炭素爆発

炭素爆発または炭素爆燃は、それまでゆっくりと冷却していた白色矮星における熱核融合の激しい再点火である。これは、数秒のうちに白色矮星全体に広がる暴走熱核融合プロセスを含み、星が吹き飛ばされる際に膨大な量のエネルギーを放出するIa型超新星を生成する。炭素爆発/爆燃プロセスは、よりよく知られているタイプII（コア崩壊型）超新星（タイプIIは、大質量星のコアが内破する際に外層の破滅的爆発によって引き起こされる）とは異なる経路で超新星につながる。^[1]

白色矮星は、小型から中型の恒星（太陽がその一例）の残骸です。その寿命の終わりに、恒星は水素とヘリウムの燃料を燃やし、熱核融合プロセスは停止します。白色矮星は、はるかに重い元素を燃やすのに十分な質量も、より大きな恒星のように自身の重力によって中性子星またはタイプ II 超新星に崩壊するのに十分な質量もないため、徐々に収縮して非常に高密度になり、冷えるにつれて白く、その後赤く輝き、宇宙の現在の年齢よりも何倍も長い期間続きます。

白色矮星は、時折、他の発生源から質量を獲得することがある。例えば、白色矮星が十分な量の物質を吸い上げるほど近い連星の伴星、または伴星自身の後期恒星進化の過程で放出された物質が他の恒星と衝突するなどである。白色矮星が十分な物質を獲得すると、その内部圧力と温度が上昇し、中心核で炭素が融合し始める。炭素の爆発は通常、集積物質によって白色矮星の質量がチャンドラセカール限界のおよそ 1.4太陽質量に近づいた時点で起こる。この質量になると、重力が電子の縮退圧力を克服でき、白色矮星が一生の間に崩壊するのを防ぐことができる。これは、2 つの白色矮星が合体して合計質量がチャンドラセカール限界を超える場合にも起こり、Ia 型超新星となる。

熱圧力によって支えられた主系列星は膨張して冷却し、熱エネルギーの増加を自動的に相殺します。しかし、縮退圧力は温度とは無関係です。白色矮星は、通常の星のように核融合プロセスを制御することができないため、暴走核融合反応に対して脆弱です。

白色矮星の場合、再開した核融合反応によって熱が放出されるが、恒星内に存在し、それ以上の崩壊を防ぐために恒星を支える外向きの圧力は、当初はほぼ完全に縮退圧力によるものであり、核融合プロセスや熱によるものではない。そのため、核融合が再開しても、恒星の熱バランスの鍵となる外向きの圧力はあまり増加しない。その結果、恒星は、水素を燃焼していたときのように（手遅れになるまで）核融合と熱のプロセスを重力と電子圧とバランスさせるためにあまり膨張しない。膨張による冷却手段がないまま熱発生が増加すると、内部温度が劇的に上昇し、そのため核融合速度も非常に速く増加する。これは熱暴走と呼ばれる正のフィードバックの一種である。

2004 年に行われたこのようなプロセスの分析では、次のように述べています。

白色矮星の中心から外側に向かって燃える爆燃炎は、高温で軽い燃焼物質を残す。しかし、その前方の燃料は冷たく密度が高い。その結果、星の重力場と逆の密度層が形成され、不安定になる。そのため、燃焼物質の塊が形成され、燃料に向かって上昇する。その境界面にはせん断流が発生する。これらの効果により、強い渦が発生する。結果として生じる乱流により炎が変形し、その表面積が拡大する。これにより、炎の正味燃焼率が上昇し、エネルギー爆発につながる。^[2]

炎はレイリー・テイラー不安定性と乱流との相互作用により、劇的に加速する。核融合の再開は、レイリー・テイラー不安定性に従って、一連の不均一で膨張する「泡」となって外側に広がる。^[3]核融合領域内では、体積は変わらないが熱が増加するため、核融合速度が指数関数的に急速増加する。これは、熱圧力が際限なく増加する 一種の超臨界現象である。この状況では静水圧平衡は不可能であるため、「熱核炎」が引き起こされ、矮星の表面を突き抜ける爆発的な噴火が起こり、矮星を完全に破壊する。これはIa型超新星として見られる。

この核融合の正確な詳細はともかく、白色矮星内の炭素と酸素のかなりの部分がわずか数秒以内に重い元素に変換され、^[4]内部温度が数十億度に上昇することは一般的に認められています。熱核融合（1–2 × 10 ⁴⁴  J ^{[5] ）は、星を}解くのに十分すぎるほどのエネルギーです。つまり、白色矮星を構成する個々の粒子は、互いに飛び散るのに十分な運動エネルギーを獲得します。星は激しく爆発し、衝撃波を放出します。この衝撃波では、通常、物質は5,000～ 爆発の最高速度は秒速20,000キロメートルで、光速の約6%です。爆発で放出されるエネルギーによって、光度も極端に増加します。Ia型超新星の典型的な可視絶対等級はM _v  = -19.3（太陽の約50億倍の明るさ）で、ほとんど変化がありません。^{[6]熱圧力ではなく電子縮退圧力によって支えられた体積が、徐々に暴走核融合を点火できる状態に達するこのプロセスは、十分に質量のある}赤色巨星の中心核で起こるヘリウムの閃光という 、それほど劇的ではない形でも見られます。

• ヘリウムフラッシュ、同様の（ただしそれほど壊滅的ではない）核融合の突然の開始
• 核融合

• JINA: Ia型超新星炎モデル
• 炭素爆発/爆燃のコンピュータシミュレーション