30 χρόνια από την έκρηξη του σουπερνόβα 1987Α. The Dawn of a New Era for Supernova 1987a

This Hubble Space Telescope image shows Supernova 1987A within the Large Magellanic Cloud, a neighboring galaxy to our Milky Way. Credits: NASA, ESA, R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation), and M. Mutchler and R. Avila (STScI)

Πριν από τρεις δεκαετίες ακριβώς, οι αστρονόμοι εντόπισαν στον ουρανό την εντυπωσιακότερη έκρηξη υπερκαινοφανούς αστέρα των τελευταίων 400 ετών, του σουπερνόβα 1987Α. Για την 30η επέτειο του σουπερνόβα 1987Α η NASA δημοσίευσε νέες εικόνες των υπολειμμάτων του σουπερνόβα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ Chandra, καθώς επίσης και τα δυο βίντεο που ακολουθούν:

Ζουμάροντας στον σουπερνόβα 1987Α. The video begins with a nighttime view of the Small and Large Magellanic clouds, satellite galaxies of our Milky Way. It then zooms into a rich star-birth region in the Large Magellanic Cloud. Nestled between mountains of red-colored gas is the odd-looking structure of Supernova 1987A, the remnant of an exploded star that was first observed in February 1987. The site of the supernova is surrounded by a ring of material that is illuminated by a wave of energy from the outburst. Two faint outer rings are also visible. All three rings existed before the explosion as fossil relics of the doomed star’s activity in its final days. Credits: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI)

Το χρονικό της λάμψης του δαχτυλιδιού γύρω από τον σουπερνόβα 1987A. This time-lapse video sequence of Hubble Space Telescope images reveals dramatic changes in a ring of material around the exploded star Supernova 1987A. The images, taken from 1994 to 2016, show the effects of a shock wave from the supernova blast smashing into the ring. The ring begins to brighten as the shock wave hits it. The ring is about one light-year across. Credits: NASA, ESA, and R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation), and P. Challis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Στη συνέχεια θα θυμηθούμε την εξαιρετική περιγραφή της δημιουργίας και της εξέλιξης του σουπερνόβα 1987Α που έκανε ο αείμνηστος Βασίλης Ξανθόπουλος, στο εξαιρετικό βιβλίο του, «Περί αστέρων και συμπάντων», Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 6η έκδοση 1997:

Απομεινάρι του σουπερνόβα 1987A που βλέπουμε σήμερα – ένα φωτεινό δαχτυλίδι ύλης. Η εικόνα δημιουργήθηκε από τα μέχρι τώρα δεδομένα με προσομοίωση σε υπολογιστή. This scientific visualization, using data from a computer simulation, shows Supernova 1987A, as the luminous ring of material we see today. Credits: NASA, ESA, and F. Summers and G. Bacon (STScI); Simulation Credit: S. Orlando (INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo)

«Η έκρηξη του σουπερνόβα 1987Α παρατηρήθηκε στις 23 Φεβουαρίου 1987, στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, σε απόσταση 170.000 ετών φωτός. Η έκρηξη αποτέλεσε σημαντικό γεγονός για την αστρονομία, γιατί με τις λεπτομερείς παρατηρήσεις που ακολούθησαν – και συνεχίζονται – έγινε για πρώτη φορά δυνατό να υποβληθούν σε ουσιαστικό έλεγχο οι θεωρίες μας για τους σουπερνόβα. Το γενικό συμπέρασμα είναι πως οι θεωρίες μας ήταν βασικά σωστές αλλά έπρεπε να δουλευτούν λίγο παραπάνω και προσεκτικότερα σε ορισμένα δευτερεύοντα σημεία. Ως συνήθως, η φαντασία της φύσης ξεπέρασε και πάλι την φαντασία των αστροφυσικών. Το μόνο δυσάρεστο ήταν πως ο σουπερνόβα 1987Α ήταν ορατός μόνον από το νότιο ημισφαίριο.

Είναι πολύ σημαντικό ότι τον αστέρα που εξερράγη τον ξέραμε (που σημαίνει ότι τον είχαμε ξεχωρίσει από τα δισεκατομμύρια των άστρων και καταγράψει) από πριν. Ήταν ο αστέρας Sanduleak-69^o 202^o (από το όνομα του αστρονόμου που τον κατέγραψε, 69^o νότιο γαλαξιακό πλάτος και 202^o γαλαξιακό μήκος). Είχε μάζα περίπου ~16M_☉, λαμπρότητα 40.000L_☉ και ηλικία 11 εκατομμύρια χρόνια. Το επικρατέστερο μοντέλο προβλέπει ότι ο Sanduleak ξεκίνησε ως αστέρας μάζας περίπου18M_☉,έκαψε το περισσότερο υδρογόνο του σε 10 εκατομμύρια χρόνια, το He σε ένα εκατομμύριο χρόνια, τον άνθρακα σε 12.000 χρόνια, το νέον σε 12 χρόνια, το οξυγόνο σε 4 χρόνια και το πυρίτιο σε μια εβδομάδα. Κατά την έκρηξη συνεχιζόταν η καύση του Η σε εξωτερικούς φλοιούς, ενώ στο κέντρο του είχε συσσωρευθεί στάχτη Fe που ξεπέρασε το όριο Chandrasekhar. Η κατάρρευση της στάχτης αυτής προκάλεσε την έκρηξη.

These images, taken between 1994 and 2016 by NASA's Hubble Space Telescope, chronicle the brightening of a ring of gas around an exploded star. Credits: NASA, ESA, and R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation), and P. Challis (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)

Στο μέγιστό της, η λαμπρότητα του σουπερνόβα έφτασε τις 2·10⁸ L_☉. To μέγιστο της λαμπρότητας δεν συμπίπτει με την ίδια την έκρηξη. Αντίθετα, παρατηρήθηκε 80 ημέρες αργότερα, στις 20 Μαΐου. Η καθυστέρηση αυτή των ογδόντα ημερών επιβεβαίωσε την πρόβλεψη ότι στις εκρήξεις σουπερνόβα δημιουργούνται τα βαριά χημικά στοιχεία σε μεγάλες ποσότητες. Η εξήγηση είναι απλή. Ανάμεσα στα βαριά στοιχεία που σχηματίζονται κατά την έκρηξη περιλαμβάνονται και μεγάλες ποσότητες ραδιενεργών ισοτόπων και η αύξηση της λαμπρότητας του σουπερνόβα οφείλεται στη ραδιενέργεια που εκλύουν τα ισότοπα αυτά. Κατά την έκρηξη σχηματίζεται το ραδιενεργό νικέλιο-56 που έχει χρόνο ημιζωής 6,1 ημέρες και διασπάται προς κοβάλτιο-56. Και το κοβάλτιο, όμως, είναι ραδιενεργό και διασπάται, με χρόνο ημιζωής 77,1 ημέρες, προς άλλα σταθερά στοιχεία.

Ο αστέρας Sanduleak, που είχε παρατηρηθεί και καταγραφεί πριν από την έκρηξη, ήταν κυανός και όχι ερυθρός γίγαντας. Η παρατήρηση αυτή φάνηκε προς στιγμή ότι θα ανέτρεπε τη βασική θεωρία αστρικής εξέλιξης (αφού οι κυανοί γίγαντες βρίσκονται στα πρώτα στάδια της αστρικής εξέλιξης, πριν από την κύρια ακολουθία). Απαιτήθηκαν μερικοί μήνες για να κατανοήσουμε ότι εξαιτίας μιας ιδιαιτερότητάς του, στα τελευταία στάδια της φάσης του ερυθρού γίγαντα που υπολογίζεται ότι κράτησε μερικές χιλιάδες χρόνια, ο Sanduleak είχε χρώμα μπλε! Η περιεκτικότητα του Sanduleak σε οξυγόνο και άλλα βαριά στοιχεία ήταν μικρότερη απ΄ότι είναι συνήθως σε αστέρια που βρίσκονται σε παρόμοια εξελικτική φάση. Όμως μικρότερη περιεκτικότητα των εξωτερικών φλοιών σε οξυγόνο σημαίνει μεγαλύτερη διαπερατότητα του φωτός ανά μονάδα ύλης. Έτσι, για να απορροφηθεί η ακτινοβολία ώστε να ασκηθεί η πίεση που θα εξουδετερώσει τη βαρύτητα, απαιτείται αυξημένη πυκνότητα ύλης στους εξωτερικούς φλοιούς. Ο αστέρας, λοιπόν, σταθεροποιήθηκε σε μικρότερες διαστάσεις απ’ ότι αναμενόταν, η επιφανειακή του θερμοκρασία ήταν μεγαλύτερη από ότι είναι συνήθως, και το χρώμα του ήταν μπλε. Επιπλέον, επειδή ο αστέρας είχε μικρότερες διαστάσεις από ότι αναμενόταν, ένα μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας της έκρηξης δαπανήθηκε για να διαφύγει η ύλη από το ισχυρότερο βαρυτικό πεδίο. Το τελικό αποτέλεσμα ήταν η μέγιστη λαμπρότητα του σουπερνόβα να είναι μικρότερη από όση θα περιμέναμε, συλλογισμός που επιβεβαιώθηκε από τις παρατηρήσεις.

Δυο ώρες πριν την (οπτική) έναρξη του φαινομένου σουπερνόβα, ανιχνευτές κατέγραψαν αυξημένη διέλευση νετρίνων από τη Γη. Τα νετρίνα εκπέμφθηκαν τα πρώτα δευτερόλεπτα της έκρηξης, όταν κατέρρεε ο κεντρικός πυρήνας. Τότε σχηματίστηκε ένα ωστικό κύμα, ένα κύμα σοκ, που άρχισε να διαδίδεται προς τα έξω. Η χρονική καθυστέρηση των δυο ωρών οφείλεται στο χρόνο που χρειάστηκε το κύμα αυτό για να φτάσει στα εξωτερικά στρώματα του αστέρα, οπότε άρχισε και η εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η συνολική ενέργεια που εκπέμφθηκε με τα νετρίνα υπολογίζεται σε 3·10⁵³ erg. Και όλη αυτή η ενέργεια εκπέμφθηκε μέσα σε μερικά δευτερόλεπτα μόνον! Η ισχύς του σουπερνόβα, αυτά τα πρώτα δευτερόλεπτα, ήταν όση και η ισχύς όλου του ορατού σύμπαντος!

Astronomers combined observations from three different observatories to produce this colorful, multiwavelength image of the intricate remains of Supernova 1987A. Credits: NASA, ESA, and A. Angelich (NRAO/AUI/NSF); Hubble credit: NASA, ESA, and R. Kirshner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics and Gordon and Betty Moore Foundation) Chandra credit: NASA/CXC/Penn State/K. Frank et al.; ALMA credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) and R. Indebetouw (NRAO/AUI/NSF)

Δεν ξέρουμε με σιγουριά τι απέμεινε από τον σουπερνόβα 1987Α. Οι περισσότεροι αστροφυσικοί ποντάρουν στον σχηματισμό ενός αστέρα νετρονίων. Αλλά η ανακοίνωση, στις αρχές του 1989, της παρατήρησης ενός πάλσαρ συχνότητας 1968 στροφών/δευτερόλεπτο αποδείχθηκε εσφαλμένη. και η αναμενόμενη μεταφορά κινητικής ενέργειας από τον πάλσαρ στο περιβάλλον κέλυφος δεν έχει παρατηρηθεί….»

Πηγές: physicsgg - https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/the-dawn-of-a-new-era-for-supernova-1987a