Τι κάνει τα αστέρια να εκραγούν;

Τα ηχητικά κύματα στα αστέρια που 
καταρρέουν μπορούν να προκαλέσουν 
εκρήξεις υπερκαινοφανών.

Κανένα γεγονός στη φύση δεν ξεπερνά την ακατέργαστη δύναμη της supernova (υπερκαινοφανής). Η πλημμύρα νετρίνων που συνοδεύει την έκρηξη ενός μοναδικού μαζικού αστέρα απελευθερώνει τόση δύναμη στιγμιαία όσο και το υπόλοιπο του ορατού σύμπαντος συναθροισμένη.

Τέτοιες εκρήξεις αναμιγνύουν διαστρικό αέριο και σκόνη, βοηθώντας τον σχηματισμό νέων αστεριών. Το πιο σημαντικό είναι ότι οι υπερκαινοφανείς διασπούν τα περισσότερα από τα στοιχεία που είναι βαρύτερα από τον άνθρακα - όπως ο σίδηρος στο αίμα μας - και δημιουργούν αστέρια νετρονίων και μαύρες τρύπες.

Μετά από δεκαετίες συζήτησης, οι αστροφυσικοί εξακολουθούν να μην είναι σίγουροι πως ένα αστέρι μετατρέπεται σε ένα μεγαλειώδες πυροτέχνημα της φύσης. Ακόμη και οι πιο σύνθετες προσομοιώσεις υπερυπολογιστών δεν έχουν λύσει το πρόβλημα, όμως έχουν επιφέρει μερικές εκπλήξεις. Για παράδειγμα, τα ηχητικά κύματα στην καρδιά ενός αστεριού που καταρρέει, θα μπορούσαν να βοηθήσουν να ξεκινήσει μια μόνιμη έκρηξη, ενώ η έκρηξη ενός λευκού νάνου μπορεί να προκύψει όταν η βαρύτητα του αστεριού κάνει μια θερμοπυρηνική ανάφλεξη πίσω στον εαυτό του.

Η μεγάλη εικόνα

Μέχρι τη δεκαετία του 1930, ήταν ξεκάθαρο ότι μερικές αστρικές φωτοβολίδες, που ονομάζονταν novae, ήταν μια κατηγορία από μόνες τους. Το 1933, οι αστρονόμοι Walter Baade στο Observatory του Mount Wilson και ο Fritz Zwicky του Caltech άρχισαν να αναφέρονται στα πιο φωτεινά γεγονότα ως σουπερνόβα (υπερκαινοφανής). Πρότειναν ότι οι εκρήξεις συνέβησαν όταν κατέρρευσε ένα τεράστιο αστέρι και δημιούργησε ένα αστέρι νετρονίων. Έχετε υπόψη ότι αυτό ήταν περισσότερο από τρεις δεκαετίες πριν τα παλμικά ραδιοσήματα από τα υπολείμματα του νεφελώματος της σουπερνόβα του Καρκίνου αποδείκνυαν ότι υπάρχουν αστέρια νετρονίων.

Το 1941, ο Rudolph Minkowski από τον Mount Wilson πρότειναν να υπάρχουν δύο εκδοχές με βάση την απουσία (τύπου Ι) ή την παρουσία (τύπου ΙΙ) ισχυρών φασματικών γραμμών υδρογόνου σε κορυφαία φωτεινότητα. Από τότε, η εικόνα παρατήρησης έχει γίνει πιο περίπλοκη καθώς οι αστρονόμοι αναγνώρισαν νέες υποκατηγορίες και των δύο τύπων. Παρόλα αυτά, οι αστρονόμοι συμφωνούν γενικά ότι τα δύο σενάρια πιθανόν να αντιπροσωπεύουν τις περισσότερες υπερκαινοφανείς.

Οι υπερκαινοφανείς τύπου Ia εμφανίζονται σε όλους τους γαλαξίες μεταξύ ενός παλαιότερου αστρικού πληθυσμού. Όλοι οι άλλοι - τύπου ΙΙ, συν τους τύπους Ib και Ic που σχετίζονται με εκρήξεις ακτίνων-γ - προτιμούν τους γαλαξίες που είναι αφρώδεις με περιοχές που σχηματίζουν αστέρια και περιέχουν πολύ θερμά, νεαρά, μαζικά αστέρια. Τέτοια αστέρια εκρήγνυνται όταν καταναλώνουν το πυρηνικό τους καύσιμο και καταρρέουν.

Κατάρρευση του πυρήνα

Τα αστέρια που ζυγίζουν πάνω από οκτώ φορές τη μάζα του Ήλιου καίγονται γρήγορα μέσω της καύσης-σύντηξης του υδρογόνου τους αφήνοντας υπόλοιπο σαν «τέφρα» το επόμενο καύσιμο (το ήλιο).  Όμως, καθώς ένα τεράστιο αστέρι εξαντλεί το ένα καύσιμο, συνεχίζει με ένα επόμενο της σειράς. Ο πυρήνας του συστέλλεται , αυξάνεται η θερμοκρασία του και γίνεται πιο πυκνός μέχρις ότου η «τέφρα» του προηγούμενης πυρηνικής αντίδρασης - το ήλιο, αρχικά - υποστεί σύντηξη και αρχίσει να καίγεται. Καθώς τελειώνει κάθε καύσιμο, ο πυρήνας του αστεριού ανταποκρίνεται με τον ίδιο τρόπο, καίγοντας διαδοχικά τα καύσιμα του: υδρογόνο, ήλιο, άνθρακα, νέον, οξυγόνο και πυρίτιο.

Αλλά αυτό είναι ένα παιχνίδι με μειωμένες αποδόσεις. Κάθε νέο καύσιμο απελευθερώνει λιγότερη ενέργεια, έτσι ώστε το αστέρι να καίγεται ακόμα πιο γρήγορα. Επιπλέον, μόλις ο άνθρακας αναφλεγεί και η θερμοκρασία του πυρήνα προσεγγίσει το ένα δισεκατομμύριο βαθμούς, σχηματίζονται νετρίνα και διαφεύγουν σε μεγαλύτερο αριθμό. Τα νετρίνα, που σχηματίζονται σε πολλές πυρηνικές αντιδράσεις, δεν αλληλεπιδρούν εύκολα με άλλες ουσίες και εξέρχονται γρήγορα από το αστέρι. Για να αντισταθμιστεί η απώλεια ενέργειας, ο πυρήνας καίει το πυρηνικό του καύσιμο ακόμα πιο γρήγορα.

 Ενώ για ένα τέτοιο αστέρι για να περάσει από την πρώτη καύση του υδρογόνου μπορεί να διαρκέσει 10 εκατομμύρια χρόνια ή περισσότερο, καταναλώνει το ήλιο του σε 2 εκατομμύρια χρόνια και τον άνθρακα του σε μόλις 2.000 χρόνια. Η τελευταία φάση, όταν ο πυρήνας κάνει σύντηξη πυριτίου, διαρκεί λιγότερο από τρεις εβδομάδες.

Καθώς η σύντηξη πυριτίου τελειώνει, ένας πυρήνας σιδήρου-νικελίου μεγέθους Γης περίπου 1,5 φορά της μάζα του Ήλιου βρίσκεται στο κέντρο του αστέρα. Όμως τα στοιχεία της ομάδας σιδήρου έχουν τους πιο στενούς δεσμούς πυρήνα της φύσης, οπότε ο πυρήνας δεν μπορεί να καταφύγει στο παλιό τέχνασμα του – η σύντηξη σιδήρου καταναλώνει πραγματικά όλη την ενέργεια. Τα νετρίνα ρέουν από τον πυρήνα. Η πυκνότητα στο κέντρο του πυρήνα είναι τόσο υψηλή που ωθεί τα ηλεκτρόνια - την κύρια πηγή πίεσης του αστεριού - μέσα στον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια μετασχηματίζουν μερικά πρωτόνια σε νετρόνια. Συντελείται διαρκής και άνιση μάχη μεταξύ της εσωτερικής πίεσης του αστεριού έναντι της βαρύτητάς του που το συμπιέζει στην κατάρευση.

Καθώς προσπαθεί απεγνωσμένα να σταματήσει την κατάρρευσή του κάτω από το ίδιο του το βάρος, δημιουργούνται νέα στοιχεία σε μια σειρά διαφορετικών σταδίων.

 Οι δύο διαδικασίες - η ροή νετρίνων έξω από τον πυρήνα και η συμπίεση πρωτονίων και ηλεκτρονίων μαζί - αφαιρούν την πίεση που υποστηρίζει το αστέρι. Με την πτώση της πίεσης και χωρίς νέα πηγή ενέργειας να συνεχίσει, η μάχη του αστεριού με τη βαρύτητα έχει τελειώσει. Η βαρύτητα είναι πάντα ο νικητής.

Ο πυρήνας του σιδήρου καταρρέει σε περίπου 1/4 της ταχύτητα του φωτός. Σε μισό δευτερόλεπτο ή λιγότερο, μετασχηματίζεται από έναν αστρικό πυρήνα μεγέθους Γης σε ένα καυτό, πυκνό αστέρι πρωτο-νετρονίων μόλις 30 χιλιόμετρα μήκος. Όταν η κεντρική πυκνότητα φθάσει περίπου το διπλάσιο από εκείνη ενός ατομικού πυρήνα, ο πυρήνας σκληραίνει και ανακάμπτει χάρη σε μια απωστική συνιστώσα στην ισχυρή πυρηνική δύναμη. Αυτή η "αναπήδηση" του πυρήνα λειτουργεί σαν ένα σφαιρικό έμβολο που οδηγεί στο παγιδευμένο αέριο του αστεριού.

"Ελπίζαμε ότι αυτό το έμβολο θα δημιουργούσε ένα σοκ που θα ήταν η σούπερνοβα στη βρεφική ηλικία", λέει ο Adam Burrows, ο οποίος δημιουργεί μοντέλα supernovae στο Πανεπιστήμιο του Princeton. "Αυτό ήταν ωραίο, και είχε κάποια λογική, αλλά δεν λειτουργεί." Καθώς η δόνηση μετακινείται προς τα έξω, ακτινοβολεί πολλά νετρίνα, που χάνει την ενέργειά του. "Επιπλέον, προσπαθεί να ξεπεράσει όλα αυτά τα πράγματα που ακόμα πέφτουν και αποτυγχάνει".

Η έκρηξη σταματά λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά την εκκίνηση και απλά στέκεται εκεί, θερμαίνοντας το παγιδευμένο αέριο. Εάν δεν αλλάξει τίποτα κατά τη διάρκεια του επόμενου δευτερολέπτου, το νεογέννητο αστέρι νετρονίων θα συσσωρεύσει μερικά δέκατα ύλης μιας ηλιακής μάζας και στη συνέχεια θα καταστραφεί σε μια μαύρη τρύπα. Δεν γίνεται σουπερνόβα.

Η παύση που ανανεώνει

Το κεντρικό μυστήριο των υπερκαινοφανών κατάρρευσης πυρήνα είναι πώς αυτή η κατάσταση μπορεί να αντιστραφεί από μόνη της. "Αυτό που οι άνθρωποι πρότειναν ήταν να περιμένετε λίγο, και τα νετρίνα τελικά να θερμάνουν αρκετά το υλικό πίσω από την δόνηση ώστε να επαναφέρουν μια έκρηξη", λέει ο Burrows. Ονόμασε αυτό το συμβάν "η παύση που ανανεώνει".

Ο μεγάλος αριθμός νετρίνων που αναχωρούν από τον πυρήνα αντισταθμίζει τις χαμηλές πιθανότητες ότι ένα μόνο νετρίνο θα αλληλεπιδράσει με την ύλη του άστρου καθώς φεύγει. Η δράση παύει για μερικές εκατοντάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, αλλά "αυτό είναι πολύ χρόνος σε αυτό το παιχνίδι επειδή τα πράγματα γίνονται γρήγορα", λέει ο Burrows.

Σε πρόσφατες προσομοιώσεις υπολογιστών, οι οποίες υποθέτουν ότι το αστέρι που κατέρρευσε ήταν σφαιρικά συμμετρικό, ακόμα και αυτή η διαδικασία δεν λειτούργησε. Τέτοιοι υπολογισμοί 1-D έδωσαν τη θέση τους σε πιο απαιτητικά μοντέλα 2-D, τα οποία υποθέτουν συμμετρία γύρω από τον άξονα περιστροφής του άστρου. Αποκάλυψαν ρευστοποιήσεις και αναταράξεις που υποσχέθηκαν να βοηθήσουν την αποτυχημένη δόνηση.

"Για λίγο, αυτή ήταν η επικρατούσα άποψη", εξηγεί ο Burrows. "Αλλά με την καλύτερη φυσική του νετρίνο, δεν μοιάζει με αυτό που δουλεύει σε 2-D." Θα βοηθήσουν τα νέα αποτελέσματα στις 3-D προσομοιώσεις να βοηθήσουν τα νετρίνα να αποθέσουν ενέργεια πιο αποτελεσματικά;

"Αυτή είναι ακόμα η ελπίδα", λέει.

Πάνω από 85 χρόνια μετά που οι αστρονόμοι συνδέουν υπερκαινοφανείς με αστρικούς θανάτους, οι πιο ισχυρές εκρήξεις του σύμπαντος εξακολουθούν να βαραίνουν τους αστροφυσικούς. Αλλά ακόμη και οι πιο ολοκληρωμένες προσομοιώσεις δεν καταγράφουν ακόμα το περίπλοκο περιβάλλον ενός αστεριού που εκρήγνυται. Οι δημιουργοί μοντέλων αρχίζουν να ανιχνεύουν πώς η εκπομπή νετρίνων, μαγνητικά πεδία και περιστροφή επηρεάζουν την εικόνα. Οι παρατηρητές παρακολουθούν και καταγράφουν νέα γεγονότα, χρησιμοποιώντας τα δύο ως κοσμικά κριτήρια και βρίσκοντας κενά στην τρέχουσα κατανόηση. Και σχεδιάζονται νέες εγκαταστάσεις για να συλλάβουν τα νετρίνα και τα κύματα βαρύτητας - σημάδια που ξεφεύγουν άμεσα από τον πυρήνα ενός αστεριού - μια μέρα σύντομα μπορεί να μας δώσουν μια γρήγορη ματιά στη χαοτική καρδιά της σουπερνόβα.

Αναρτήθηκε από: Seler Tr - ek-kentron

Πηγή

Διαβάστε σχετικά:
Περιμένοντας να εκραγεί ο Μπετελγκέζ