30 ΧΡΟΝΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΚΡΗΞΗ ΤΟΥ ΥΠΕΡΚΑΙΝΟΦΑΝΟΥΣ 1987Α

Στις 23 Φεβρουαρίου του 1987 εμφανίστηκε στον ουρανό η πιο κοντινή στη Γη έκρηξη υπερκαινοφανούς μετά από το 1604 (όπου παρατηρήθηκε από τον Κέπλερ στον αστερισμό του Οφιούχου) μέσα στο Μεγάλο Μαγγελανικό Νέφος, ένας κοντινός σε μας νάνος γαλαξίας. Ονομάστηκε SN 1987A και απέχει περίπου 51,4 kiloparsecs από τη Γη, τόσο κοντά που μπορούσαμε να το δούμε με γυμνό μάτι. Επειδή ήταν η πρώτη σουπερνόβα που ανακαλύφθηκε το 1987, ονομάστηκε «1987A».

Η φωτεινότητά της αυξήθηκε το Μάιο με ένα προφανές μέγεθος περίπου 3 και μειώθηκε αργά αργά στους επόμενους μήνες. Ήταν η πρώτη φορά που δόθηκε η ευκαιρία στους σύγχρονους αστρονόμους να δουν από κοντά την έκρηξη μιας σουπερνόβας.

Η σουπερνόβα 1987 πριν και μετά την έκρηξη στα περίχωρα του νεφελώματος Ταραντούλα στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου. Το όνομα του το πήρε λόγω του σχήματός του, γιατί με λίγη φαντασία μοιάζει αρκετά με το είδος της αράχνης, της ταραντούλας.

Ανακαλύφθηκε από το μεταπτυχιακό φοιτητή της αστρονομίας Ian Shelton καθώς και τον Oscar Duhalde στο παρατηρητήριο Las Campanas στη Χιλή στις 24 Φεβρουαρίου 1987, και ανεξάρτητα από τον Albert Jones στη Νέα Ζηλανδία, και τον Colin Henshaw στη Ζιμπάπουε.

Η ιστορία μας λέει ότι ο Ian Shelton παρατηρούσε με το μικρό του τηλεσκόπιο, που είχε επισκευάσει μόνος του, κατά τις μία το πρωί το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου. Εκείνη τη στιγμή μια αχτίδα φωτός, ύστερα από ένα ταξίδι 168.000 χρόνων, από την καταστροφική έκρηξη ενός άστρου, καταγράφηκε πάνω στο φιλμ του τηλεσκόπιου.

Για να κάνουμε μια χρονική σύγκριση ο Homo sapiens sapiens, ο σύγχρονοι άνθρωπος από τον οποίο καταγόμαστε, εξελίχθηκε πριν περίπου 200.000 χρόνια.

Καλλιτεχνική απεικόνιση των δακτυλίων γύρω από το SN 1987A.

Άλλες εκρήξεις τα 2000 τελευταία χρόνια είχαμε το 185, το 1006, το 1181, το 1572, το 1604 και το 1680. Τέλος οι Κινέζοι το 1054 είχαν καταγράψει σε μια σχετικά κοντινή απόσταση μια έκρηξη η οποία ήταν ορατή με γυμνό μάτι για 23 ημέρες . Από την υπερκαινοφανή αυτή έκρηξη δημιουργήθηκε το νεφέλωμα του Καρκίνου.

Η περιοχή της έκρηξης έχει μελετηθεί από εκατοντάδες αστρονόμους, σε σημείο που να μπορούμε να συγκρίνουμε άμεσα τις θεωρίες που είχαμε για το τι συμβαίνει στο εσωτερικό μιας κατακλυσμιαίας υπερκαινοφανούς έκρηξης με την πραγματικότητα. Μπορέσαμε, επίσης, να παρακολουθήσουμε και τον τρόπο που η έκρηξη μεταλλάσσει τις αέριες πρώτες ύλες του εκρηγνυόμενου άστρου, ενώ για πρώτη φορά μπορέσαμε να εντοπίσουμε επακριβώς και ποιο ήταν το άστρο που μετατράπηκε σε σουπερνόβα.

Πρόδρομο άστρο

Αμέσως μετά αφότου καταγράφηκε το γεγονός, προσδιορίστηκε το αστέρι στο οποίο συνέβηκε η έκρηξη. Ήταν το Sanduleak -69° 202a, ένας μπλε υπεργίγαντας και σχετικά ένα αμυδρό άστρο 12ου μεγέθους. Το κύριο άστρο ήταν 100.000 φορές πιο λαμπερό από τον ήλιο και η θερμοκρασία των 20.000 βαθμών Kελσίου στην επιφάνειά του μας έδινε μια γαλαζωπή εμφάνιση. Υπολογίζεται ότι πρέπει να γεννήθηκε με μάζα 25 φορές τη μάζα του ήλιου, πριν από 20 περίπου εκατομμύρια χρόνια,  αλλά πριν 1 εκατομμύριο χρόνια το υδρογόνο του πυρήνα του είχε μετατραπεί σε ήλιο, οπότε άρχισε να μεγαλώνει και ο όγκος του μέχρις ότου μετατράπηκε σε έναν τεράστιο ερυθρό υπεργίγαντα με διάμετρο αρκετές εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο του ήλιου.

Όμως πριν από 600.000 χρόνια, τα εξωτερικά αυτά στρώματα του ερυθρού υπεργίγαντα άρχισαν να αποχωρίζονται σιγά σιγά από το άστρο. Με τη μορφή σωματιδίων ενός ελαφρού «αστρικού ανέμου» μεγάλες ποσότητες υλικών διέφυγαν στο διάστημα. Η διαρροή των υλικών αυτών συνεχίστηκε με τον ίδιο ρυθμό επί χιλιάδες χρόνια, αναγκάζοντας το άστρο να επιταχύνει την περιστροφή του (λόγω διατήρησης της στροφορμής). Η γρήγορη αυτή περιστροφή οδηγούσε με τη σειρά της τα διαφυγόντα αέρια να πάρουν μια δισκοειδή μορφή.

Δεξιά: Μια ακολουθία εικόνων του Hubble που δείχνουν τη σύγκρουση του διαστελλόμενου κατάλοιπου της σουπερνόβα με ένα δακτύλιο πυκνού υλικού που ξεχύθηκε από το πρόδρομο άστρο 20.000 χρόνια πριν τη μεγάλη υπερκαινοφανή έκρηξη.

5.000 χρόνια πριν από την καταστροφή, ο αστρικός άνεμος των υλικών του είχε αυξήσει την ταχύτητά του στα 600 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Τα υλικά αυτής της ταχύτατης διαρροής πρόφτασαν τα προηγούμενα αργοκίνητα υλικά και τα συμπίεσαν σχηματίζοντας έναν δακτύλιο αερίων που συνεχώς διαστελλόταν. Με αυτό τον τρόπο το άστρο έχασε το 20% της μάζας του και από ερυθρός υπεργίγαντας έλαμψε σαν γαλάζιος υπεργίγαντας με 20 φορές τη μάζα και 65.000 φορές τον όγκο του ήλιου. Περίπου 1.000 χρόνια πριν από την τελική του έκρηξη η εσωτερική του θερμοκρασία του έφτασε τα 800 εκατομμύρια βαθμούς.

Το πρωί της 23ης Φεβρουαρίου 1987, ο σιδερένιος πυρήνας του Sanduleak -69° 202a κατέρρευσε απότομα. Η τρομακτική συμπίεση των υλικών του τα μετέτρεψε σε νετρόνια, σε μια θερμοκρασία που έφτανε τα 50 δισεκατομμύρια βαθμούς. Τα εγκλωβισμένα υλικά του δεν άντεξαν άλλη συμπίεση και εξοστρακίσθηκαν. Όλη δηλαδή η κινητική ενέργεια που δημιουργήθηκε από την κατάρρευση του εσωτερικού τμήματος του πυρήνα μετετράπη σ’ ένα τεράστιο «κρουστικό κύμα», το οποίο ξεκίνησε προς τα εξωτερικά στρώματα του άστρου. Περίπου 10.000 δευτερόλεπτα αργότερα, τα διαστελλόμενα υλικά του πυρήνα έφτασαν στην επιφάνεια και εκτοξεύτηκαν βίαια στο διάστημα, με μια ταχύτητα 17.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Την ίδια στιγμή ολόκληρο το άστρο διασπάστηκε με μια τεράστια έκρηξη και την εκπομπή τεράστιων ποσοτήτων υπεριώδους ακτινοβολίας, λάμποντας με τη συνολική ένταση 250 εκατομμυρίων ήλιων.

Αλλά για τους αστρονόμους ήταν ένας απροσδόκητος προσδιορισμός, επειδή την εποχή εκείνη οι μπλε υπεργίγαντες δεν θεωρούνταν υποψήφια άστρα που μπορούσαν να δώσουν υπερκαινοφανείς εκρήξεις, σύμφωνα με τα υπάρχοντα μοντέλα της αστρικής εξέλιξης άστρων μεγάλης μάζας. Σήμερα θεωρούμε ότι ο πρόγονος εκείνος ήταν ένα δυαδικό σύστημα, τα αστέρια του οποίου συγχωνεύτηκαν περίπου 20.000 χρόνια πριν από την έκρηξη, παράγοντας έτσι ένα μπλε υπεργίγαντα. Παρόλα αυτά υπάρχουν ακόμα δυσκολίες σε αυτήν την ερμηνεία.

Η γενέτειρα (ή είναι το «νεκροκρέβατο»;) του SN 1987A: το Νεφέλωμα Tarantula στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου. Το κατάλοιπο του υπερκαινοφανούς βρίσκεται στο μέσον δεξιά της εικόνας

Εκπομπές νετρίνων

Περίπου τρεις ώρες προτού να φθάσει το ορατό φως από το SN 1987A στη Γη, παρατηρήθηκε μια έκρηξη νετρίνων σε τρία χωριστά παρατηρητήρια νετρίνων. Ξέρουμε ότι αυτό οφείλεται στην εκπομπή νετρίνων που προηγείται της εκπομπής του ορατού φωτός, κι όχι γιατί τα νετρίνα ταξιδεύουν γρηγορότερα από το φως. Στις 7:35 π.μ. (παγκόσμιος χρόνος) το παρατηρητήριο νετρίνων Kamiokande ΙΙ ανίχνευσε 11 νετρίνα, το IMB 8 νετρίνα και το Baksan 5 νετρίνα, μια έκρηξη που κράτησε λιγότερο από 13 δευτερόλεπτα.
Αν και τα νετρίνα που μετρήθηκαν ήταν μόνο 24, ήταν μια σημαντική άνοδος ως προς το προηγουμένως παρατηρηθέντα επίπεδο υποβάθρου. Αυτά μάλιστα ήταν τα πρώτα νετρίνα που παρατηρήθηκαν άμεσα από μια υπερκαινοφανή έκρηξη. Οι δε παρατηρήσεις ήταν σύμφωνες με τα θεωρητικά μοντέλα σουπερνοβών στα οποία το 99% της ενέργειας της κατάρρευσης ακτινοβολείται μακριά με νετρίνα. Οι παρατηρήσεις είναι επίσης σύμφωνες με τις εκτιμήσεις των μοντέλων για μια συνολική εκπομπή 1058 νετρίνων με μια συνολική ενέργεια 1046 τζάουλ.
Ένα ιδιαίτερα σημαντικό αποτέλεσμα επιτεύχθηκε από στοιχεία σχετικά με τη βαρύτητα. Φάνηκε ότι και τα νετρίνα και τα αντινετρίνα χρειάστηκαν τον ίδιο χρόνο για να φθάσουν στη γη, περίπου 168.000 χρόνια. Η διαφορά στους χρόνους άφιξής τους ήταν λιγότερο από 12 δευτερόλεπτα. Κι αυτά ήταν τα πρώτα εμπειρικά στοιχεία ότι η ύλη, η αντιύλη, και τα φωτόνια αντιδρούν όλα με τον ίδιο τρόπο με τη βαρύτητα, κάτι που προβλέπεται από τις καθιερωμένες θεωρίες της βαρύτητας, αλλά δεν υπήρχαν μέχρι τότε άμεσα εμπειρικά δεδομένα.

Τι έγινε το άστρο νετρονίων;

Ο υπερκαινοφανής SN 1987A οφείλεται στην κατάρρευση του πυρήνα ενός άστρου, η οποία πρέπει να οδήγησε στο σχηματισμό ενός άστρου νετρονίων. Δεδομένου ότι η σουπερνόβα έγινε αρχικά ορατή, οι αστρονόμοι έχουν ψάξει για τον πυρήνα που κατέρρευσε αλλά ακόμα δεν τον έχουν ανιχνεύσει. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble πήρε τις πιο ευκρινείς εικόνες αυτής της σουπερνόβας, αλλά οι εικόνες αυτές δεν παρουσιάζουν κανένα στοιχείο για ένα άστρο νετρονίων. Εξετάζονται λοιπόν δύο πιθανότητες για το «χαμένο» αστέρι νετρονίων. Η πρώτη είναι ότι το αστέρι νετρονίων είναι μέσα στα πυκνά νέφη της σκόνης έτσι ώστε να μη μπορεί να φανεί. Η δεύτερη είναι ότι μεγάλα ποσά υλικού έπεσαν πάνω στο άστρο νετρονίων, έτσι ώστε αυτό να κατέρρευσε κι άλλο, σχηματίζοντας μια μαύρη τρύπα. Η θεωρία της μαύρης τρύπας κερδίζει περισσότερο έδαφος εντός της επιστημονικής κοινότητας καθώς ο χρόνος περνά.

Η απόσταση του SN1987A και η ταχύτητα του φωτός

Αριστερά: Τα κατάλοιπα της σουπερνόβα 1987A (το αντικείμενο που μοιάζει με φωτεινό άστρο στο κέντρο) περιβάλλεται από ένα εσωτερικό και ένα εξωτερικό δίσκο, ενώ όλο το αντικείμενο βρίσκεται μέσα σε τεράστια νέφη από αέριο. Αυτή η εικόνα προέρχεται από πολλές εικόνες του Hubble τόσο της ίδιας της σουπερνόβα όσο και του περιβάλλοντος της, για αρκετά χρόνια και μέσω 5 διαφορετικών φίλτρων.

Τα τρία φωτεινά δαχτυλίδια γύρω από το σουπερνόβα SN 1987A είναι υλικά από τον αστρικό άνεμο του άστρου από το οποίο προέρχεται. Αυτά τα δαχτυλίδια ιονίστηκαν από την υπεριώδη ακτινοβολία μετά από την έκρηξη της σουπερνόβας, και άρχισαν να εκπέμπουν συνεπώς σε διάφορες γραμμές εκπομπής. Αυτά τα δαχτυλίδια «δεν άνοιξαν» για αρκετούς μήνες μετά από την έκρηξη σουπερνόβα, και αυτή η διαδικασία μπορεί να μελετηθεί με ακρίβεια μέσω της φασματοσκοπίας. Το μέγεθος των δακτυλιδιών όπως φαίνεται από τη Γη χρησιμοποιήθηκε για να υπολογίσουμε την απόσταση της SN1987A, που είναι περίπου 168.000 έτη φωτός. 

physics4u

Η ΑΠΟΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΕΝΑΤΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ