Ο παράξενος θάνατος των αρχέγονων άστρων του σύμπαντος. The Universe’s First Stars Exploded in Strange Ways

Puppis A, τα υπολείμματα ενός υπερκαινοφανούς αστέρα που εξερράγη πριν από 12.000 χρόνια. A new study finds observational evidence that one of the first stars exploded in an asymmetrical blast that spread heavy elements into the cosmos. Puppis A, the remnants of a supernova that exploded 12,000 years ago. Credit: NASA, JPL-Caltech and UCLA

Ως γνωστόν ο όρος υπερκαινοφανής αστέρας ή σουπερνόβα αναφέρεται στο εκρηκτικό τέλος της ζωής άστρων συγκεκριμένου τύπου. Οι εκρήξεις των υπερκαινοφανών είναι τεραστίων διαστάσεων και μπορεί να ισοδυναμούν με τον θάνατο του άστρου, σηματοδοτούν όμως και μια «εκρηκτική» πυρηνοσύνθεση. Κατά την διάρκεια της έκρηξης παράγονται μέσω διαδοχικών πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης τα βαριά στοιχεία του περιοδικού πίνακα, αφήνοντας πίσω τους μια μαύρη τρύπα ή ένα άστρο νετρονίων. Η μελέτη και η ερμηνεία της διαδικασίας της έκρηξης των υπερκαινοφανών αστέρων είναι ένα πολύπλοκο θέμα στο οποίο εμπλέκονται διάφορα πεδία της φυσικής.

Ακόμα πιο δύσκολη φαίνεται να είναι η περιγραφή των εκρήξεων των πρώτων άστρων του σύμπαντος. Πρόκειται για ένα από τα δυσκολότερα προβλήματα της αστροφυσικής καθώς είναι εγγενώς δύσκολο να αναπαραχθούν στις προσομοιώσεις υπολογιστών, αν και χρησιμοποιούν την τελευταία λέξη της υπολογιστικής ισχύος. Σύμφωνα με τον αστροφυσικό Alexander Ji, οι ερευνητές εξακολουθούν να στερούνται απάντησης σε μια απλή ερώτηση: Ποιοι τύποι άστρων εκρήγνυνται και ποιοι όχι;

Instead of ballooning into spheres, as once thought, early supernovae ejected jets that may have seeded new stars. Supernova concept. Credit: © Korn V. / Adobe Stock

Οι επιστήμονες συχνά υποθέτουν ότι τα αρχέγονα άστρα τελείωσαν τη ζωή τους με μια σφαιρική «υπερκαινοφανή» έκρηξη. Όμως, μια ομάδα ερευνητών παρουσίασε προσφάτως τα πρώτα στοιχεία παρατήρησης που δείχνουν ότι τουλάχιστον ένα από αυτά τα άστρα εξερράγη μη-σφαιρικά, εκτοξεύοντας το περιεχόμενό του άνισα προς διάφορες κατευθύνσεις. Σύμφωνα με την μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 8 Μαΐου στο περιοδικό Astrophysical Journal, η έκρηξη εκσφενδόνισε την ύλη με τέτοια ορμή ώστε να προωθηθούν βαριά στοιχεία σε γειτονικούς γαλαξίες. Η δημοσίευση αποτελεί ένα μέρος από την μελέτη ιδιοτήτων των πρώτων άστρων που δημιουργήθηκαν στο σύμπαν, ένα θέμα πρώτης γραμμής στην περασμένη δεκαετία.

Η ιδέα ότι η εκσφενδονιζόμενη ύλη από τα αστέρες που εκρήγνυνται φτάνουν και γίνονται συστατικά γειτονικών γαλαξιών και η πρώτη ύλη για τον σχηματισμό της επόμενης γενιάς άστρων δεν είναι καινούργια. Οι ερευνητές έχουν θεωρήσει το φαινόμενο αυτό ακόμα και στον σχηματισμό των αρχέγονων άστρων.

Δεδομένου ότι τα πρώτα άστρα – βραχύβιοι γίγαντες που «πέθαναν» πριν από δισεκατομμύρια χρόνια – δεν είναι διαθέσιμοι για απευθείας μελέτη, οι ερευνητές μελέτησαν την περιεκτικότητα σε σίδηρο και άλλων στοιχείων που βρέθηκαν σε ένα άστρο δεύτερης γενιάς που φέρει το όνομα HE 1327-2326. Ανήκει σε μια σπάνια ομάδα από περίπου 25 έως 30 αρχαία άστρα τα οποία περιέχουν πολύ μικρές ποσότητες σιδήρου. Αυτά τα άστρα προέκυψαν από στοιχειώδεις «σπόρους» που δημιούργησαν τα άστρα-πρόγονοι της πρώτης γενιάς.

Το εν λόγω άστρο είναι το πιο λαμπρό και για την μέτρηση των ποσοτήτων των στοιχείων που το αποτελούν χρησιμοποιήθηκε ο φασματογράφος που φέρει το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble από to 2009.

As previous studies have shown, extremely metal-poor stars with very little iron often show a relative surplus of zinc, and this is especially true for HE-1327-2326. Ezzeddine et al. (2019) "Evidence for an Aspherical Population III Supernova Explosion Inferred from the Hyper-metal-poor Star HE 1327-2326" The Astrophysical Journal, 876 (2)

Η ίδια ερευνητική ομάδα αναμένεται να υπολογίσει την περιεκτικότητα του πυριτίου, του σιδήρου και του φωσφόρου εξετάζοντας το φάσμα του άστρου, αλλά η ανακάλυψη ενός ακόμα στοιχείου ήταν αναπάντεχη: για πρώτη φορά βρήκαν ψευδάργυρο σε ένα άστρο δεύτερης γενιάς. Το εύρημα αυτό δείχνει ότι είναι πιθανό πολλά βαριά στοιχεία να ήταν διαθέσιμα στο αρχέγονο σύμπαν.

Αυτό το εύρημα άλλαξε την πορεία της έρευνας. Γνώριζαν ήδη γιατί αυτό το άστρο καθώς και άλλα στην ομάδα του δεν περιέχουν πολύ σίδηρο. Ο σίδηρος σχηματίστηκε στους πυρήνες των τεράστιων αρχέγονων άστρων και όταν αυτά κατέρρευσαν βαρυτικά, ένα μεγάλο μέρος του σιδήρου των πυρήνων τους το «έφαγαν» οι μαύρες τρύπες που προέκυψαν. Έτσι το ερώτημα που προέκυψε ήταν γιατί ο ψευδάργυρος που σχηματίστηκε επίσης στους πυρήνες αυτών των αρχαίων άστρων διέφυγε από την μοίρα της μαύρης τρύπας;

A strange star without much iron, yet tons of zinc, indicates some of the very first supernovae might have exploded asymmetrically. This simulation shows what the universe's earliest supernovae may have looked like. The above snapshot, which shows the shape of the supernova 50 seconds after its initial explosion, highlights two powerful jets that spew heavy elements like zinc (green dots) far out into space. Credit: Melanie Gonick

Αυτή η ιδιαιτερότητα μπορεί να εξηγηθεί θεωρώντας μια μη-σφαιρική έκρηξη υπερκαινοφανούς. Οι προκύπτοντες πίδακες υλικού θα μπορούσαν να εκτοξεύσουν τον ψευδάργυρο του πυρήνα μακριά από μια μαύρη τρύπα, ενώ παράλληλα θα επέτρεπαν στο μεγαλύτερο μέρος του σιδήρου να πέσει μέσα στην μαύρη τρύπα. Για να διερευνήσουν αυτή τη θεωρία, οι ερευνητές έτρεξαν σε υπολογιστή πάνω από 10.000 προσομοιώσεις έκρηξης υπερκαινοφανών με διαφορετικές ενέργειες και διαμορφώσεις.

Παραδόξως, ανακάλυψαν ότι καμία από τις εκρήξεις σφαιρικών υπερκαινοφανών δεν θα μπορούσε να δώσει την παρατηρούμενη ποσότητα ψευδαργύρου. Επιπλέον, βρήκαν μόνο μία μη-σφαιρική έκρηξη που θα μπορούσε να αποδώσει το παρατηρούμενο σήμα ψευδαργύρου και άλλα χαρακτηριστικά του ΗΕ 1327-2326.

Αυτό οδήγησε σε μια άλλη έκπληξη: στο πόσο ισχυρή ήταν η ασύμμετρη έκρηξη του υπερκαινοφανούς. Η έκρηξη ήταν περίπου 10³⁰ φορές ισχυρότερη από αυτή της βόμβας υδρογόνου, πέντε έως δέκα φορές μεγαλύτερη απ’ ότι ανέμεναν. Η μελέτη παρέχει νέες ενδείξεις για το ότι οι εκρήξεις των αρχέγονων άστρων μπορεί να συνέβαλλαν στον επαναϊονισμό στο σύμπαν – ένα σημαντικό ορόσημο στο πρώιμο σύμπαν όπου τα ουδέτερα άτομα ιονίστηκαν – παίζοντας κρίσιμο ρόλο στον σχηματισμό των γαλαξιών.

O John Wise, αστροφυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Γεωργίας στις ΗΠΑ, λέει πως τώρα έχουμε το κίνητρο για να μελετήσουμε τους μη-σφαιρικούς υπερκαινοφανείς. Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακόμα αν η πιθανώς μη-σφαιρική έκρηξη του υπερκαινοφανούς, πριν από τον σχηματισμό του άστρου HE 1327-2326, ήταν ένα σπάνιο ή ένα συνηθισμένο γεγονός – αν οι περισσότερες εκρήξεις υπερκαινοφανών πρώτης γενιάς ήταν σφαιρικές ή όχι.

Έτσι, αν και φαίνεται ότι προσέγγισαν μια λύση σε ένα ερώτημα σχετικά με τα πρώτα άστρα που δημιουργήθηκαν στο σύμπαν, πολλά άλλα παραμένουν αναπάντητα.

Πηγές: https://www.scientificamerican.com/article/the-universes-first-stars-exploded-in-strange-ways/?redirect=1 – Evidence for an Aspherical Population III Supernova Explosion Inferred from the Hyper-metal-poor Star HE 1327–2326. The Astrophysical Journal, 2019; 876 (2): 97 DOI: 10.3847/1538-4357/ab14e7 - https://physicsgg.me/2019/06/03/ο-παράξενος-θάνατος-των-αρχέγονων-άστ/