Πως γίνεται μια έκρηξη σουπερνόβα

Πηγή: New York Times, 9 Νοεμβρίου 2004

Κάθε περίπου ένα δευτερόλεπτο κάπου στον Κόσμο, ένα αστέρι εκρήγνυται. Γίνεται κομμάτια, που προς στιγμήν λάμπουν με τέτοια λαμπρότητα, πολύ μεγαλύτερη από δισεκατομμύρια ήλιους μαζί. Κανένας όμως δεν καταλαβαίνει πώς και γιατί συμβαίνουν πραγματικά αυτά τα γεγονότα, που είναι από τα πιο βίαια γεγονότα στη φύση Αλλά, μέχρι σήμερα, κανένας δεν ήξερε εκτός κι αν ήσαστε ειδικός του πιο απόκρυφου κλάδου της επιστήμης, γνωστού ως πυρηνική αστροφυσική.

Χρειάστηκαν σαράντα μέρες και 40 νύχτες σε έναν υπερυπολογιστή για να παραχθεί αυτή η εικόνα, ένα κομμάτι διαμέτρου μόνο μισού μέτρου. Η εικόνα αυτή δείχνει πώς η βαρύτητα και η άνωση αναδεύουν την ύλη σε ένα αστέρι,  που αργότερα υποβάλλεται σε μια έκρηξη σουπερνόβα.

Πρόσφατα, όμως, τα σουπερνόβα έχουν γίνει σημαδιακά γεγονότα στη ζωή του σύμπαντος, λέει η σύγχρονη επιστήμη.

Χρησιμοποιώντας ένα ιδιαίτερο είδος σουπερνόβα του τύπου Ιa, που στην κοσμολογία θεωρούνται κοσμικοί δείκτες των μεγάλων αποστάσεων, οι αστρονόμοι έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι μια μυστήρια "σκοτεινή ενέργεια" αναγκάζει το χώρο να διαστέλλεται γύρω τους, μια ανακάλυψη που έχει φέρει  μια αναστάτωση στη φυσική και την κοσμολογία.

Κατά συνέπεια, το Σύμπαν βρίσκεται σε κίνδυνο, και γι αυτό είναι βασικό η κατανόηση των σουπερνοβών.

Οι αστρονόμοι ασχολούνται σε πολλά μέτωπα συγχρόνως προσπαθώντας να υπολογίσουν τις λεπτομέρειες αυτών των εκρήξεων - ανιχνεύοντας τους ουρανούς για να συγκεντρώσουν περισσότερα στοιχεία, παρατηρώντας στα υπολείμματα των αρχαίων σουπερνόβα ώστε να καταλάβουν πως μεταβάλλονται, εκμεταλλευόμενοι τα δίκτυα των υπερυπολογιστών για να υπολογίσουν στιγμή προς στιγμή τις αντιδράσεις στην καρδιά της κοσμικής κόλασης. 

Αυτό έχει βέβαια οδηγήσει τους επιστήμονες σε ένα είδος δύο βήματα μπροστά, ένα βήμα πίσω, κάτι που ενθαρρύνει τους αστρονόμους ότι είναι προς το σωστό δρόμο, γενικά, οι θεωρίες τους, αλλά συγχρόνως υπάρχουν και περιπλοκές και γρίφοι γι αυτό που συμβαίνει στις εκρήξεις.

Τον περασμένο μήνα τα μέλη μιας διεθνούς ομάδας αστρονόμων με επικεφαλής τον Pilar Ruiz-Lapuente του Πανεπιστημίου της Βαρκελώνης ανήγγειλαν ότι είχαν βρει ένα αστέρι να επιταχύνεται μακριά από την περιοχή που έγινε η έκρηξη ενός πολύ γνωστού σουπερνόβα, που παρατηρήθηκε το 1572 από τον αστρονόμο Tycho Brahe. Αυτό το σουπερνόβα, που εμφανίστηκε σαν ένα "νέο αστέρι" στον αστερισμό της Κασσιόπης, ήταν ένα από τα πρώτα άστρα που μελετήθηκαν από τους αστρονόμους, και βοήθησε έτσι να καταστραφεί η αριστοτελική ιδέα ότι οι ουρανοί επάνω από το φεγγάρι ήταν αμετάβλητοι.

Το άστρο αυτό που βρέθηκε, πιθανώς είναι ο συνοδός του αστεριού-σουπερνόβα που εξερράγη, και έτσι υποστηρίζει την άποψη που υπήρχε από παλιά ότι τέτοιες εκρήξεις συμβαίνουν σε διπλά συστήματα αστεριών, όταν δηλαδή το ένα άστρο αποκτήσει μια κρίσιμη μάζα, αφού συσσωρεύσει υλικό από το άλλο, διπλανό, άστρο.

Υπολογισμοί σε υπερυπολογιστές

Εν τω μεταξύ, τα μέλη μιας άλλης ομάδας αστροφυσικών που χρησιμοποιούν ένα δίκτυο ισχυρών υπερυπολογιστών για να μιμηθούν τις εκρήξεις των σουπερνοβών λένε ότι έχουν πετύχει για πρώτη φορά να επιδείξουν με ποιό τρόπο θα μπορούσε να ανατιναχτεί ένα τέτοιο αστέρι.

Κατά τη διάρκεια δε προσομοιώσεων με κομπιούτερ, διάρκειας 300 ωρών, στο Κέντρο για τις Αστροφυσικές Θερμοπυρηνικές Λάμψεις του Πανεπιστημίου του Σικάγου, πρόσεξαν να ανέρχονται θερμοπυρηνικές φυσαλίδες από τα βάθη του άστρου και έπειτα αφού σάρωσαν όλη την επιφάνεια να συγκρούονται κατά ένα φοβερό και αποκαλυπτικό τρόπο.

Εάν είναι αληθινά αυτά τα γεγονότα, τα αποτελέσματα του Σικάγου θα μπορούσαν να βοηθήσουν ώστε να εξηγηθεί όχι μόνο πώς εκρήγνυνται τα αστέρια, αλλά και γιατί οι εκρήξεις είναι σχεδόν, αλλά όχι ακριβώς, ίδιες επιτρέποντας έτσι στους αστρονόμους να κάνουν καλύτερες μετρήσεις για την σκοτεινή ενέργεια. 

Κάποιοι ειδικοί των σούπερνόβα, σχολιάζοντας τις αναπαραστάσεις των υπολογιστών, τις αποκαλούν καλή αρχή όχι όμως και τελική απάντηση. "Δεν νομίζω ότι αυτό είναι και το τέλος της ιστορίας", επισήμανε ο δρ Craig Wheeler του Πανεπιστημίου του Τέξας. Όμως τα σούπερνόβα δεν έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Σύμφωνα με τους ειδικούς, ποικίλλουν, μεταξύ άλλων, στη φωτεινότητα σε ποσοστό που φθάνει το 40% ­ ένα στοιχείο που το συνδέουν με την διαστολή του Σύμπαντος και την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας. Δεν τους καλύπτει όμως για την απάντηση κρίσιμων ερωτημάτων που σχετίζονται, για παράδειγμα, με την ισχύ αυτής της περίεργης δύναμης, καθώς και για το πώς μεταβάλλεται με τον χρόνο.

Η ιστορία των σουπερνοβών τύπων Ιa, συμφωνούν οι εμπειρογνώμονες αρχίζει όταν δημιουργείται ένα πολύ πυκνό άστρο με μάζα σαν του ήλιου μας περίπου, γνωστό ως λευκός νάνος, που αποτελείται από άνθρακα και οξυγόνο. Αυτό το άστρο αφού έχει εξαντλήσει τα θερμοπυρηνικά του καύσιμα - του υδρογόνου και του ηλίου - τελειώνει και η ζωή του.

Εάν όμως συμβεί το άστρο αυτό να είναι μέρος ενός διπλού αστρικού συστήματος, ο λευκός νάνος μπορεί να συσσωρεύσει ύλη από το συνοδό άστρο έως ότου η μάζα του φτάσει σε ένα κρίσιμο ένα όριο, γνωστό ως μάζα Chandrasekhar - περίπου 1,4 φορές τη μάζα του ήλιου.

Σε εκείνο το σημείο, έτσι λέει η ιστορία τους, η τεράστια πίεση και η πυκνότητα του μεταμορφώνουν το νεκρό αστέρι, έτσι ώστε ξαναρχίζουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του. Οι οποίες φτάνουν σιγά-σιγά προς τα πάνω, μετατρέποντας τον άνθρακα και το οξυγόνο σε ολοένα και βαρύτερα στοιχεία. Τελικά σχίζεται ο λευκός νάνος ενώ ο συνοδός του πηγαίνει μακριά.

Το σουπερνόβα του Brahe Tycho

Μέχρι σήμερα, εντούτοις, υπήρχαν λίγα στοιχεία επί αυτού του θέματος.   Δύο λευκοί νάνοι θα μπορούσαν να συγκρουστούν, παραδείγματος χάριν, και να εκραγούν.  Σε εκείνη την περίπτωση δεν θα υπήρχε κανένα επιζών αστέρι. 

Το σουπερνόβα όμως του Brahe Tycho προσφέρει τώρα νέα στοιχεία για το προηγούμενο μοντέλο, του λευκού νάνου-βόμβας. 

Αυτό το σουπερνόβα είναι ένα από τα λίγα  του τύπου Ιa που έχουν εμφανιστεί στο Γαλαξία μας, και έτσι οι αστρονόμοι επιδιώκουν από καιρό να βρουν το συνοδό του που απομακρύνθηκε από αυτό. Εκείνο το αστέρι, αιτιολογούν οι αστρονόμοι, πρέπει να κινήθηκε σχετικά πιο γρήγορα από τους γείτονές του, ως αποτέλεσμα της βίαιης απελευθέρωσης  από την τροχιά του γύρω από τον ξαφνικά νεκρό λευκό νάνο.

Η περιοχή της έκρηξης αυτού του σουπερνόβα χαρακτηρίζεται σήμερα από μια πηγή ακτίνων X και ραδιοκυμάτων στον ουρανό. 

Και κοντά στο κέντρο αυτής της περιοχής η επιστημονική ομάδα βρήκε ένα αστέρι σαν τον ήλιο μας να κινείται τρεις φορές πιο γρήγορα από ό,τι οι γείτονες του.

Μάλιστα το αστέρι αυτό έχει τα κατάλληλα χαρακτηριστικά για να είναι αυτό που έδινε υλικό στο λευκό νάνο που εξερράγη, αλλά ο προσδιορισμός του δεν είναι σίγουρος, λέει ένα μέλος της ομάδας, ο Δρ Alex Filippenko του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ. Όπως εξηγεί ο ίδιος είναι δυνατόν το αστέρι αυτό να βρίσκεται στο οπτικό πεδίο ακριβώς ενδιάμεσα εκείνης της περιοχής και να είναι ανεξάρτητο από το σουπερνόβα.

Οι αστρονόμοι λένε ότι αν γίνουν περισσότερες παρατηρήσεις θα αποκαλύψουν τις τέφρες του σουπερνόβα, που μολύνει τα εξωτερικά στρώματα του αστεριού. Αλλά αυτό είναι πιθανώς πάρα πολύ δύσκολο, λέει ο Stan Woosley του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στην Santa Cruz, επισημαίνοντας ότι η έκρηξη μπορεί να έχει στείλει το εξωτερικό στρώμα του αστεριού, τις τέφρες και άλλα υλικά, μακριά στο διάστημα.

"Αυτό το αστέρι που ψάχνουμε βρέθηκε δίπλα στην ισχυρότερη θερμοπυρηνική έκρηξη στον Κόσμο, κάπου 2,5 εκατομμύρια, τρισεκατομμύρια, τρισεκατομμύρια μεγατόνους", εξηγεί ο Woosley.

Αλλά οι λεπτομέρειες εκείνης της έκρηξης, που συνέβη περίπου για ένα δευτερόλεπτο, είναι ακόμα ένα μυστήριο. 

Το φως δείχνει στους αστρονόμους να προέρχεται από την ακτινοβολία που απελευθερώνεται από το ραδιενεργό νικέλιο, το οποίο πρώτα διασπάται σε κοβάλτιο και έπειτα σε σίδηρο,  μέσα σε μια περίοδο λίγων μηνών μετά από τον κοσμικό κατακλυσμό. Απελευθερώνοντας, έτσι, ακτίνες-γ οι οποίες έπεφταν εν συνεχεία στις στάχτες του αστεριού, με αυτόν τον τρόπο δημιουργούσαν μια έντονη και σύντομη πυράκτωση, πιο φωτεινή και από έναν γαλαξία.

Επειδή όλα τα σουπερνόβα του τύπου Ιa αρχίζουν από το ίδιο σημείο, οι αστρονόμοι έχουν προσπαθήσει να τους χρησιμοποιήσουν ως κοσμικούς γεωδαιτικούς δείκτες, βρίσκοντας δηλαδή τις αποστάσεις τους στο διάστημα από τη φωτεινότητα με την οποία εμφανίζονται. 

Η σκοτεινή ενέργεια

Αλλά τα σουπερνόβα δεν έχουν στάνταρτ συμπεριφορά. Οι φωτεινότητές τους ποικίλλουν κατά, περίπου, 40%, που είναι αρκετό για να αποδειχθεί ότι επιταχύνεται η διαστολή του σύμπαντος και ότι  τελικά υπάρχει η σκοτεινή ενέργεια, λένε οι αστρονόμοι. Αλλά όχι και τόσο πολύ στάνταρτ ώστε να μας δώσουν κρίσιμες λεπτομέρειες για την ισχύ αυτής της παράξενης απωστικής δύναμης και για το πώς τελικά θα τελειώσει το Σύμπαν.  Με την Απόσχιση ή μέσα σε μια Μεγάλη Σύνθλιψη.

Προκειμένου να μειωθούν οι αβεβαιότητες στις μετρήσεις τους οι αστρονόμοι πρέπει να ξέρουν πώς ή κατά πόσον πρέπει να διορθώσουν τις παρατηρήσεις τους για τις διαφορές σε στοιχεία, όπως είναι η ηλικία και η χημική σύνθεση του γονέα λευκού νάνου.

Το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν δύο τρόποι για να 'καεί' το αστέρι: σαν μια ανάφλεξη καθώς και σαν έκρηξη στην οποία η καύση διαδίδεται ως κύμα κλονισμού. 

Και κανένας τύπος καύσης, από αυτές, δεν μπορεί εύκολα να εξηγήσει αυτό που έχουν δει οι αστρονόμοι στις εκρήξεις των σουπερνοβών.

Η αργή καύση ή ανάφλεξη, δεν παράγει αρκετό νικέλιο για να παραγάγει το φως που βλέπουν οι αστρονόμοι και αφήνει ένα μεγάλο μέρος του αστεριού άκαυτο. Επιπλέον, τα τμήματα που καίγονται αναστατώνονται, ενώ τα σουπερνόβα στον ουρανό εμφανίζονται να έχουν κανονικές στρώσεις, με τα πυκνότερα στοιχεία, όπως ο σίδηρος και το νικέλιο να είναι στο κέντρο, ενώ τα ελαφρύτερα στοιχεία όπως το πυρίτιο, το θείο και το μαγνήσιο βρίσκονται στο εξωτερικό μέρος.

Εάν το σουπερνόβα είναι απλά μια έκρηξη, αφ' ετέρου, τότε όλο το αστέρι θα μετατρεπόταν σε νικέλιο, και αυτό θα οδηγούσε σε πάρα πολύ φως.

Κατά συνέπεια, τα τελευταία 10 χρόνια πολλοί θεωρητικοί έχουν υιοθετήσει ένα μοντέλο της έκρηξης που λέγεται "Goldilock", στο οποίο το αστέρι καίγεται με ένα τρόπο, σαν ανάφλεξη, κάνοντας έτσι μια αργή διαστολή, και έπειτα εκρήγνυται όταν μειωθεί η πυκνότητα του αστεριού σε μια κατάλληλη τιμή που μπορεί να φτιάξει τη σωστή ποσότητα του νικελίου.

"Ο χυλός πρέπει να έχει ακριβώς τη σωστή θερμοκρασία", είπε ο Δρ Wheeler, ο οποίος περιέγραψε τις πρόσφατες τρισδιάστατες προσομοιώσεις ως πρόοδο. 

Κανένα από αυτά τα μοντέλα της "καθυστερημένης εκπυρσοκρότησης" δεν εξηγεί γιατί ή πότε θα εκραγεί το το αστέρι.

Και οι επιστήμονες έπρεπε έτσι να κάνουν αυτόν τον υπολογισμό με το χέρι. "Πρέπει να βρούμε τη φυσική ώθηση για την εκπυρσοκρότηση", λέει ο Δρ Wheeler, που προσθέτει ότι οι αυτοκινητοβιομηχανίες ξοδεύουν εκατομμύρια για το πρόβλημα της ανάφλεξης στους κυλίνδρους των αυτοκινήτων.

Εδώ είναι που μπαίνουν οι υπολογισμοί του προαναφερθέντος μοντέλου. "Αυτό βγάζει ότι χρειάζεστε τοιχώματα για να ξεκινήσει μια έκρηξη", εξήγησε ο Δρ Lamb. Αλλά κανένα αστέρι δεν έχει τέτοια τοιχώματα. Τόσο πώς εκρήγνυται;

Η ομάδα Λάμψης (Flash group), που καθοδηγήθηκε από το Δρ Tomasz Plewa του Σικάγου και το Αστρονομικό Κέντρο Nicolaus Copernicus στη Βαρσοβία, ερευνούσε τι θα συνέβαινε εάν ο λευκός νάνος ξεκινούσε με έναν τρόπο σαν καύση όχι ακριβώς στο κέντρο του - ένα απίθανο γεγονός στην περίπτωση ενός πραγματικού αστεριού υποκείμενου στην αναταραχή - αλλά λίγο πιο έξω. Εκτός από το Δρ Lamb, η ομάδα περιλάμβανε και το Δρ Alan C. Calder του Σικάγου.

Το αποτέλεσμα ήταν να δημιουργείται (στο μοντέλο) μια φυσαλίδα που να ανεβαίνει από τα βάθη και αφού σαρώσει μια μεγάλη περιοχή γύρω από το αστέρι, να γίνεται το τοίχωμα του. Έτσι μπορεί να συντριβεί πάνω του σε μια θερμοκρασία τριών δισεκατομμυρίων βαθμών και τέτοιες πυκνότητες, που οι φυσικοί του Σικάγου λένε, ότι μπορούν να προκαλέσουν την εκπυρσοκρότηση. 

"Παρατηρούσαμε ανυπόμονοι το τελικό αποτέλεσμα", ανέφερε ο Δρ Lamb. 

Αλλά πρέπει να βρεθεί αν λειτουργεί η φύση πραγματικά με αυτόν τον τρόπο,  συμφωνούν ο Δρ Lamb και άλλοι επιστήμονες. Μάλιστα αυτή ή άποψη είναι μακριά από μια πλήρη θεωρία.

Η ομάδα επίσης δεν ήταν σε θέση ακόμα να κάνει τρισδιάστατους υπολογισμούς της πραγματικής εκπυρσοκρότησης. Τέτοιοι υπολογισμοί θα μπορούσαν να συγκριθούν με τις πραγματικές παρατηρήσεις.

Όπως εξήγησε ο Δρ Woosley, "το πώς ένα σουπερνόβα τύπου Ιa εκρήγνυται είναι ένα από τα πιο περίπλοκα πράγματα στο Σύμπαν".

Ο David Arnett, ένας ειδικός στα σουπερνόβα στο πανεπιστήμιο της Αριζόνα, είπε ότι τέτοιες προσομοιώσεις είναι ένας τρόπος για να εξεταστούν οι ιδέες και ότι η προσοχή τους ήταν να δουν στην πράξη τις απόψεις των θεωρητικών.

Εν τω μεταξύ, τα πραγματικά σουπερνόβα απειλούν να προκαλέσουν σύγχυση στους θεωρητικούς. Ο άνθρακας στο κέντρο του αστεριού μπορεί "να σιγοκαίει" προτού να καεί, βάζοντας τον σε μια πορεία που στο τέλος της δεν θα φτιάξει νικέλιο, σύμφωνα με τις πρόσφατες παρατηρήσεις δύο σουπερνοβών από το Δρ Wheeler και την ομάδα του. Η ομάδα αυτή χρησιμοποίησε το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στο Le Serena της Χιλής. Τα στοιχεία δεν είναι αναλυτικά, αλλά αυτό θα σήμαινε ότι τα περισσότερα από τα μοντέλα, συμπεριλαμβανομένης και του κέντρου Flash για την ανύψωση της φυσαλίδος, κάνουν λάθος.

Αλλά δεν πρέπει να αποθαρρυνθούμε. "Έχουμε έρθει από πολύ μακριά", τόνισε ο Δρ Wheeler. Αναφέροντας το πρόβλημα της ανάφλεξης, είπε, "έπρεπε να περάσει πολύς χρόνος προτού μάθουμε ότι υπάρχει κι αυτή η λύση".