목차
● II형 초신성
● 초신성의 형성
● 중심핵붕괴
II형 초신성
II형 초신성은 무거운 별의 급격한 붕괴와 격렬한 폭발의 결과입니다. 이와 같은 유형의 폭발을 겪는 별은 태양의 질량보다 최소한 9배 이상, 45배 이하입니다. 이런 유형의 초신성은 스펙트럼 내의 수소의 존재로 인해 다른 유형의 초신성과 구별됩니다. II형 초신성은 주로 나선은하의 나선팔과 H II영역에서 관측되고 있으며, 타원은하에서는 발견되지 않습니다.
별들은 원소의 핵융합을 통하여 에너지를 생성합니다. 태양과 달리 무거운 별들은 헬륨과 수소보다 큰 원자량을 가지는 원소를 융합할 수 있을 만큼의 질량을 가지지만 온도와 내부의 압력이 크게 높아지면서 수명이 급격하게 짧아집니다. 그런 원소들의 핵융합 반응에 의하여 생성된 에너지 및 전자의 축퇴압은 중력에 대항해 별을 붕괴로부터 막고 별의 평형을 유지하는 역할을 합니다. 별은 수소에서 시작해서 헬륨을 만들고 점차 더 큰 원소를 합성합니다. 그런 주기율표 상에서의 전진은 니켈과 철이 만들어질 때까지 진행됩니다. 철 또는 니켈의 융합을 통해서는 에너지가 생기지 않기 때문에 그 이상의 융합이 일어나지 않아서 니켈-철로 이루어진 중심핵은 비활성화가 됩니다. 그에 따라 별의 외향 압력을 작용하도록 하는 에너지 방출이 부족해지면서, 별의 평형은 무너지게 되고 중심핵은 주변의 껍질에 의하여 짓눌려 수축하게 됩니다.
II형 초신성 폭발은 폭발 이후 시간에 따른 광도의 변화를 보여주는 광도 곡선에 따라 세부적으로 분류됩니다. II-L형 초신성은 폭발 후 광도 곡선에서 일정한 감소를 보여줍니다. 그에 비하여 II-P형 초신성은 일반 붕괴 이후 완만하고 평탄한 감소를 보여줍니다. Ib형 및 Ic형 초신성은 수소와 (Ic형의 경우) 헬륨으로 이루어진 외피층을 날려버린 무거운 별이 일으키는 중심핵붕괴 초신성입니다. 이들이 폭발한 결과 초신성에는 외피층 원소의 스펙트럼이 나타나지 않습니다.
초신성의 형성
태양보다 무거운 별은 좀 더 복잡한 방식으로 진화합니다. 별의 중심핵에서 수소가 헬륨으로 융합되면 열에너지가 방출되어 별의 중심핵을 가열해 외향압력을 가하여 별의 껍질을 붕괴로부터 지지함으로써 정유체역학적 평형 상태에 이르게 만듭니다. 이때 중심핵에서 만들어진 헬륨은 중심핵의 온도가 헬륨을 융합할 수 있을 만큼 뜨겁지 않기 때문에 축적되기만 합니다. 그 이후에 중심핵에서 수소가 고갈됨으로써 핵융합이 느려지고 중력에 의하여 중심핵이 수축하게 됩니다. 이 수축으로 온도가 증가해 헬륨 핵융합이 개시됩니다. 이 단계의 지속 시간은 별의 수명의 약 10% 미만으로 수소를 융합할 때보다 짧습니다. 태양질량 미만의 별에서는 헬륨 핵융합에 의하여 만들어진 탄소는 융합될 수 없기 때문에 별은 서서히 식어가면서 백색왜성이 됩니다. 백색왜성이 만약 가까운 짝별을 가지고 있다면 Ia형 초신성이 될 수 있습니다.
이보다 훨씬 큰 별은 헬륨연소 단계의 종점에서 좀 더 수축해 중심핵에서 탄소의 융합에 필요한 만큼의 온도와 압력의 환경을 만들 정도로 무겁습니다. 이런 무거운 별의 중심핵은 중심으로 들어갈수록 점점 더 무거운 원자핵들로 이루어지는 양파와 같은 층상 구조를 가지게 되는데, 최외곽층에는 삼중알파과정을 통한 헬륨에서 탄소로의 융합, 그 아래는 더 무거운 원소들이 차례차례 융합되는 구조입니다. 무거운 별은 진화함으로써 중심핵에서의 핵융합이 멈춰 중심핵이 수축하여 중심핵 내부의 온도와 압력을 높여 붕괴를 저지할 수 있도록 다음 단계의 핵융합을 개시하는 과정을 반복합니다.
중심핵붕괴
이 과정을 제한하는 요인으로 핵융합을 통해 방출되는 에너지의 양이 있는데, 이것은 원자핵 서로를 속박하는 속박에너지를 통하여 결정됩니다. 각 핵융합 절차를 통하여 점점 더 무거운 원자핵이 만들어지고, 그것을 합성할 때 점차 더 적은 에너지가 방출됩니다. 탄소연소 이후에는 중성미자 생성을 통한 에너지 손실이 더욱 막대해집니다. 이 때문에 반응률은 중성미자 생성이 일어나지 않는 경우보다 더 높아집니다. 이것은 니켈-56이 만들어질 때까지 계속됩니다. 니켈-56은 붕괴하여 코발트-56이 되며 수개월 후 최종적으로 철-56이 됩니다. 철과 니켈은 모든 원소중 가장 높은 핵자당 속박에너지를 가지고 있기 때문에 중심핵에서 이들의 핵융합을 통해 에너지가 생성될 수 없습니다. 그리하여 니켈-철 중심핵이 성장하게 됩니다. 이 중심핵은 중력에 의하여 막대한 짓눌림의 압력을 받고 있습니다. 붕괴를 저지하기 위하여 별의 온도를 높이기 위한 핵융합 반응이 일어나지 않기 때문에 중심핵은 오로지 전자의 축퇴압력에 의해서만 지지됩니다. 이 상태에서 물질은 매우 밀도가 높기 때문에 전자가 동일한 에너지 준위를 차지할 수 없어 더욱 압축할 수가 없습니다. 그러나 이는 전자와 같은 이상적인 페르미 입자에 대해서만 금지된 것인데, 이 현상을 파울리의 배타 원리라고 합니다.
II형 초신성에 대하여 붕괴는 결국 서로 가까이 마주하게 된 중성자 사이에 작용하는 강한 핵력과 중성자 축퇴압에 의한 배척 성호작용으로 저지됩니다. 이때 밀도는 원자핵의 밀도와 거의 비슷합니다. 붕괴가 멈추게 되면 낙하하는 물질들은 반발하게 되어 충격파를 형성하여 외부로 전파합니다. 이 충격파로 인한 에너지는 중심핵의 중원소와 별개입니다. 중원소는 충격파의 에너지를 줄여서 중심핵 바깥쪽 내의 폭발을 멈추게 만들 수도 있습니다.
초신성에 의하여 생성된 중성미자들이 초신성 1987A의 경우에서 관측되어 천체물리학자들에게 중심핵붕괴에 대한 그들의 생각이 근본적으로 맞다는 결론을 내리는데 도움을 주었습니다. 물 기반의 가미오칸테 II 및 IMB기구가 열적 기원을 갖는 반중성미자를 감지하기도 하는 반면 갈륨-71 기반의 박산 기구는 열 또는 전자포획 기원의 중성미자(렙톤 수 = 1) 둘 중 하나를 감지하였습니다.