On the possibility of a two-bang supernova collapse

Summary

The possibility of a two-bang stellar collapse originating SN 1987a, and having the characteristics of the events recorded in Mont Blanc and Kamiokande, is discussed here. According to the «standard» collapse models of nonrotating stars, which predict the formation of a neutrinosphere with a nondegenerate neutrino gas inside the star, the Mont Blanc and Kamiokande data for the first burst give a too large stellar mass. On the contrary, a degenerate neutrino gas with low temperatureT≈0.5 MeV, and chemical potential μ≈(12÷15), predicts a relatively low total energy outflowW _ν≈(2÷6)·10⁵⁴ erg, and a small number of expected interactions in Kamiokande. A possible scenario is suggested: a massive (M≈20M _⊙) rotating star is fragmented into two pieces, one light and the other heavy, at the onset of the collapse. The massive component collapses to a black hole, and produces the first burst. Neutrinos are trapped inside the collapsing star because of elastic scattering in the outer core off heavy nuclei, withA≳300. It is shown that neutrinos fill up the quantum states, producing a degenerate neutrino gas. The second burst is explained by coalescence of the light fragment (M≈(1÷3)M _⊙) onto the massive black hole. The time delay between the two observed bursts (4.7 h) is mostly connected with gravitational braking, when the light fragment falls down onto the black hole, with an accompanying emission of gravitational waves for times of order of hours.

Riassunto

Si discute la possibilità che la supernova 1987a abbia avuto origine da un collasso a due stadi, avente le caratteristiche degli eventi registrati nell'Osservatorio Neutrinico del Monte Bianco e nell'esperimento di Kamioka. Secondo i modelli «standard» di collasso di stelle senza rotazione, che prevedono la formazione di una neutrinosfera con un gas non degenere di neutrini al suo interno, i dati del Monte Bianco e di Kamioka per il primo burst comportano un valore troppo alto della massa stellare. Al contrario, un gas degenere di neutrini a bassa temperatureT∼0.5 MeV e con potenziale chimico μ∼(12÷15) comporta un'emissione totale in neutrini relativamente bassaW _ν∼(2÷6)·10⁵⁴ erg ed un piccolo numero di interazioni in Kamiokande. Si suggerisce un possibile scenario: una stella massiva (M∼20M _⊙) in rotazione si frammenta in due oggetti, uno leggero e l'altro pesante, all'inizio del collasso. L'oggetto massivo collassa in un buco nero e produce il primo burst. I neutrini vengono intrappolati entro la stella collassante a causa dello scattering elastico nel core esterno dovuto a nuclei pesanti, conA≳300. Si mostra che i neutrini riempiono gli stati quantici, producendo un gas degenere di neutrini. Il secondo burst è spiegato dalla caduta del frammento leggeroM∼(1÷3)M _⊙ sul black hole massivo.

Резюме

В работе обсуждается возможность коллапса сверхновой SN 1987a, характеризующегося двумя взрывами и имеющего особенности, зарегистрированные на Мон Блане и в Камиоканде. Согласно «стандартным» моделям коллапса невращающихся звезд, которые предсказывают образование нейтринной сферы с невырожденными нейтринным газом внутри звезды, данные на Мон Блане и в Камиоканде для первой вспышки дают слишком большую массу звезды. Напротив, вырожденный нейтринный газ с низкой температуройT≈0.5 МэВ и химическим потенциалом μ≈12÷15 предсказывает выход относительно малой полной энергииW _ν≈(2÷6)·10⁵⁴ эрг и малое число ожидаемых взаимодействий в Камиоканде. Предлагается возможный сценарий: массивная (M≈20M _⊙) врашаюшаяся звезда разделяется на две части, одна легкая и другая тяжелая, в начале коллапса. Массивная компонента коллапсирует в черную дыру и производит первую вспышку. Нейтрино захватывются внутри коллапсируыщей звезэы вследствие упругого рассеяния во внешней оболочке на тяжелых ядрах сA≥300. Показывается, что нейтрино заполняют квантовые состояния, обраяуя вырожденный нейтринный газ. Вторая вспышка объясняется коалесцией легкого фрагмента (M∼(1÷3)M _⊙) с массивной черной дырой. Время запаздывания между двумя наблюденными вспышками (4.7 часа) в основном связывается с гравитационным торможением, колэа легкий фрагмент падает на черную дыру, что сопровождается излучением гравитационных вплн в течение времени, порядка несколъких часов.