수적으로 빠르게 증가시킨다. 이는 열적 압력이 무한정 증가하는 일종의 초임계 현상이다. 이 상황에서는 유체정역학 평형이 불가능하므로 "열핵 화염"이 촉발되고 왜성 표면을 통해 폭발적인 분출이 발생하여 왜성을 완전히 파괴하며, 이는 Ia형 초신성으로 관찰된다.4. 초임계 현상과 Ia형 초신성
융합 영역 내에서 열이 증가하면 융합 속도가 기하급수적으로 빨라지는 초임계 현상이 발생한다. 이는 열적 압력이 무한정 증가하는 현상으로, 유체정역학 평형이 불가능해져 "열핵 화염"이 촉발된다. 이로 인해 백색 왜성은 완전히 파괴되며, 이는 Ia형 초신성으로 관측된다.[3] 이러한 현상은 충분한 질량을 가진 적색 거성 핵에서 발생하는 헬륨 플래시에서도 덜 극적인 형태로 나타난다.
4. 1. 핵융합의 결과
핵융합의 정확한 세부 사항과 관계없이, 백색 왜성 내의 탄소와 산소는 불과 몇 초 만에 더 무거운 원소로 변환되며,[4] 내부 온도는 수십억 도까지 상승한다. 이 열핵융합으로부터의 에너지 방출(1–2E)은[5] 별을 중력 결합 에너지로부터 "해제"하기에 충분하다. 즉, 백색 왜성을 구성하는 개별 입자가 서로 분리될 수 있을 만큼 충분한 운동 에너지를 얻게 된다. 별은 격렬하게 폭발하고 물질이 빛의 속도의 약 6%에 해당하는 5,000–20,000km/s의 속도로 방출되는 충격파를 발생시킨다. 폭발로 방출된 에너지는 극심한 광도 증가를 야기한다. Ia형 초신성의 전형적인 시각적 절대 등급은 Mv = −19.3(태양보다 약 50억 배 밝음)이며, 변동이 거의 없다.[6]참조
[1]
간행물
The Short Spectacular Life of a Superstar
2004
[2]
웹사이트
Current Research Highlight: Three-dimensional simulations of Type Ia supernova explosions
http://wwwmpa.mpa-ga[...]
Max-Planck-Institut für Astrophysik
2004-10
[3]
웹사이트
Archived copy
http://www.jinaweb.o[...]
[4]
간행물
The case against the progenitor's carbon-to-oxygen ratio as a source of peak luminosity variations in Type Ia supernovae
2004
[5]
간행물
Light curves of Type IA supernova models with different explosion mechanisms
1993
[6]
간행물
Type IA Supernova Explosion Models
[7]
문서
http://www.jinaweb.o[...]
[8]
문서
http://www.jinaweb.o[...]
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