Coraz bardziej zaawansowana eksploracja kosmosu pozwoliła nam zaobserwować sporą liczbę zjawisk, których nie dałoby się odtworzyć tu na Ziemi. Zjawiska, które są czasami spektakularne, a czasami niszczycielskie, w tym supernowe. Słowo supernowa zostało po raz pierwszy użyte przez Waltera Baade'a i Fritza Zwicky'ego w 1931 roku i w rzeczywistości jest to największa eksplozja, jaką ludzkość kiedykolwiek widziała.
Jedno z najbardziej katastrofalnych wydarzeń we wszechświecie dotyczy masywnej gwiazdy w jej ostatnich chwilach życia, kiedy to wybucha, niszcząc się i uwalniając ogromną energię. W tym momencie ciało niebieskie staje się tak jasne, że świeci jaśniej niż cała galaktyka. Światło, które jest emitowane przez gwiazdę w wyniku wybuchu trwa kilka miesięcy i jest porównywalne do tego, które nasze Słońce jest w stanie wyemitować w ciągu miliarda lat.
Nie tylko to, w jakiś sposób generuje jedne z najbardziej egzotycznych obiektów, nawet towarzyszących gwiazdom neutronowym, pulsarom i czarnym dziurom.
Wszystko to, oczywiście, w bardzo wysokich temperaturach, które mogą osiągać oszałamiające sto miliardów Kelwinów.
Czym jest supernowa i jak powstaje
Niektórzy twierdzą, że supernowa jest ostatnim wybrykiem umierającej masywnej gwiazdy. Dotyczy gwiazd o dużej masie, większej niż 8 mas Słońca, w pewnych warunkach 10, i jest bardziej energetyczną eksplozją gwiazdową niż nova. Supernowe są bardzo jasne i powodują emisję promieniowania, które może, przynajmniej przez krótki czas, przewyższać emisję całej galaktyki.
W przedziale czasu, który zwykle waha się od kilku tygodni do kilku miesięcy, wybuch supernowej, oprócz wielkiego "wybuchu", emituje tyle energii, ile Słońce powinno wyemitować w ciągu całego swojego istnienia. Osiąga wtedy temperaturę stu miliardów Kelwinów przez około piętnaście sekund, ale tylko wtedy, gdy gwiazda ma masę co najmniej dziewięciokrotnie większą od naszego Słońca.
Zrozumiecie więc Państwo, że czeka nas koniec o wiele bardziej tragiczny, a zarazem prawdziwy spektakl natury, niż ten, który dotyczy mniejszych gwiazd. Wystarczy powiedzieć, że ten rodzaj gwiezdnej eksplozji wyrzuca większość lub całość materiału, z którego zbudowana jest gwiazda, z prędkością do 30 000 kilometrów na sekundę, czyli praktycznie 10% prędkości światła.
Podczas gdy jedynymi możliwymi reakcjami jądrowymi dla gwiazd o niskiej masie są reakcje wodoru i helu, i tylko rzadkiego węgla, gwiazdy o wyższej masie mogą osiągać temperatury wystarczająco wysokie, aby wyzwolić dalszą fuzję jądrową podczas okresów kompresji związanych z wyczerpywaniem się jednej z form paliwa.
Inna różnica z mniejszymi gwiazdami polega na tym, że większe gwiazdy mogą lepiej mieszać wewnętrzne pierwiastki, pozwalając wodorowi ześlizgiwać się z powrotem do jądra. Pomijając kwestie techniczne, proces ten nadal wytwarza tony energii, a jądro staje się bardzo gorące. Ciepło jest tak duże, że wytwarza silne ciśnienie, które w długiej walce z grawitacją powoduje wiele reakcji zachodzących jednocześnie w różnych warstwach struktury gwiezdnej.
Jeżeli hel jest stopniowo stapiany w coraz cięższe pierwiastki, jest to sekwencja znana jako wychwytywanie helu, jądro nadal zapada się z temperaturą wzrastającą do 600 milionów stopni Kelvina: to wystarczy, aby wywołać nieuniknioną reakcję węgla w cięższe pierwiastki, takie jak tlen, neon, sód i magnez.
Samo zjawisko fuzji węglowej dostarcza zupełnie nowego źródła energii, zdolnego do zrównoważenia "walki" pomiędzy grawitacją a ciśnieniem, która charakteryzuje te niezwykle jasne, duże promienie i supergiganty o małej gęstości. Po zakończeniu fuzji jądrowej zdolnej do poradzenia sobie z grawitacją, gwiazda imploduje, a masa jest zbyt duża, aby jądro gwiazdy mogło się jej oprzeć.
Powstaje eksplozja supernowej, która, jak już powiedzieliśmy, jest jednym z najbardziej gwałtownych wydarzeń w wewnętrznym wszechświecie. Aby to jeszcze bardziej uprościć, możemy powiedzieć, że kiedy masywna gwiazda się wypala, ochładza się, powodując spadek ciśnienia. W ten sposób grawitacja wygrywa i gwiazda nagle się zapada.
Rodzaje supernowych
Termin supernowa pochodzi od terminu "nova", którym określano gwiazdy pojawiające się na niebie w miejscach, gdzie wcześniej nie było po nich śladu, co sugerowało narodziny "nowej" gwiazdy. Ze względu na jasność tych zjawisk, słowo to zostało podkreślone słowem "supernowa", mimo że wiemy, iż w rzeczywistości jest to umierająca gwiazda. Do tej pory astronomowie zaobserwowali, że istnieją dwa typy supernowych, różniące się mechanizmem wybuchu oraz typem gwiazd, z których eksplozja pochodzi.
Najnowsze typu I nie powstają z pojedynczych gwiazd, lecz z tzw. układów podwójnych, czyli takich, które składają się z dwóch sąsiadujących ze sobą gwiazd obracających się wokół wspólnego środka ciężkości. Układy podwójne, które mogą wywołać supernową typu I, to zazwyczaj te składające się z białego karła zawierającego tlen i węgiel oraz tzw. gwiazdy towarzyszącej. Ze względu na ekstremalnie wysokie ciśnienie i gęstość, materia, która tworzy tę pierwszą, znajduje się w stanie, który naukowcy nazywają "zdegenerowanym".
Stan ten jest stabilny tylko wtedy, gdy masa danej gwiazdy jest poniżej wartości progowej zwanej "masą Chandrasekara", która jest 1,4 razy większa od masy Słońca. Jeśli biały karzeł znajduje się w układzie podwójnym, jego pole grawitacyjne może być tak silne, że popycha pobliską gwiazdę towarzyszącą do przekazania jej swojej masy. W rezultacie karzeł zaczyna rosnąć wykładniczo, aż do przekroczenia granicy Chandrasekara i kurczy się.
Kurczenie się wywołuje znane nam już reakcje jądrowe, a uwolniona energia wystarcza do całkowitej eksplozji gwiazdy, która rozpada się, pozostawiając w przestrzeni jedynie pył.
Najnowsze supernowe typu II pochodzą natomiast od gwiazd szczególnie masywnych, zwykle o masie około 10 razy większej od masy naszego Słońca. Są one stosunkowo krótkotrwałe, trwają nie dłużej niż 10 milionów lat, a przez cały czas ich trwania paliwo jądrowe w centrum gwiazdy ma tendencję do cyklicznej zmiany jednego pierwiastka na drugi. Przy każdej "transformacji" rdzeń kurczy się pod wpływem grawitacji i udaje mu się podnieść temperaturę na tyle, by wywołać spalanie nowego pierwiastka chemicznego. Biorąc pod uwagę, że żelazo ze swej natury nie może być poddawane dalszej fuzji termojądrowej w celu wytworzenia energii, gdy przyjdzie jego kolej, skurczenie się jądra będzie nie do zatrzymania i całkowicie nieodwracalne.
W ciągu zaledwie kilkudziesięciu sekund średnica jądra skurczy się z około połowy promienia Ziemi do nieco ponad 10 kilometrów, a wytworzona w ten sposób fala uderzeniowa rozejdzie się po zewnętrznych warstwach gwiazdy w ciągu około dwóch godzin. Po dotarciu do powierzchni, gwiazda eksploduje. Cała materia tworząca zewnętrzną część gwiazdy jest wyrzucana w przestrzeń kosmiczną z prędkością około 15 000 kilometrów na sekundę, podczas gdy pozostałość po niej może, w zależności od masy, być gwiazdą neutronową, znaną również jako pulsar, lub czarną dziurą.
Znaczenie gwiezdnej eksplozji
Mimo że supernowa jest zjawiskiem destrukcyjnym, odgrywa kluczową rolę w ewolucji wszechświata, a jej skutki mogą być odczuwalne również tutaj, na Ziemi. Po pierwsze, ten gromki wybuch gwiezdny okazał się najbardziej wydajnym i kompletnym mechanizmem wzbogacania chemicznego galaktyk. Nie wszyscy wiedzą, że większość pierwiastków występujących dziś w Galaktyce, na Ziemi i u ludzi nie pojawiła się w momencie narodzin Wszechświata po Wielkim Wybuchu, lecz została zsyntetyzowana w gwiazdach, łącznie z tlenem, którym oddychamy!
Po wybuchu supernowych materiał gwiezdny, bogaty w pierwiastki chemiczne, jest zwracany w przestrzeń kosmiczną i wzbogaca obłoki gazu i pyłu międzygwiezdnego, które później dadzą początek nowym gwiazdom, planetom i galaktykom. Mało tego, energia eksplozji pozwala na przekształcenie obecnych już pierwiastków, uzupełniając w ten sposób wszystkie znane nam pierwiastki układu okresowego.
W dodatku wybuch supernowej sprzyja narodzinom nowych gwiazd, co tworzy koło sukcesu przekładające się na potencjalnie nowe formy życia. Dzieje się tak, ponieważ fala uderzeniowa generowana przez wybuch rozchodzi się w obłokach gazu i pyłu międzygwiazdowego i powoduje zmiany gęstości. Zmiany te powodują kurczenie się gazu, a następnie powstawanie nowej gwiazdy.
Kosmos ma zatem swój własny, unikalny cykl życia: śmierć jednej gwiazdy tworzy warunki niezbędne do życia innych. Nie powinno więc dziwić, że supernowe są tak intensywnie badane. Niestety, nie jest możliwe, abyśmy wiedzieli, kiedy i gdzie wybuchnie supernowa, ale astrofizycy mogą je odkryć poprzez ciągłe monitorowanie dużej liczby galaktyk. Potrzeba też dużo cierpliwości, biorąc pod uwagę, że liczba galaktycznych wybuchów supernowych wynosi średnio tylko jeden raz na 30-50 lat.