Τι είναι, τελικά, μια supernova

Κάθε τόσο εμφανίζεται στον ουρανό ένα μυστηριώδες αποκαλούμενο «φιλοξενούμενο αστέρι», το οποίο συχνά ξεπερνά κατά πολύ σε φωτεινότητα τα ξαδέλφια του. Οι αστρονόμοι και οι παρατηρητές γνώριζαν για τέτοια γεγονότα τουλάχιστον από το 185 μ.Χ. και πιθανώς από χιλιάδες χρόνια πριν, ενώ το 1054, οι Κινέζοι αστρονόμοι κατέγραψαν την εμφάνιση ενός «φιλοξενούμενου αστέρα», του οποίου η επιρροή φοβούνταν ότι θα ήταν κακοήθης. Ωστόσο, αυτά τα αστέρια δεν παραμένουν ορατά για πολύ καιρό. Αντίθετα, σβήνουν αθόρυβα πίσω στον νυχτερινό ουρανό, μερικές φορές μέσα σε λίγες ημέρες. Οι Κινέζοι αστρονόμοι είχαν μόλις δύο χρόνια για να μελετήσουν το φιλοξενούμενο αστέρι τους πριν αυτό εξαφανιστεί στο σκοτάδι από όπου είχε έρθει.

Πριν από την εφεύρεση του τηλεσκοπίου, οι δυτικοί αστρονόμοι χρησιμοποιούσαν τη φράση stella nova για να αναφερθούν στην εμφάνιση ενός τέτοιου προσωρινού νέου άστρου. Σήμερα, γνωρίζουμε ότι δεν πρόκειται για αστέρια που γεννιούνται αλλά για αστέρια που πεθαίνουν, και ονομάζουμε το γεγονός υπερκαινοφανές (supernova).

Η προσωρινή υπόσταση αυτών των αστέρων προβλημάτισε τους αστρονόμους που προσπαθούσαν να καταλάβουν τη φύση αυτών των ουράνιων επισκεπτών. Όταν ένα φιλοξενούμενο αστέρι εξαφανίζεται, αφήνει ελάχιστα ίχνη της παρουσίας του - τουλάχιστον κανένα ορατό με γυμνό μάτι. Τα επιχειρήματα κατά της αριστοτελικής ιδέας ενός Σύμπαντος που ήταν στατικό και αμετάβλητο πέρα από τους πλανήτες ενισχύθηκαν από δύο υπερκαινοφανείς αστέρες που παρατηρήθηκαν με γυμνό μάτι, ο ένας το 1572 (σήμερα ονομάζεται Νόβα του Τύχω) και ο άλλος το 1604 (σήμερα είναι γνωστός ως Αστέρας του Κέπλερ). Στη συνέχεια ήρθε το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου. Σύντομα ήταν δυνατό να διακρίνει κανείς ότι κάτι παραμένει μετά την εξασθένιση ενός μακρινού υπερκαινοφανούς: συχνά ένα νεφέλωμα, με ένα πολύ εξασθενημένο αστέρι στην καρδιά του. Το 1885 ένας αστεροειδής καινοφανής αστέρας (stella nova) εμφανίστηκε και αποδείχθηκε ότι προερχόταν από τον γαλαξία της Ανδρομέδας. Όταν ο Walter Baade και ο Fritz Zwicky άρχισαν να επινοούν τον όρο «σούπερ-νόβα» τη δεκαετία του 1930, ο Edwin Hubble και οι συνάδελφοί του είχαν ήδη αναφέρει στοιχεία για ένα Σύμπαν που διαστέλλεται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

Σήμερα, είναι γνωστό ότι η μακροπρόθεσμη τύχη ενός άστρου εξαρτάται από το αν η μάζα του είναι πάνω ή κάτω από ένα όριο που ονομάζεται όριο Chandrasekhar. Αστέρια με μάζα μικρότερη από οκτώ ηλιακές μάζες (M☉) περίπου πιστεύεται ότι τελειώνουν τη ζωή τους ως μια μακρόβια αστρική πυρακτωμένη μορφή που ονομάζεται λευκός νάνος. Πάνω από το όριο, τα ετοιμοθάνατα αστέρια μπορούν να γίνουν αστέρες νετρονίων ή μαύρες τρύπες. Αλλά πριν το κάνουν αυτό, αυτά τα βαριά αστέρια θα εκραγούν σε ένα σουπερνόβα.

Οι υπερκαινοφανείς διακρίνονται σε δύο βασικούς φυσικούς τύπους, τους Ia και II. Οι υπερκαινοφανείς τύπου Ia προκαλούνται από θερμική διαφυγή, ενώ οι υπερκαινοφανείς τύπου II προκαλούνται από την κατάρρευση του πυρήνα. Επειδή το «οικογενειακό δέντρο» των υπερκαινοφανών σχεδιάστηκε σύμφωνα με το φως των υπερκαινοφανών και όχι με την αιτία τους, τεχνικά υπάρχουν επίσης οι τύποι Ib και Ic, αλλά επειδή η πραγματική τους αιτία είναι η κατάρρευση του πυρήνα, συχνά ομαδοποιούνται με τον τύπο ΙΙ.

Υπερκαινοφανής τύπου Ia

Ακόμα και ένα άστρο χαμηλής μάζας μπορεί να προκαλέσει έναν υπερκαινοφανή αστέρα. Αυτές οι τιτάνιες εκρήξεις είναι στην πραγματικότητα το έργο όχι μόνο ενός άστρου, αλλά δύο άστρων σε ένα θανατηφόρο χορό. Ορισμένοι υπερκαινοφανείς τύπου Ια προέρχονται από δύο λευκούς νάνους που συγκρούονται. Πολλοί άλλοι ανθίζουν από δυαδικά αστρικά συστήματα στα οποία ένας λευκός νάνος έχει αρχίσει να απομυζά ύλη από έναν συνοδό αστέρα. Στον λευκό νάνο συσσωρεύεται τόση μάζα που ο πυρήνας του φτάνει σε μια κρίσιμη πυκνότητα ικανή να προκαλέσει την ανεξέλεγκτη σύντηξη άνθρακα και οξυγόνου, η οποία πυροδοτεί το άστρο.

Υπερκαινοφανής τύπου ΙΙ

Τα αστέρια βρίσκονται σε μια λεπτή ισορροπία μεταξύ της δικής τους βαρύτητας και της μηχανής σύντηξης που πυροδοτούν. Η καθαρή μάζα ενός άστρου είναι αρκετή για να συνθλίψει τα ελαφρύτερα στοιχεία σε βαρύτερα, γεγονός που απελευθερώνει ενέργεια. Αρκετή ενέργεια που απελευθερώνεται με αυτόν τον τρόπο μπορεί να ασκήσει μια φυσική πίεση στις εξωτερικές περιοχές του άστρου, αντιστεκόμενη στη βαρύτητα και ελέγχοντας την εισροή ύλης. Δημιουργείται ένα είδος αστρικού φυτιλιού.

Η ζωή των άστρων μετριέται σε δισεκατομμύρια χρόνια, αλλά ο βίαιος θάνατός τους μπορεί να διαρκέσει μόλις δευτερόλεπτα. Στο τέλος της ζωής ενός αστέρα μεγάλης μάζας, όταν έχει εξαντλήσει τα αποθέματα καυσίμων του, η εξωτερική πίεση της σύντηξης δεν είναι πλέον αρκετή για να εξισορροπήσει τη βαρύτητά του. Εάν ο πυρήνας είναι αρκετά συμπαγής, θα καταρρεύσει και θα απελευθερώσει ένα ωστικό κύμα εκτόνωσης, το οποίο πυροδοτεί έναν υπερκαινοφανή αστέρα.

Ένας αριθμός κοντινών ή γνωστών αστέρων έχουν αναγνωριστεί ως υποψήφιοι για σουπερνόβα κατάρρευσης πυρήνα, συμπεριλαμβανομένου ενός λαμπρού, υψηλής μάζας μπλε αστέρα που ονομάζεται Spica και του κόκκινου υπεργίγαντα Betelgeuse. Εν τω μεταξύ, το νεφέλωμα του Κάβουρα έχει ταυτοποιηθεί ως το αποτέλεσμα του σουπερνόβα του 1054 που κατέπληξε τότε τον κόσμο.

James Webb - Ένας παρατηρητής υπερκαινοφανών

Ορισμένα στοιχεία παράγονται μόνο στο αστρικό καμίνι ενός υπερκαινοφανούς. Ο άκαμπτος σίδηρος είναι μεταξύ αυτών, καθώς η σύντηξη βαρύτερων στοιχείων δεν αποδίδει πλέον ενέργεια που μπορεί να κρατήσει ένα άστρο ζωντανό και αναμμένο. Και ενώ τα αστέρια απέχουν πολύ μεταξύ τους και έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής, κατά τη διάρκεια της ζωής της Γης, ακόμη και μερικά κοντινά αστέρια έχουν εκραγεί με μια σχεδόν γήινη έκρηξη. Μια απόδειξη για ένα κοντινό σουπερνόβα προέρχεται από ένα ασταθές ισότοπο του σιδήρου, του οποίου τα μόνα γήινα ίχνη προέρχονται από κόκκους ιζήματος διανθισμένους με τα θυγατρικά και εγγονικά του ισότοπα, που βρέθηκαν σε πυρήνες πολικών πάγων και δείγματα ιζημάτων από τον πυθμένα του Ειρηνικού. Τα δείγματα της Ανταρκτικής από το 2019 περιέχουν σίδηρο-60 διαστρικής προέλευσης, ο οποίος πιστεύεται ότι προέρχεται από έναν υπερκαινοφανή στο Τοπικό Διαστρικό Νέφος που τελικά οδήγησε στη δημιουργία του δικού μας Ηλιακού Συστήματος. Κατά έναν πολύ πραγματικό τρόπο, είμαστε φτιαγμένοι από αστρόσκονη.

Τα κοντινά αστέρια είναι πολύτιμοι επιστημονικοί στόχοι, και στον γαλαξία μας με τα εκατό δισεκατομμύρια αστέρια είναι ένα περιβάλλον πλούσιο σε στόχους. Τα τηλεσκόπια επεκτείνουν αυτή την εμβέλεια σε γαλαξίες τόσο μακριά που οι αριθμοί αρχίζουν να χάνουν το νόημά τους. Το τηλεσκόπιο Hubble μπόρεσε να συλλάβει την παραπάνω εικόνα, έναν υπερκαινοφανή που παρατηρήθηκε το 1994, του οποίου ο γαλαξίας καταγωγής απέχει 55 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Όμως οι αστρονόμοι έχουν βάλει στο στόχαστρό τους ακόμα πιο μακρινούς ουράνιους ορίζοντες. Εκεί έρχεται το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.

Το Webb είναι γνωστό για την ικανότητά του να κοιτάζει ασάλευτα τον βαθύ ουρανό. Από τότε που τέθηκε σε λειτουργία, έχει παράγει εικόνες βαθύ πεδίου που περιέχουν χιλιάδες ευδιάκριτους γαλαξίες και στενά προφίλ μεμονωμένων αστέρων - και το ρεπερτόριό του εξακολουθεί να επεκτείνεται. Τον Ιούνιο του 2024, οι αστρονόμοι του JWST παρουσίασαν τα αποτελέσματα του προγράμματος JADES (JWST Advanced Deep Deep Extragalactic Survey), μιας νέας έρευνας που εντόπισε 10 φορές περισσότερους υπερκαινοφανείς από το πρώιμο Σύμπαν απ' ό,τι ήταν γνωστό στην επιστήμη μέχρι σήμερα. Ορισμένοι από αυτούς είναι τα πιο μακρινά παραδείγματα του τύπου τους, συμπεριλαμβανομένων των υπερκαινοφανών τύπου Ia, οι οποίοι παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους αστρονόμους επειδή χρησιμοποιούνται μερικές φορές ως τα λεγόμενα πρότυπα καντήλια, μέρος της σκάλας της κοσμικής απόστασης.

«Το Webb είναι μια μηχανή ανακάλυψης υπερκαινοφανών», δήλωσε η αστρονόμος του JADES, Christa DeCoursey, τριτοετής μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Αστεροσκοπείο Steward και στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στο Tucson. «Ο απόλυτος αριθμός των ανιχνεύσεων ,καθώς και οι μεγάλες αποστάσεις αυτών των σουπερνόβα είναι τα δύο πιο συναρπαστικά αποτελέσματα της έρευνάς μας».

«Επειδή το Webb είναι τόσο ευαίσθητο, βρίσκει υπερκαινοφανείς και άλλους παροδικούς αστέρες σχεδόν παντού όπου είναι στραμμένος», δήλωσε το μέλος της ομάδας JADES, Eiichi Egami, καθηγητής έρευνας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα στο Tucson. «Αυτό είναι το πρώτο σημαντικό βήμα προς πιο εκτεταμένες έρευνες υπερκαινοφανών με το Webb».