Ένα αστέρι πεθαίνει

Ορατή έκρηξη υπερκαινοφανούς (σούπερ-νόβα, supernova)

Τον περασμένο Σεπτέμβριο οι κάτοικοι του βορείου ημισφαιρίου της Γης είχαν την ευκαιρία να παρατηρήσουν μια σπάνια έκρηξη υπερκαινοφανούς (ή supernova όπως αυτές αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία). Πρόκειται για το «θάνατο» του άστρου PTF-11kly που βρίσκεται στον γαλαξία του «Τροχού» σε απόσταση περίπου 21 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη (εικόνα 1).

Αυτό σημαίνει ότι το γεγονός αυτό συνέβη πριν από περίπου 21 εκατομμύρια χρόνια και η πληροφορία αυτή έφθασε σε εμάς μόλις σήμερα. Το φαινόμενο ήταν ορατό από τις 9 μέχρι τις 12 Σεπτεμβρίου με ένα απλό τηλεσκόπιο ή με ένα ζευγάρι κιάλια στην κατεύθυνση της Μεγάλης Άρκτου, πάνω από τα δύο τελευταία άστρα της. Η έκρηξη εντοπίστηκε για πρώτη φορά από τον αστρονόμο του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια-Μπέρκλεϊ Πίτερ Νιούτζεντ στις 24 Αυγούστου. Η έκρηξη γινόταν πιο λαμπερή κάθε λεπτό που περνούσε για να αργοσβήνει στη συνέχεια για να  είναι ορατή πια μόνο με μεγάλο τηλεσκόπιο μέχρι τα μέσα Οκτωβρίου.

Η τελευταία φορά που η ανθρωπότητα είχε την ευκαιρία να παρακολουθήσει μια ανάλογη έκρηξη ήταν στις 23 Φεβρουαρίου 1987. Συνέβη στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, ένα γειτονικό μας «νάνο» γαλαξία, που απέχει από τη Γη περί τα 170.000 έτη φωτός, και ήταν ορατή από το νότιο ημισφαίριο. Ο υπερκαινοφανής αυτός, που φέρει την ονομασία SN1987 A απετέλεσε σημαντικό γεγονός για την επιστήμη της Αστροφυσικής, γιατί με τις παρατηρήσεις που ακολούθησαν κατέστη για πρώτη φορά δυνατόν να υποβληθούν σε ουσιαστικό έλεγχο οι θεωρητικές απόψεις μας για τους σούπερ-νόβα.

Το φαινόμενο του υπερκαινοφανούς

Οι εκρήξεις υπερκαινοφανών είναι τα πιο κατακλυσμιαία φαινόμενα που συμβαίνουν στο Σύμπαν. Υστερούν σε ισχύ μόνο από την περίφημη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) που δημιούργησε το ίδιο Σύμπαν. Οι υπερκαινοφανείς εμφανίζονται ξαφνικά. Εκεί που παλιά υπήρχε ένα κοινό αστέρι – που κι αν ακόμα ήταν παρατηρήσιμο ή φωτογραφήσιμο, συνήθως δεν είχε τραβήξει ποτέ την προσοχή μας- εμφανίζεται ένα «καινούργιο» αστέρι (εξ ού και η ονομασία υπερκαινοφανής), λαμπρότερο πολλές φορές και από ολόκληρο τον γαλαξία στον οποίο ανήκει. Η λαμπρότητά του αυξάνει σε μερικές ώρες ή λίγες ημέρες κατά 108 έως 1011 φορές για να πέσει κατά το ήμισυ σε περίπου 100 ημέρες. Έξι μήνες περίπου μετά την έκρηξή του το κατεστραμμένο πια άστρο πέφτει στην αφάνεια αφήνοντας όμως ως πιθανό αστρικό «πτώμα» δύο εξαιρετικά ενδιαφέροντα, από επιστημονική άποψη υπολείμματα, έναν αστέρα νετρονίων ή μια μελανή οπή.

Για να γίνει περισσότερο αντιληπτή η σφοδρότητα της έκρηξης αρκεί να λεχθεί ότι η συνολική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκλύεται κατά τη διάρκεια του φαινομένου, δηλαδή μέσα σε μερικές το πολύ ημέρες, ισοδυναμεί με την ακτινοβολία που έχει εκπέμψει ο Ήλιος από τη στιγμή της δημιουργίας του (πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια) μέχρι σήμερα. Συγχρόνως, η έκρηξη εκτοξεύει και τεράστιες ποσότητες ύλης γύρω από το αστέρι που κυμαίνονται από 1 ηλιακή μάζα μέχρι και 10 ηλιακές μάζες και που κινείται με ταχύτητα της τάξης των δεκάδων χιλιάδων χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Μερικούς αιώνες μετά την έκρηξη το υπόλειμμα αυτό παρατηρείται σαν ένα σφαιρικό κέλυφος που διαστέλλεται με χαμηλότερη πια ταχύτητα της τάξεως των 3.000-5.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο (εικόνα 2).

Πώς και γιατί δημιουργούνται οι εκρήξεις υπερκαινοφανούς

Ίσως να εγείρεται το ερώτημα. Τι γίνεται με τον Ήλιο, το πιο κοντινό σε εμάς, αλλά και ζωογόνο άστρο; Ποια θα είναι η εξέλιξή του; Θα «πεθάνει» και αυτός με αυτόν τον καταστρεπτικό τρόπο; Η απάντηση είναι κατηγορηματική. Ο Ήλιος μας δε θα «πεθάνει» με βίαιο τρόπο. Ο χρόνος ζωής, αλλά και ο τρόπος εξέλιξης ενός άστρου εξαρτάται από τη μάζα του. Και μάλιστα όσο μεγαλύτερη μάζα έχει ένα άστρο τόσο και περισσότερο ζει, αλλά και ο θάνατός του είναι σχετικά ήρεμος. Ο Ήλιος μας, για καλή μας τύχη, είναι ένα σχετικά μικρό άστρο, με αποτέλεσμα να έχει και μεγάλο χρόνο ζωής (περίπου 10 δισεκατομμύρια χρόνια.

Η ηλικία του σήμερα υπολογίζεται στα 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια), αλλά και σχετικά ήρεμη εξέλιξη. Για 4,5 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια, λοιπόν, θα συνεχίσει και «καίει» ήρεμα τα καύσιμά του μετατρέποντας το υδρογόνο σε ήλιο. Κάποτε όμως η διαδικασία αυτή θα φθάσει στο τέλος της. Και τότε η «καρδιά» του θα αποτελείται πια από το προϊόν της καύσης του υδρογόνου, δηλαδή από ήλιο.

Η στιγμή του τέλους της καύσης του υδρογόνου στο εσωτερικό του Ήλιου σηματοδοτεί ταυτόχρονα το τέλος της νιότης του. Ο Ήλιος μας θα έχει πια ενηλικιωθεί. Θα έχει περάσει στη φάση των «γηρατειών» του. Η θερμοκρασία στον πυρήνα του θα ελαττωθεί και άρα και η πίεση ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τον πυρήνα του, με αποτέλεσμα κάποια στιγμή να γίνει τόσο μικρή ώστε να μην είναι ικανή να συγκρατήσει το βάρος των εξωτερικών στρωμάτων του που τον αγκαλιάζουν.

Έτσι θα αρχίζει μια αργή βαρυτική κατάρρευση των εξωτερικών στρωμάτων του Ήλιου προς τον πυρήνα του γεγονός που σημαίνει ότι η θερμοκρασία και η πίεση στον πυρήνα του θα αρχίσουν πάλι και αυξάνονται. Όταν η θερμοκρασία του πυρήνα, που συνεχώς συστέλλεται, φθάσει τα 200 εκατομμύρια βαθμούς τότε το αέριο ήλιο στον πυρήνα του, μέσω μιας νέας πυρηνικής αντίδρασης, θα αρχίζει να καίγεται παράγοντας άνθρακα. Συγχρόνως τα εξωτερικά στρώματα του θα διασταλούν δίνοντάς του γιγάντιες διαστάσεις.

Ο Ήλιος θα έχει γίνει πια ένας κόκκινος (ερυθρός) γίγαντας και θα «καταπιεί» τους τρεις κοντινότερους σε αυτόν πλανήτες, τον Ερμή, την Αφροδίτη και φυσικά τη Γη. Στη συνέχεια, πολύ γρήγορα, θα εξαντλήσει και τα τελευταία πυρηνικά του αποθέματα και αφού τα εξωτερικά του στρώματα θα διαλυθούν θα συρρικνωθεί σε διαστάσεις περίπου όσο η Γη και θα αποκτήσει λευκό χρώμα.. Το λευκό χρώμα και οι μικρές του πια διαστάσεις θα του δώσουν την ονομασία  λευκός νάνος.

Είναι χαρακτηριστικό ότι ένα κουταλάκι υλικού από ένα τέτοιο «αστρικό κουφάρι» ζυγίζει περίπου όσο ένα αυτοκίνητο. Σε αυτά τα άστρα οι πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό τους έχουν σταματήσει. Ακτινοβολούν βέβαια λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του εσωτερικού τους αλλά η επιφανειακή τους θερμοκρασία και η λαμπρότητά τους συνεχώς ελαττώνονται.

Τα άστρα αυτά κρυώνουν καταναλίσκοντας τη θερμική τους ενέργεια. Όταν η θερμοκρασία τους γίνει ίση με αυτή του περιβάλλοντος τότε τα άστρα αυτά, όπως και ο ήλιος μας μετατρέπονται σε σκοτεινά άστρα. Σε μελανούς νάνους. Αυτή προβλέπεται να είναι η πορεία του Ήλιου, αλλά και άστρων λίγο μεγαλυτέρων και λίγο μικρότερων από τον Ήλιο μας (εικόνα 3).

Τι συμβαίνει όμως με τα άστρα που είναι μεγαλύτερα από τον Ήλιο μας; Για αυτά, και συγκεκριμένα για εκείνα που η μάζα τους είναι μεγαλύτερη από 1,4 ηλιακές μάζες, τα «γηρατειά» τους είναι πιο επώδυνα. Μετά την εξάντληση του ηλίου στον πυρήνα ενός τέτοιου άστρου, η πίεση μικραίνει με αποτέλεσμα να αρχίσει ξανά η βαρυτική συστολή του. Τα εξωτερικά του στρώματα διαστέλλονται. Το αστέρι μετατρέπεται πια σε ερυθρό υπεργίγαντα. Για να γίνει καλύτερα αντιληπτό τι σημαίνει υπεργίγαντας αστέρας, αν στη θέση του Ήλιου τοποθετήσουμε έναν υπεργίγαντα αυτός μπορεί να φθάσει και μέχρι το Δία (εικόνα 4). Καθώς όμως ο πυρήνας του ερυθρού υπεργίγαντα μικραίνει η θερμοκρασία του συνεχώς αυξάνει και αν φθάσει στο 1 δισεκατομμύριο βαθμούς τότε αρχίζει η καύση του άνθρακα.

Στη συνέχεια, μέσω μιας σειράς πυρηνικών αντιδράσεων κατά τις οποίες συντήκονται ολοένα και βαρύτερα άτομα θα σχηματισθεί ένας πυρήνας που θα περιέχει μια ποικιλία από βαρείς πυρήνες, ιδιαίτερα δε άφθονο σίδηρο. Η εμφάνιση του σιδήρου στον πυρήνα του σηματοδοτεί και το τέλος του αστεριού μας. Επειδή ο σίδηρος δεν παράγει ενέργεια ούτε μέσω της σύντηξής του με άλλα άτομα ούτε μέσω της σχάσης του σε μικρότερα άτομα, το άστρο αρχίζει και πάλι να συστέλλεται προς τον πυρήνα του δημιουργώντας ένα νέο πλήθος πυρηνικών αντιδράσεων.

Την περίοδο αυτή γεννιέται και διαδίδεται προς τα πάνω ένα κρουστικό κύμα που προκαλεί μια φοβερή έκρηξη, μια πραγματικά κοσμική καταστροφή, με αποτέλεσμα την απότομη εκτίναξη μιας μεγάλης ποσότητας ύλης στο μεσοαστρικό χώρο με ταχύτητες που φθάνουν τα 30.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Αυτή ακριβώς είναι η έκρηξη υπερκαινοφανούς ή super nova.

Τι απομένει από μια έκρηξη υπερκαινοφανούς;

Στην περίπτωση που η μάζα του άστρου που απομένει μετά την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς είναι μεταξύ 1,4 και 3,2 ηλιακών μαζών, η βίαιη αυτή έκρηξη συμπιέζει την εναπομένουσα ύλη του αστέρα η οποία συνθλίβεται και καταλήγει σε μια κατάσταση με πυκνότητα πολύ μεγαλύτερη από την πυκνότητα των λευκών νάνων.

Στη φάση αυτή τα ελεύθερα ηλεκτρόνια του υλικού επιταχύνονται σε σχετικιστικές ταχύτητες (ταχύτητες δηλαδή, που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός) και εξαναγκάζονται να ενωθούν με τα πρωτόνια και έτσι οι πυρήνες του υλικού αυτού αποτελούνται μόνο από νετρόνια. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι το αστέρι μας έχει μετατραπεί σε ένα άστρο νετρονίων με διάμετρο 10 έως 30 χλμ. και μάζα περίπου μια ηλιακή.

Για να καταλάβουμε την κατάσταση της ύλης σε έναν αστέρα νετρονίων αρκεί να πούμε ότι ένα κουταλάκι υλικού από αυτόν ζυγίζει όσο όλος ο πληθυσμός της Γης. Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των αστεριών είναι η ταχύτατη περιστροφή τους (κάθε μια ολοκληρώνεται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου). Ένα άλλο χαρακτηριστικό τους είναι το τεράστιο μαγνητικό πεδίο τους (τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης) και παράγει περιοδικούς παλμούς ισχυρών ραδιοκυμάτων. Τα αστέρια αυτά δε διαθέτουν άλλη πηγή ενέργειας εκτός από την περιστροφή τους. Τελικά θα ψυχθούν και θα σβήσουν εντελώς. Λόγω των περιοδικών αναπαλμών τους δόθηκε η ονομασία pulsars (παλλόμενες ραδιοπηγές). Ανακαλύφθηκαν από την αγγλίδα αστρονόμο Jocelin Bell (1967).

Αν τώρα, μετά την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς αστέρα το υπόλειμμα του αστεριού στο κέντρο της έκρηξης είναι μεγαλύτερο από 3,2 ηλιακές μάζες, τότε η πίεση που ασκεί το υλικό του στις περιοχές του πυρήνα του λόγω της συντριπτικής δύναμης της βαρύτητάς του είναι τεράστια και το αστέρι δε μπορεί να ισορροπήσει ούτε σαν λευκός νάνος ούτε σαν αστέρας νετρονίων.

Η κατάρρευση του πυρήνα του θα γίνει τόσο γρήγορα ώστε το υλικό του θα καταλήξει σε μια υπέρπυκνη κατάσταση. Στην περίπτωση αυτή το βαρυτικό πεδίο γύρω του είναι τόσο ισχυρό ώστε δεν καταπίνει μόνο ό, τι υλικό βρεθεί στη γύρω περιοχή, αλλά δεν αφήνει ακόμα και το δικό του φως να απομακρυνθεί από την επιφάνειά του περισσότερο από μια απόσταση γύρω του που την ονομάζουμε ορίζοντα γεγονότων.

Αφού λοιπόν από το υπέρπυκνο αυτό αστρικό αντικείμενο δεν μπορούμε να πάρουμε καμιά πληροφορία μοιάζει η περιοχή αυτή να είναι κενή, κάτι σαν μια μαύρη τρύπα στον ουρανό. Για το λόγο αυτό ονομάσθηκαν τα αντικείμενα αυτά μελανές οπές ή μαύρες τρύπες (η ονομασία αποδίδεται στον αμερικανό αστρονόμο John Wheeler).

Η βαρυτική κατάρρευση και η συστολή στο κέντρο αυτού του αστεριού δεν σταματά ποτέ, αλλά συνεχίζεται μέχρι να συμβεί κάτι λογικά αδύνατο. Ολόκληρο το υλικό του συγκεντρώνεται σε ένα και μοναδικό σημείο και από εκεί συνθλίβεται προς το αισθητό τίποτα. Το περίεργο αυτό σημείο στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας το ονομάζουμε σημειακή ανωμαλία ή σημειακή ιδιομορφία.

Το σημείο αυτό για την επιστήμη θεωρήθηκε ιδιόμορφο, αφού από το σημείο αυτό και μετά παύει να ισχύει όλο το σύστημα των φυσικών νόμων και γνώσεων. Στην ερώτηση πού πηγαίνει το υλικό και η ενέργεια του χαμένου από τις ανθρώπινες αισθήσεις άστρου, η απάντηση δεν είναι καθόλου εύκολη για να μην πούμε ότι δεν έχουμε καν απάντηση. Το σίγουρο όμως είναι ότι η κατάσταση αυτή ξεφεύγει από τις ανθρώπινες αισθήσεις, ξεφεύγει από τα όργανα μέτρησης που είναι συνυφασμένα με τις αισθήσεις μας, ξεφεύγει από την ανθρώπινη φυσιολογία μας.

Το άστρο PTF-11kly που εξερράγη στο γαλαξία του «Τροχού» σε απόσταση 21 εκατομμυρίων φωτός

Το άρθρο δημοσιεύθηκε στην «Ελεύθερη Ζώνη».

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνσή σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *

Έλεγχος Captcha *