Αστρικές Εκρήξεις: Nova, Kilonova, Supernova, Hypernova

 

Από το Astronio

συγγραφέας: Παύλος Καστανάς

Nova, Supernova, Kilonova, Hypernova… Τι σημαίνουν αυτές οι λέξεις και γιατί είναι τόσο σημαντικές για το Σύμπαν και για εμάς;

1. Nova

Όταν ένας σχετικά μικρός αστέρας σαν τον Ήλιο μας φτάνει στο τέλος της ζωής του, χάνει τα εξωτερικά του στρώματα και στη θέση του απομένει ένας πολύ πυκνός και θερμός αστέρας στο μέγεθος της Γης. Το σώμα αυτό ονομάζεται λευκός νάνος και αποτελείται κυρίως από άνθρακα και οξυγόνο. Στο εσωτερικό των λευκών νάνων δεν συμβαίνουν πια πυρηνικές αντιδράσεις όπως στους κανονικούς αστέρες, αλλά η επιφάνειά τους είναι υπερβολικά θερμή, με θερμοκρασίες της τάξης των 100.000 βαθμών Κελσίου!

Οι λευκοί νάνοι πρωταγωνιστούν σε έναν τύπο αστρικής έκρηξης που συμβαίνει σε διπλά αστρικά συστήματα και ονομάζεται «Nova». Αν ένας λευκός νάνος βρεθεί σε μικρή απόσταση απ’ την επιφάνεια κάποιου γειτονικού αστέρα, ενδέχεται να αρχίσει σιγά σιγά να απορροφά το εξωτερικό στρώμα υδρογόνου του άλλου άστρου. Το στρώμα αυτό συσσωρεύεται σταδιακά γύρω από τον λευκό νάνο, σχηματίζοντας έναν δίσκο.

Το υδρογόνο του δίσκου έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του λευκού νάνου, συμπιέζεται, θερμαίνεται και σταδιακά φτάνει σε θερμοκρασίες σύντηξης, δηλαδή σε θερμοκρασίες μερικών εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Έτσι ξεκινά η πυρηνική σύντηξη, η οποία διαδίδεται αλυσιδωτά σε ολόκληρο το στρώμα υδρογόνου/τον δίσκο. Αυτό οδηγεί σε μια εντυπωσιακή έκρηξη «nova», η οποία καταστρέφει τον δίσκο.

Οι εκρήξεις nova μπορούν να απελευθερώσουν σε λίγες μόνο ημέρες όση ενέργεια απελευθερώνει ο Ήλιος μας σε χιλιάδες χρόνια. Παρ’ όλα αυτά οι λευκοί νάνοι δεν καταστρέφονται κατά τη διάρκεια της έκρηξης, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να πραγματοποιήσουν πολλές εκρήξεις Nova κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Έτσι, κάθε χρόνο στον Γαλαξία μας παρατηρούμε περίπου 10 εκρήξεις Nova.

2. Supernova από λευκούς νάνους

Οι λευκοί νάνοι πρωταγωνιστούν και σε κάποιες άλλες εκρήξεις, πολύ πιο εντυπωσιακές από τις εκρήξεις nova. Αν ένας λευκός νάνος βρίσκεται και πάλι σε πολλαπλό αστρικό σύστημα, ενδέχεται να καταφέρει να απορροφήσει μεγάλες ποσότητες ύλης από κάποιον γειτονικό αστέρα.

Αν η μάζα που προστεθεί στον λευκό νάνο τον οδηγήσει σε μια συνολική μάζα πάνω από 1,4 ηλιακές μάζες περίπου, τότε τα πράγματα παίρνουν μια δραματική τροπή: H πρόσθετη μάζα οδηγεί σε συμπίεση του άστρου, αναπτύσσονται υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες στο εσωτερικό του και ξεκινά η θερμοπυρηνική σύντηξη του άνθρακα και του οξυγόνου -από τα οποία αποτελείται- προς βαρύτερα στοιχεία. Με άλλα λόγια, ολόκληρος ο αστέρας γίνεται μια γιγάντια πυρηνική βόμβα! Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να διαλυθεί ολόκληρος ο λευκός νάνος και να εκλυθούν τεράστια ποσά ενέργειας! Η έκρηξη αυτή ονομάζεται Supernova Τύπου Ia και μπορεί εύκολα να ανιχνευθεί ακόμα και σε πολύ μακρινούς γαλαξίες.

Δεδομένου ότι γνωρίζουμε τη μάζα που έχει ο λευκός νάνος όταν καταρρέει, ξέρουμε αρκετά καλά πόση ενέργεια εκλύεται απ’ τις εκρήξεις Supernova Τύπου Ιa. Άρα, από το πόσο λαμπρές φαίνονται αυτές οι εκρήξεις στον ουρανό, μπορούμε να εκτιμήσουμε πόσο μακριά συμβαίνουν. Τις αξιοποιούμε λοιπόν ως μέτρα υπολογισμού απόστασης και, έτσι, εκτιμούμε τις αποστάσεις μακρινών γαλαξιών.

Οι εκρήξεις supernova τύπου Ιa είναι αρκετά πιο σπάνιες από τις εκρήξεις nova και εκλύουν ενέργεια που αντιστοιχεί σε 10³¹ (δηλαδή 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) ατομικές βόμβες του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου. Με άλλα λόγια, η ενέργεια που εκλύεται είναι ίση με την ενέργεια που εκπέμπει ο Ήλιος σε 10 δισεκατομμύρια χρόνια, δηλαδή σε ολόκληρη τη ζωή του!

3. Supernova από γιγάντιους αστέρες

Εκρήξεις Supernova μπορούν να προκληθούν και από υπεργίγαντες αστέρες, που είναι πολύ μεγαλύτεροι από τον Ήλιο μας. Όπως είχαμε δει στο βίντεο για τη ζωή των άστρων, όταν εξαντληθούν τα καύσιμα των υπεργιγάντων αστέρων, η βαρύτητα κυριαρχεί και ο αστέρας καταρρέει κάτω από το βάρος του.

Ο πυρήνας των υπεργιγάντων σε αυτή τη φάση είναι ήδη υπερβολικά πυκνός και είναι αδύνατο να συσταλεί άλλο. Έτσι τα υλικά του αστέρα καταρρέουν, ανακλώνται στον πυρήνα και κινούνται προς τα έξω ταχύτατα, διασκορπίζοντας το εσωτερικό του άστρου στο διαστρικό χώρο μέσα από μια τρομακτική έκρηξη. Η έκρηξη αυτή ονομάζεται Supernova Τύπου ΙΙ και είναι τόσο φωτεινή όσο ένας ολόκληρος γαλαξίας. Μάλιστα, κατά τη διάρκεια της έκρηξης, η ταχύτητα των εξωτερικών στρωμάτων του αστέρα ξεπερνά το 10% της ταχύτητας του φωτός.

Σε κάποιες περιπτώσεις, προτού καταρρεύσουν, οι υπεργίγαντες αστέρες ενδέχεται να χάσουν κάποια από τα ελαφριά εξωτερικά τους στρώματα. Εάν έχει χαθεί το εξωτερικό στρώμα υδρογόνου που τους περιβάλλει, τότε παρατηρείται έκρηξη σουπερνόβα Τύπου Ιb, ενώ αν έχει χαθεί και το στρώμα ηλίου, παρατηρείται έκρηξη σουπερνόβα Τύπου Ιc. Η βασική τους διαφορά από τις εκρήξεις σουπερνόβα Τύπου ΙΙ είναι ότι δεν εμφανίζονται γραμμές απορρόφησης υδρογόνου στα φάσματά τους. Ωστόσο, ο γενικότερος μηχανισμός παραμένει ίδιος.

4. Kilonova

Μετά από την έκρηξη supernova ενός γιγάντιου αστέρα, είναι πιθανό να μείνει πίσω ο πυρήνας του, ο οποίος ονομάζεται αστέρας νετρονίων. Οι αστέρες νετρονίων είναι υπερβολικά πυκνά σώματα που αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από νετρόνια. Το μέγεθός τους είναι περίπου αυτό μιας πόλης, αλλά η μάζα τους είναι περίπου 1,5 με 2 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ηλίου μας. Αυτό σημαίνει ότι ένα κουταλάκι του γλυκού από τα υλικά ενός αστέρα νετρονίων θα ζύγιζε πάνω από 2 δισεκατομμύρια τόνους!

Όταν δύο αστέρες νετρονίων συγκρουστούν μεταξύ τους πραγματοποιείται μια έκρηξη η οποία είναι ασθενέστερη από έκρηξη Supernova, αλλά τουλάχιστον 1.000 φορές ισχυρότερη από την έκρηξη nova! Για αυτόν τον λόγο πήρε την ονομασία Kilonova. Κατά τις συγκρούσεις αστέρων νετρονίων απελευθερώνονται μεγάλα ποσά ακτινοβολίας γ, αλλά και βαρυτικά κύματα.

Η πρώτη επιβεβαιωμένη έκρηξη Kilonova παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 2017 και αφορούσε τη σύγκρουση αστέρων νετρονίων στον γαλαξία NGC 4993. Οι διατάξεις LIGO και VIRGO ανίχνευσαν τα βαρυτικά κύματα που προήλθαν απ’ τη σύγκρουση ενώ τα διαστημικά τηλεσκόπια Fermi και Integral ανίχνευσαν μια σύντομη έκλαμψη ακτινοβολίας γ, προερχόμενη από την ίδια περιοχή. Αξίζει να σημειωθεί ότι εκρήξεις kilonova ενδέχεται να γίνουν και κατά τη συγχώνευση ενός αστέρα νετρονίων και μιας μαύρης τρύπας.

5. Hypernova

Μια ακόμα πιο εντυπωσιακή κατηγορία έκρηξης είναι η έκρηξη Hypernova. Πρόκειται για μια σπάνια μορφή έκρηξης Supernova ενός γιγάντιου αστέρα μάζας άνω των 30 ηλιακών μαζών. Στην έκρηξη Hypernova, λόγω διεργασιών που συμβαίνουν στο εσωτερικό του άστρου, τα υλικά εκτοξεύονται με ασυνήθιστα μεγάλες ταχύτητες. Οι ταχύτητες αυτές μπορούν να φτάσουν ακόμα και το 99% της ταχύτητας του φωτός. Ταυτόχρονα εκπέμπονται μεγάλα ποσά ακτινοβολίας γ.

Η κατάρρευση του άστρου μετά από έκρηξη Hypernova οδηγεί στον σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας με δίσκο προσαύξησης και πίδακες ακτινοβολίας. Μια ενδεικτική έκρηξη Hypernova είναι αυτή που παρατηρήθηκε το 1998 (SN 1998bw), σε έναν σπειροειδή γαλαξία που απέχει 140 εκατομμύρια έτη φωτός από εμάς. Η έκρηξη συνοδεύτηκε από μια έντονη έκλαμψη ακτινοβολίας γ.

6. Luminous Red Nova

Μια ακόμα αινιγματική κατηγορία αστρικής έκρηξης είναι η Luminous Red Nova. Όπως μαρτυρά και το όνομά της, αυτό που τη χαρακτηρίζει είναι το έντονο κόκκινο χρώμα και η μεγάλη φωτεινότητά της. Η ενέργεια που εκλύεται είναι ανάμεσα σε αυτή των εκρήξεων nova και supernova.

Προς το παρόν, η προέλευση της κόκκινης αυτής έκρηξης παραμένει άγνωστη. Το πιο πιθανό σενάριο όμως είναι ότι πυροδοτείται από τη σύγκρουση δύο κανονικών αστέρων. Μια ενδεικτική τέτοια έκρηξη μπορείτε να δείτε εδώ.

7. Η σημασία των αστρικών εκρήξεων

Οι εκρήξεις των αστέρων είναι καταστροφικές για την πλανητική και αστρική τους γειτονιά. Όμως, χωρίς αυτές, τίποτα από αυτά που γνωρίζετε δε θα υπήρχε. Διότι μέσα από τις αστρικές εκρήξεις το σύμπαν εμπλουτίζεται από τα χημικά στοιχεία που είναι αναγκαία για τον σχηματισμό βραχωδών πλανητών και έμβιων όντων.

Για παράδειγμα, το οξυγόνο και το πυρίτιο του φλοιού της Γης, αλλά και το ασβέστιο, το μαγνήσιο και το κάλιο που έχουμε στο σώμα μας, οφείλουν την ύπαρξή τους σε εκρήξεις Supernova γιγάντιων άστρων. Ο σίδηρος, το τιτάνιο και το νικέλιο, προέρχονται κυρίως από εκρήξεις Supernova λευκών νάνων. Ενώ ο χρυσός και το ασήμι που συναντούμε στα κοσμήματά μας δημιουργούνται από τις εκρήξεις Kilonova αστέρων νετρονίων.

Πατήστε εδώ για να δείτε μια ειδική μορφή του περιοδικού πίνακα που δείχνει την αστρική προέλευση κάθε στοιχείου.

________________________________________

Πρόσθετες παρατηρήσεις:

1. Η ονομασία «νόβα» σημαίνει νέος ή «καινοφανής» αστέρας. Δόθηκε από τον Tycho Brahe το 1572 σε ένα «νέο άστρο» που εμφανίστηκε στον ουρανό. Φυσικά, δεν ήταν νέο άστρο, αλλά μια έκρηξη Supernova Τύπου Ia. Αργότερα, οι ονομασίες «νόβα» και «σουπερνόβα» δόθηκαν σε διαφορετικά φαινόμενα. Στα ελληνικά έχουν αποδοθεί ως «καινοφανής» και «υπερκαινοφανής» αστέρας.

2. Πώς είναι τόσο θερμοί οι λευκοί νάνοι ενώ δεν πραγματοποιούνται πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό τους; Η υψηλή τους θερμοκρασία οφείλεται στον τρόπο σχηματισμού τους, δηλαδή στο γεγονός ότι πρακτικά είναι τα πολύ πυκνά κέντρα αστέρων που έφτασαν στο τέλος της ζωής τους. Έτσι, κατά τον σχηματισμό τους έχουν μια θερμοκρασία της τάξης των 100.000 βαθμών Κελσίου, αλλά με το πέρασμα εκατομμυρίων ετών αυτό το νούμερο μειώνεται αρκετά. Δηλαδή, οι λευκοί νάνοι κρυώνουν με το πέρασμα του χρόνου. Ενδεικτικά, μετά από 1 δισεκατομμύριο χρόνια υπολογίζεται ότι η θερμοκρασία πέφτει περίπου στους 10.000 βαθμούς Κελσίου.

3. Σε κάποιες περιπτώσεις, προτού καταρρεύσουν, οι υπεργίγαντες αστέρες ενδέχεται να χάσουν κάποια από τα ελαφριά εξωτερικά τους στρώματα. Εάν έχει χαθεί το εξωτερικό στρώμα υδρογόνου που τους περιβάλλει, τότε παρατηρείται έκρηξη σουπερνόβα Τύπου Ιb, ενώ αν έχει χαθεί και το στρώμα ηλίου, παρατηρείται έκρηξη σουπερνόβα Τύπου Ιc. Η βασική τους διαφορά από τις εκρήξεις σουπερνόβα Τύπου ΙΙ είναι ότι δεν εμφανίζονται γραμμές απορρόφησης υδρογόνου στα φάσματά τους. Ωστόσο, ο γενικότερος μηχανισμός παραμένει ίδιος.

4. Η κατηγοριοποίηση των εκρήξεων σουπερνόβα συχνά προκαλεί σύγχυση, διότι προκύπτει από τα φάσματα των εκρήξεων και όχι από τους μηχανισμούς που τις προκαλούν. Συνοπτικά, εάν η έκρηξη Supernova οφείλεται σε κατάρρευση γιγάντιου άστρου, τότε μιλούμε για Supernova Τύπου II ή Supernova Τύπου Ιb ή Ic. Εάν οφείλεται σε λευκό νάνο που ξεπέρασε το όριο της ανώτερης δυνατής μάζας, τότε μιλούμε για Supernova Τύπου Ιa.

5. Για τα ποσά ενέργειας που εκλύονται χρησιμοποιήθηκαν οι παρακάτω πηγές: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_yield

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Astro/snovcn.html

https://www.nasa.gov/universe/nasa-missions-help-reveal-the-power-of-shock-waves-in-a-nova-explosion/

6. Η συγχώνευση μαύρων τρυπών και αστέρων νετρονίων μπορεί επίσης να δημιουργήσει kilonova εφόσον διαλυθεί ο αστέρας νετρονίων κατά τη διαδικασία και εκτοξευθεί αρκετό υλικό στον διαστρικό χώρο. Σχετικό paper: https://arxiv.org/pdf/2208.00973.pdf

7. Μια έκρηξη σουπερνόβα θεωρείται δυνητικά επικίνδυνη, εάν συμβεί σε απόσταση μικρότερη των 100 ετών φωτός από εμάς. Ο πιο κοντινός υποψήφιος αστέρας για έκρηξη σουπερνόβα είναι ένας λευκός νάνος σε διπλό αστρικό σύστημα (HR8210), ο οποίος βρίσκεται στην ασφαλή απόσταση των 154 ετών φωτός από εμάς. Ταυτόχρονα, απομακρύνεται. Επομένως, δεν κινδυνεύουμε.

8. Για την εκτίμηση της μάζας ενός κουταλιού του γλυκού από τα υλικά ενός αστέρα νετρονίων χρησιμοποιήθηκε η πυκνότητα 5×10¹⁷ kg/m³ και ο όγκος 5 ml ενός κουταλιού του γλυκού.