在爆炸发生前几分钟或几小时，即将变成超新星的恒星是否有可观测的变化？

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我正在写一本科幻小说，其中一艘船被困在一个单星系统（红色超巨星）中。情节要点之一是恒星会在数小时内变成超新星，因此角色必须在飞船发生之前对其进行修复。

我对它的工作原理有基本的了解：核聚变产生的铁会积聚在堆芯中，直到达到铁聚变开始的时刻为止。由于铁熔合是一个吸热反应，铁心不再能够产生足够的能量来抵抗自身的重力和外层压力，因此它会坍塌并爆炸。

我已经读到，一旦铁融合开始在核内发生，坍塌就会在几分钟之内发生，坍塌本身会持续几秒钟（甚至不到一秒钟），并且冲击波要花费数小时才能到达表面。所有这些正确吗？

问题是我需要角色能够在短期内预测爆炸。几个小时甚至几分钟。如果他们能够意识到核心崩溃并开始倒计时，那就太好了。

那么，这些事件是否有任何外部线索，例如亮度或颜色的变化？当铁聚变开始或铁心塌陷时，星光谱会发生变化吗？我知道核心坍缩会产生大量的中微子。这个数量是否如此之大以至于可以轻易检测到？（也就是说，在地下设施中没有巨大的探测器）。是否可以根据星光谱和大小估算铁芯中的铁含量，从而可以预测坍塌的最接近时间？

supernova explosion

— 阿方索·德·泰兰（Alfonso deTerán）
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最早的警告是即将发生的核坍塌超新星将来自中微子，因为它们对物质的反应非常弱，但这也是为什么需要这么大的探测器来测量它们的存在，所以这是捕获22的情况。EM线索虽然存在，但它们的时间尺度要短得多。

— 院长

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这个问题的科学知识可能对该网站而言还不错。但是，相关的故事问题和大多数潜在的后续问题可能更适合Worldbuilding。

— Makyen's

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@Makyen实际上，在《世界建筑》上，有一个高度相关的问题，即如何消灭超新星？标题有点误导- 与其说是在启动过程中阻止恒星超新星爆发，不如说是它一旦开始熄灭或消灭它，但我确实认为这个问题对OP非常有用。

— CVn

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@Dean在这种情况下，盖革计数器足以满足您的中微子探测器的需求。另一方面，如果您离得太近，只会告诉您您已经死了： what-if.xkcd.com/73

— Loren Pechtel

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@Mehrdad看到physics.stackexchange.com/questions/63558/...但也许更具体到你的问题physics.stackexchange.com/questions/194606/...

— 罗布·杰弗里斯

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我认为您最好的选择是检测恒星内部核燃烧产生的中微子（就像我们对太阳所做的那样）。一旦恒星到达碳燃烧阶段，它实际上是在中微子中释放出比在光子中更多的能量。在持续数天的硅燃烧阶段中，它是产生简并的铁芯（一旦其质量足够大，它就会塌陷）的过程，中子通量会在芯塌陷前几秒钟增加到约10 ⁴⁷ erg / s。（堆芯塌陷期间的峰值通量约为10 ⁵²到10 ⁵³ erg / s）。朝仓等人的这篇论文。据估计，日本的KamLAND探测器可以探测到几百秒差距内恒星的超新星前中微子通量，并提前数小时甚至数天提供有关核心坍塌超新星的预警。由于您的角色与恒星处于同一系统中，因此他们几乎不需要大型地下探测器来拾取中微子。

该图显示了超新星前恒星的中微子光度（反电子中微子）与时间的关系示例（来自Asakura等人，2016年，基于Odrzywolek＆Heger 2010年和Nakazato等人，2013年）; 堆芯塌陷始于t = 0s。

通过测量不同类型的中微子的能谱及其时间演化，您可能会很好地了解恒星沿多远的距离，特别是因为我们可以假设您的角色具有比目前更好的恒星演化模型做。（他们还希望通过恒星地震学等方法来精确测量恒星的质量，自转速率，或者可能是内部结构，以便微调恒星演化模型；这些都是他们可以轻松完成的所有工作。）

中微子通量的巨大增加将预示着核塌陷本身。

Randall Munroe 撰写的“假设分析”文章估计，核心坍缩超新星产生的中微子通量将对大约2 AU的距离的人致命。正如他指出的那样，它实际上可能在一颗超巨星的内部，因此您的角色可能会比这更远。但这确实表明中微子通量很容易被检测到，而且如果您的角色小于10 AU，您的角色很可能会因此而受到辐射中毒。（当然，您要比等到开始感到不适之前更直接地检测到它，因为这可能要比冲击波到达恒星表面所花费的时间更长。）这只是要带回家他们检测中微子没有任何问题的事实。

— 彼得·欧文
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好答案！@Alfonso这可能有助于您的现实主义者解决中微子非常难以发现的事实。一条简单的线暗示中微子的检测能力已为您的未来技术增加了十倍，这将有助于推销现实，即您实际上可以在小型太空飞船上检测中微子，而无需像当前的中微子探测器（大型）那样。

— zephyr

彼得，非常感谢。这正是我需要的信息。

— 阿方索·德·泰兰

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@zephyr中微子检测器的体积可以通过您期望的中微子的相对通量来缩小。如果您在爆炸的恒星周围的轨道上运行，则无需大型探测器即可观测中微子脉冲。

— 罗布·杰弗里斯

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@zephyr从我链接的论文的表6中，可以说KamLAND可以在150颗外的恒星坍塌10小时之前（在48小时的积分之后）检测出SN前通量。距离恒星100 AU的宇宙飞船的中微子通量高出约1000亿倍。因此，正如罗布·杰弗里斯（Rob Jeffries）所指出的，您可以使用比KamLAND小1000亿倍的探测器。为了将积分时间缩短到更实际的1秒，您需要一个比KamLAND小500,000倍的检测器：大约2 kg的液体闪烁体。（假设没有更好的技术。）

— Peter Erwin

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即使没有实际的中子探测器，中微子通量也可能向恒星沉积足够的能量，这可以从恒星表面层检测到，或者在舰船必须具备的其他探测器（至少是照相机，雷达和收音机）中显示为特定种类的噪声。

— 海德

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其他答案是正确的；中子微脉冲肯定是由于核坍塌超新星造成的，并且应该在冲击波到达表面前几个小时发生。

$\sim (G \rho)^{-1/2}$ $\rho$ $10M_{\odot}$

迄今为止尚未提及的另一种可能性是重力波。假设有一个相对便携式的重力波探测器（！），那么您还将期望在核心坍塌时间尺度（一秒或更短）内产生一个尖锐的重力波脉冲，这还会预示数小时后的超新星爆炸波。

— 罗布·杰弗里斯
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关于引力波：不旋转的坍缩恒星会发出引力波吗？从另一个讨论中，我理解（也许是错误的）旋转是必要条件。带有四极子的东西

— 彼得-恢复莫妮卡

@ PeterA.Schneider的超新星完全可以被认为是GW的源头，因为人们希望它是不对称的（核心旋转得非常快-参见脉冲星）。例如。iopscience.iop.org/article/10.1086/381360/fulltext/…–

— Rob Jeffries

@ PeterA.Schneider真正的超新星即使在其祖先显示出高度的球形对称性时，也高度不对称。尽管我没有计算数字，但这种不对称可能足以产生引力波。寻找这种不对称性的根源是研究的活跃话题。

— Calchas

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正如迪恩所说，超新星祖先通常在中子完全塌陷，残余形成和恒星外层弹出之前释放中微子。该过程（此处重点关注中微子）进行如下操作：

$\rho\sim10^9\text{ g/cm}^3$ $e^{-} + p \to n + ν_{e}$ $e^-+p\to n+\nu_e$ $n \to p + e^{-} + {\bar{ν}}_{e}$ $n\to p+e^-+\bar{\nu}_e$
电子俘获降低了芯中的电子简并压力，这导致加速了芯塌陷。简并性压力在许多恒星的核心中很重要，但是在极重的恒星中（包括红色超巨星），它根本不足以阻止坍塌。
$\sim10^{11}\text{ g/cm}^3$ $\rho\sim4\times10^{11}\text{ g/cm}^3$
$\rho\sim2.5\times10^{14}\text{ g/cm}^3$
仍然被恒星残留物困住的中微子大约十秒钟后被释放。中微子对的产生也导致快速冷却。这些中微子中的一些可能有助于激波的复兴。

在超新星发出的光之前，中微子可能会到达数小时甚至在某些情况下甚至可能是几天。前者是SN 1987A的情况，SN 1987A是第一个检测到中微子的超新星。

参考文献

— HDE 226868
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谢谢@HDE。这个详细的答案使我想知道，如果在恒星中引入“新”物质，是否可以加速核心坍塌。小说中有一场与未知敌对外星飞船的战斗。那艘船被禁用，并落入恒星下落的轨道。如果该事件有办法缩短爆炸时间，它将增加更多戏剧性（通过比预期中的角色检测到核心崩溃）。我评论说坠落的船是外星人并且未知，因此没有问题包括反物质，奇怪的事物或需要的武器。

— 阿方索·德·泰兰

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@AlfonsodeTerán，即使假设某种类型的高爆物，即使在虚构的环境中，如果在无意中坠入恒星时，添加任何太空飞船规模的物体也不会产生足够的效果，这是令人难以置信的。规模差异太大。如果我读这样的故事，那么这样做肯定会破坏我对怀疑的中止。即使假设该船由一个微黑洞提供动力，奇异点对恒星的显着影响所花费的时间也比您所描述的要长。

— Makyen

@AlfonsodeTeránMayken绝对正确。您甚至需要非常先进的技术来考虑是否有可能影响这样的恒星的演化。它的效果就像是隐喻桶的下降。

— HDE 226868

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1 M_{⊙}

$1M_{\odot}$

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@ Spike0xff如果湖是过冷的，并且液滴不纯净，则可能会触发结晶。我不认为这样的相移实际上会在恒星核心中发生，但就像科幻小说一样，它可能会陷入地狱……

— 彼得-恢复莫妮卡

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超光超新星（又称超新星）可以显示出亮度的双峰，有些人认为这可能是超光超新星的常态，尽管据我所知，到目前为止仅在一种情况下才观察到（DES14X3taz）。

无论如何，（至少）在这种情况下，亮度最初有了实质性的提高。然后亮度下降了几天（几个数量级），然后又回升到比最初的“凸点”高得多的亮度。

您可能需要注意所涉及的距离。最初的光线已经足够大，除非您的员工离我们很远，否则已经足够将它们炸成酥脆。

不过，还有另一点可能对您的小说很有趣。爆炸之后，您可能会得到一个磁星-就像您从名字中猜到的那样，它是具有极强磁场的恒星-实际上，如此强壮，很可能会引起各种破坏附近的任何东西都取决于与电活动有关的东西-不仅是电子设备，还可能包括人们的神经。

但是，这里存在一个明显的问题：红色超巨星是“正常”超新星的祖先，是正确的恒星类型。作为超发光超新星的祖先，它可能不是正确的类型。超新星的祖先通常大约有六个或八个太阳质量。一颗超发光的超新星可能（只有少数是已知的，因此很难一概而论）大约有数百个太阳质量。给定释放的能量，无论如何它必须很大。

参考：Smith等（2015）

— 杰里·科芬
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