szupernóva a Cassiopeia csillagképben. A környező anyag és az EM-sugárzás folyamatos kibocsátása egyaránt szerepet játszik a maradvány folyamatos megvilágításában. NASA, ESA és a Hubble Heritage STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Köszönetnyilvánítás: Robert A. Fesen (Dartmouth College, USA) és James Long (ESA/Hubble)
Ha elég nagy tömegű csillagot hozunk létre, az nem fog olyan nyöszörgéssel kialudni, mint a mi Napunk, hanem több milliárd évig simán ég, mielőtt fehér törpévé zsugorodik. Ehelyett a magja összeomlik, ami egy elszabadult fúziós reakcióhoz vezet, amely szupernóva-robbanásban szétrobbantja a csillag külső részeit, miközben a belseje neutroncsillaggá vagy fekete lyukká omlik össze. Legalábbis ez a hagyományos bölcsesség. De ha a csillag elég nagy tömegű, lehet, hogy egyáltalán nem is lesz szupernóva. Egy másik lehetőség a közvetlen összeomlás, amikor az egész csillag egyszerűen eltűnik, és fekete lyukká alakul. Egy másik lehetőség a hipernóva, amely sokkal energikusabb és fényesebb, mint a szupernóva, és egyáltalán nem hagy magmaradványt maga után. Hogyan fejezik be életüket a legnagyobb tömegű csillagok? Íme, mit tud eddig a tudomány.
látható röntgen-, rádió- és infravörös hullámhosszon. A Napnál legalább 8-10-szer nagyobb tömegű csillag kell ahhoz, hogy szupernóva legyen, és létrehozza a szükséges nehéz elemeket, amelyekre az Univerzumnak szüksége van egy olyan bolygóhoz, mint a Föld. Röntgen: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al: Palomar; Rádió: NSF/NRAO/VLA
Minden csillag, amikor megszületik, a magjában hidrogént héliummá fuzionál. A Nap-szerű csillagok, a Jupiternél csak néhányszor nagyobb vörös törpék és a miénknél több tízszer vagy százszor nagyobb tömegű szupermasszív csillagok mind átesnek ezen az első fázisú magreakción. Minél nagyobb tömegű egy csillag, annál forróbb a magjának hőmérséklete, és annál gyorsabban égeti el a nukleáris üzemanyagát. Ahogy a csillag magjából elfogy a fúzióhoz szükséges hidrogén, összehúzódik és felmelegszik, ahol – ha elég forró és sűrű lesz – még nehezebb elemek fúziójába kezdhet. A Nap-szerű csillagok a hidrogénégetés befejeztével elég forróak lesznek ahhoz, hogy a héliumot szénné olvasztják, de a Napban ez a végállomás. A Napunknál körülbelül nyolcszor (vagy többször) nagyobb tömegű csillagra van szükség ahhoz, hogy a következő fázisba léphessünk: a szénfúzióba.
a körülötte lévő köd egyike a Tejútrendszer több ezer csillagának, amely galaxisunk következő szupernóvája lehet. Emellett sokkal, de sokkal nagyobb és nagyobb tömegű, mint amekkora egy csak hidrogént és héliumot tartalmazó Univerzumban kialakulhatna, és talán már életének szénégető szakaszába lépett. Hubble Legacy Archive / A. Moffat / Judy Schmidy
Ha azonban a csillag ilyen nagy tömegű, akkor igazi kozmikus tűzijátékra van kilátás. Ellentétben a Nap-szerű csillagokkal, amelyek egy planetáris ködben finoman lefújják a külső rétegeiket, és (szénben és oxigénben gazdag) fehér törpévé zsugorodnak, vagy a vörös törpékkel, amelyek soha nem érik el a hélium-égést, és egyszerűen csak (héliumalapú) fehér törpévé zsugorodnak, a legnagyobb tömegű csillagok kataklizmára vannak ítélve. Leggyakrabban, különösen a spektrum kisebb tömegű (~20 naptömegű és az alatti) vége felé, a mag hőmérséklete tovább emelkedik, ahogy a fúzió a nehezebb elemek felé halad: a széntől az oxigén és/vagy neon égéséig, majd a periódusos rendszerben felfelé haladva a magnézium, szilícium és kén égéséig, ami a vas, kobalt és nikkel magban csúcsosodik ki. Mivel ezeknek az elemeknek az összeolvasztása több energiába kerülne, mint amennyit nyerünk, itt implodál a mag, és innen kapunk egy magösszeomlásos szupernóvát.
élet, ami egy II. típusú szupernóvában csúcsosodik ki. Nicole Rager Fuller az NSF számára
Ez egy ragyogó, látványos befejezés sok hatalmas csillag számára az Univerzumunkban. Az Univerzumban keletkező csillagok kevesebb mint 1%-a elég nagy tömegű ahhoz, hogy ilyen sorsra jusson. Ahogy haladunk egyre nagyobb és nagyobb tömegek felé, egyre ritkább lesz egy ekkora csillag. Az Univerzum csillagainak mintegy 80%-a vörös törpecsillag: mindössze 40%-a a Nap tömegének megfelelő vagy annál kisebb. Maga a Nap nagyobb tömegű, mint az Univerzum csillagainak mintegy 95%-a. Az éjszakai égbolt tele van kivételesen fényes csillagokkal: az emberi szem számára a legkönnyebben láthatóak. A szupernóvák alsó határán túl azonban vannak olyan csillagok, amelyek tömege sok tucatszor vagy akár több százszorosa a mi Napunkénak. Ezek ritkák, de kozmikusan rendkívül fontosak. A szupernóvák ugyanis nem az egyetlen módja annak, hogy ezek a nagy tömegű csillagok éljenek vagy haljanak meg.
több ezer évvel ezelőtt bekövetkezett szupernóva-maradvány. Ha a távoli szupernóvák porosabb környezetben vannak, mint mai társaik, akkor ez szükségessé teheti a sötét energiáról alkotott jelenlegi felfogásunk korrekcióját. T.A. Rector/University of Alaska Anchorage, H. Schweiker/WIYN és NOAO/AURA/NSF
Először is, sok nagy tömegű csillagnak vannak kiáramlásai és kilövellései. Idővel, ahogy közelednek akár életük végéhez, akár a fúzió egy bizonyos szakaszának végéhez, valami miatt a mag rövid időre összehúzódik, ami viszont felmelegedést okoz. Amikor a mag felforrósodik, a magfúzió minden fajtájának sebessége megnő, ami a csillag magjában keletkező energia gyors növekedéséhez vezet. Ez az energia növekedése nagy mennyiségű tömeget képes kirobbantani, ami egy szupernóva-imitátor néven ismert eseményt hoz létre: fényesebb, mint bármely normális csillag, és akár több tíz naptömegnyi anyag elvesztését okozza. Az Eta Carinae csillag (alul) a 19. században vált szupernóvaimitátorrá, de az általa létrehozott ködben még mindig ég, várva végső sorsára.
gigantikus kitörést váltott ki, sok naptömegnyi anyagot kilökve a csillagközi közegbe az Eta Carinae-ből. Az ilyen nagy tömegű csillagok a fémben gazdag galaxisokban, mint amilyen a miénk is, olyan módon löknek ki nagy tömegtöredékeket, ahogyan a kisebb, alacsonyabb fémtartalmú galaxisokban lévő csillagok nem. Nathan Smith (University of California, Berkeley) és a NASA
Hát mi lesz a végső sorsa egy Napunk hússzorosánál nagyobb tömegű csillagnak? Nos, három lehetőség van, és nem vagyunk teljesen biztosak abban, hogy melyek azok a feltételek, amelyek mindegyikhez vezethetnek. Az egyik a szupernóva, amiről már beszéltünk. Bármely ultramasszív csillag, amely elég “anyagot” veszít az őt alkotó anyagból, könnyen szupernóvává válhat, ha a csillag teljes szerkezete hirtelen a megfelelő tömegtartományba esik. De van két másik tömegtartomány is – és ismét csak bizonytalanok vagyunk a pontos számok tekintetében -, amelyek két másik kimenetelre adnak lehetőséget. Mindkettőnek léteznie kell; már megfigyelték őket.
hatalmas csillag, a Nap tömegének körülbelül 25-szöröse, amely szupernóva vagy más magyarázat nélkül kialudt. A közvetlen összeomlás az egyetlen ésszerű magyarázatjelölt. NASA/ESA/C. Kochanek (OSU)
Közvetlen összeomló fekete lyukak. Amikor egy csillag szupernóvává válik, a magja implodál, és a tömegtől függően neutroncsillaggá vagy fekete lyukká alakulhat. De éppen tavaly figyelték meg csillagászok először, hogy egy 25 naptömegű csillag egyszerűen eltűnik. A csillagok nem tűnnek el egyszerűen, minden előjel nélkül, de van fizikai magyarázat arra, hogy mi történhetett: a csillag magja már nem termelt annyi kifelé irányuló sugárnyomást, hogy ellensúlyozza a gravitáció befelé irányuló vonzását. Ha a központi régió elég sűrűvé válik, más szóval, ha elég tömeg tömörül egy elég kis térfogaton belül, akkor kialakul egy eseményhorizont, és létrejön egy fekete lyuk. Ha pedig fekete lyuk keletkezik, minden mást magába húzhat.
kiemelve masszív, rövid életű, fényes kék csillagokkal. Alig 10 millió éven belül a legmasszívabbak többsége II. típusú szupernóvában fog felrobbanni… vagy egyszerűen csak közvetlenül összeomlanak. ESO / VST felmérés
Az elmélet szerint a közvetlen összeomlás a nagyon nagy tömegű csillagok esetében következik be, talán 200-250 naptömeg felett. De egy ilyen kis tömegű csillag közelmúltbeli eltűnése mindezt megkérdőjelezte. Talán nem értjük olyan jól a csillagmagok belsejét, mint gondolnánk, és talán több módja is van annak, hogy egy csillag egyszerűen teljesen implodáljon és kikacsintson a létezésből anélkül, hogy érzékelhető mennyiségű anyagot dobna ki magából. Ha ez a helyzet, akkor a fekete lyukak közvetlen összeomlás útján történő kialakulása sokkal gyakoribb lehet, mint azt korábban gondoltuk, és ez egy nagyon szép módja lehet annak, hogy az Univerzum rendkívül korai időktől kezdve felépítse a szupermasszív fekete lyukakat. De van egy másik végkifejlet is, ami teljesen ellentétes irányba mutat: sokkal látványosabb fényshow-t rendezhet, mint amit egy szupernóva nyújtani tud.
az egész szétrobbanhat, és egyáltalán nem hagyhat maradványt! NASA / Skyworks Digital
Hypernova-robbanások. Szuperfényes szupernóvának is nevezik ezeket az eseményeket, amelyek sokkal fényesebbek és egészen más fénygörbéket (a fényesedés és elhalványulás mintázatát) mutatnak, mint bármely más szupernóva. A mögöttük álló vezető magyarázat a pár-instabilitási mechanizmus néven ismert. Amikor egy nagy tömeget – valamit, ami több százezertől sok milliószorosa egész bolygónk tömegének – kis térfogatúvá zsugorítunk, az óriási mennyiségű energiát bocsát ki. Elméletileg, ha egy csillagot elég masszívvá tennénk, például több mint százszor olyan masszívvá, mint a Nap, az általa kibocsátott energia olyan nagy lenne, hogy az egyes fotonok elektron- és pozitronpárokra tudnának szétválni. Az elektronokat ismered, de a pozitronok az elektronok antianyag megfelelői, és nagyon különlegesek.
folyamat, amely a csillagászok szerint az SN 2006gy néven ismert hipernóvaeseményt váltotta ki. Amikor elég nagy energiájú fotonok keletkeznek, elektron-pozitron párokat hoznak létre, ami nyomáscsökkenést és egy elszabadult reakciót okoz, amely elpusztítja a csillagot. NASA/CXC/M. Weiss
Amikor pozitronok nagy mennyiségben léteznek, elkerülhetetlenül összeütköznek a jelenlévő elektronokkal. Ez az ütközés mindkettő megsemmisülését eredményezi, és két nagyon specifikus, nagy energiájú gamma-foton keletkezik. Ha a pozitron (és így a gammasugárzás) keletkezésének sebessége elég alacsony, a csillag magja stabil marad. Ha azonban a gamma-sugárzás keletkezésének sebessége elég gyors, akkor az összes felesleges 511 keV-os foton felmelegíti a magot. Más szóval, ha elkezdjük ezeket az elektron-pozitron párokat termelni egy bizonyos sebességgel, de a mag összeomlik, akkor egyre gyorsabban és gyorsabban fogjuk őket termelni… tovább melegítve a magot! És ezt nem lehet a végtelenségig csinálni; végül ez okozza a leglátványosabb szupernóva-robbanást: egy pár-instabil szupernóvát, ahol az egész, 100+ naptömegű csillag szétrobban!
Ez azt jelenti, hogy négy lehetséges kimenetele lehet egy szupermasszív csillagnak:
- egy neutroncsillag és a gáz egy szupernóva-maradványból, egy kis tömegű szupernóvából,
- egy fekete lyuk és a gáz egy szupernóva-maradványból, egy nagyobb tömegű szupernóvából,
- egy nagyon masszív fekete lyuk maradvány nélkül, egy masszív csillag közvetlen összeomlásából,
- vagy csak a gáz egy maradványból, egy hipernóva-robbanásból.
masszív csillag a szilícium-égés végső, szupernóva előtti szakaszában. A Cassiopeia A szupernóva-maradvány Chandra-felvételén (jobbra) ma olyan elemek láthatók, mint a vas (kékkel), a kén (zölddel) és a magnézium (vörössel). De ez nem biztos, hogy elkerülhetetlen volt. NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: Hwang & J.Laming
Amikor egy nagyon nagy tömegű csillagot látunk, csábító a feltételezés, hogy az szupernóva lesz, és egy fekete lyuk vagy neutroncsillag marad. De a valóságban van két másik lehetséges kimenetel, amit már megfigyeltek, és kozmikus léptékben elég gyakran előfordul. A tudósok még mindig dolgoznak azon, hogy megértsék, mikor és milyen körülmények között következnek be ezek az események, de mindegyik előfordul. Ha legközelebb megnézel egy csillagot, amely sokszorosa a mi Napunk méretének és tömegének, ne gondolj a “szupernóvára”, mint egy előre eldöntött következtetésre. Ezekben az objektumokban még sok élet van, és sok lehetőség van a pusztulásukra is. Tudjuk, hogy a megfigyelhető Univerzumunk egy robbanással kezdődött. A legnagyobb tömegű csillagok esetében még mindig nem vagyunk biztosak abban, hogy a végső robbanással érnek véget, teljesen elpusztítva önmagukat, vagy a végső nyöszörgéssel, teljesen összeomolva a semmi gravitációs szakadékába.
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.