Τέτοια μεγάλα άστρα, με μάζα από πέντε ηλιακές μάζες και πάνω, καταναλώνουν το καύσιμο υδρογόνο τους φτάνοντας στο στάδιο του κόκκινου γίγαντα μέσα σε μερικές δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Το βάρος των τεράστιων ποσοτήτων των εξωτερικών του στρωμάτων είναι τόσο μεγάλο, ώστε ένα τέτοιο άστρο χρειάζεται να παράγει στο εσωτερικό του τεράστιες ποσότητες ενέργειας για να αντισταθμίζει την πίεση της βαρύτητας των εξωτερικών του στρωμάτων.

Με ποιον όμως τρόπο φτάνει ένα τέτοιο άστρο να πάρει μια παρόμοια μορφή;

Κόκκινοι Υπεργίγαντες

Ένα πάρα πολύ μεγάλο άστρο, μάζας 25 ηλιακών μαζών, αφού μετατρέψει όλο το υδρογόνο του πυρήνα του σε ήλιο μέσα σε 3 μόνο εκατομμύρια χρόνια και το καύσιμο ήλιο σε μερικές χιλιάδες χρόνια, αρχίζει να διαστέλλεται και να μετατρέπεται τελικά σε έναν κόκκινο υπεργίγαντα μέσα σε τρία εκατομμύρια χρόνια από τη γέννηση του. Τα άστρα αυτά ονομάζονται έτσι γιατί εξογκώνονται σε πραγματικούς κόκκινους υπεργίγαντες, με διάμετρο 500 έως 1.000 φορές τη σημερινή διάμετρο του Ήλιου.

Στο εσωτερικό ενός τέτοιου κόκκινου υπεργίγαντα οι διεργασίες που συμβαίνουν είναι τέτοιες, ώστε, όταν φτάσει η στιγμή να αρχίσει η συστολή του, δεν μπορεί να μετατραπεί σε λευκό νάνο με την απλή εκτόξευση των εξωτερικών του στρωμάτων, όπως γίνεται στην περίπτωση των πλανητικών νεφελωμάτων.

Για να στηρίξει την τεράστια μάζα του εξακολουθεί να χρειάζεται ενέργεια και αρχίζει μια νέα σειρά πυρηνικών αντιδράσεων, συντήξεων, στο κέντρο του. Τα προϊόντα μιας τέτοιας πυρηνικής σύντηξης, γίνονται το καύσιμο της επόμενης σειράς αντιδράσεων.

Έτσι ξέρουμε ότι πρώτα το υδρογόνο μετατρέπεται σε ήλιο, το ήλιο σε άνθρακα και οξυγόνο, ο άνθρακας σε νέον και μαγνήσιο. Ακολούθως, οι διεργασίες στον πυρήνα το κάνουν να πάλλεται ακανόνιστα, ενώ όλο και πιο νέες πυρηνικές αντιδράσεις δημιουργούν όλο και πιο βαρύτερα χημικά στοιχεία για να ικανοποιήσουν τις ενεργειακές ανάγκες εξισορρόπησης του άστρου. Το άστρο δηλαδή σ' αυτή τη φάση ο πυρήνας του περιβάλλεται από στρώματα διαφορετικών πυρηνικών καύσεων. Φυσικά, η κατάσταση αυτή δεν μπορεί να συνεχιστεί για πάντα.

Στο άστρο των 25 ηλιακών μαζών, μετά από την εξάντληση του υδρογόνου και του ήλιου, τα πάντα ύστερα γίνονται σχεδόν αστραπιαία σε σύγκριση με την όλη διάρκεια της ζωής του. Ο πυρήνας του άστρου συρρικνώνεται, η κεντρική θερμοκρασία αυξάνει στους 50 εκατομμύρια βαθμούς και το ήλιο αρχίζει να μεταστοιχειώνεται σε άνθρακα.

Συγχρόνως όμως μεγαλώνει και ο όγκος του, μέχρις ότου μετατραπεί σε έναν τεράστιο κόκκινο υπεργίγαντα, με διάμετρο αρκετές εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο του Ήλιου μας. Η βαρύτητα όμως των εξωτερικών του στρωμάτων δεν είναι ικανή να τα συγκρατήσει. Έτσι, 600 χιλιάδες χρόνια πριν από το τέλος της ζωής του τα εξωτερικά στρώματα του κόκκινου υπεργίγαντα αρχίζουν να αποχωρίζονται σιγά σιγά από το άστρο. Με ένα ελαφρύ αστρικό άνεμο σωματίδια σε μεγάλες ποσότητες διαφεύγουν στο Διάστημα με ταχύτητα 10 km/sec.

Η διαρροή των υλικών αυτών συνεχίζεται με τον ίδιο ρυθμό επί χιλιάδες χρόνια, αναγκάζοντας το άστρο να επιταχύνει την περιστροφή του. Η γρήγορη αυτή περιστροφή οδηγεί, με τη σειρά της, τα διαφεύγοντα αέρια να πάρουν μια δισκοειδή μορφή, ώσπου τελικά, λόγω της αυξανόμενης φυγόκεντρης δύναμης, σχηματίζεται ένας διαρκώς διαστελλόμενος δίσκος στη θέση του αρχικού κελύφους υλικών.

Ακολούθως, 5.000 χρόνια πριν από το τέλος ο αστρικός άνεμος των υλικών αυξάνει την ταχύτητα του στα 600 km/sec. Τα υλικά της δεύτερης αυτής, και ταχύτερης, διαρροής προφταίνουν τα προηγούμενα αργοκίνητα υλικά και τα συμπιέζουν σχηματίζοντας ένα δακτύλιο αερίων που συνεχώς διαστέλλεται.

Περίπου χίλια χρόνια πριν από το τέλος, η εσωτερική θερμοκρασία του άστρου φτάνει τους 800 εκατομμύρια βαθμούς και ο κεντρικός πυρήνας του άνθρακα που είχε συσσωρευτεί εξαντλείται σε 200 χρόνια και αρχίζει να μετατρέπεται σε νέον.

Έτσι, δύο χρόνια πριν από το τέλος, χωρίς καμία εξωτερική προειδοποίηση, όταν η θερμοκρασία στον πυρήνα του φτάνει τους 1.5 δισεκατομμύριο βαθμούς Κελσίου, αρχίζει η καύση του νέου σε ένα μόνο χρόνο προς οξυγόνο και μαγνήσιο. Έξι μήνες πριν από το τέλος, αρχίζει η καύση του οξυγόνου με τη μετατροπή του σε πυρίτιο και θείο. Η θερμοκρασία του πυρήνα φτάνει τότε τους 2 δισεκατομμύρια βαθμούς.

Η καύση αυτή κρατάει περίπου έξι μήνες, οπότε μερικές μόνο ημέρες πριν από το τέλος η κεντρική του θερμοκρασία φτάνει τους 4 δισεκατομμύρια βαθμούς και το πυρίτιο που έχει συγκεντρωθεί εκεί αρχίζει να μετατρέπεται σε σίδηρο και έτσι μέσα σε μερικές ώρες η ποσότητα του σιδήρου στο κέντρο αρχίζει να μεγαλώνει.

Ο πυρήνας του υπεργίγαντα αρχίζει να συμπιέζεται από τη βαρύτητα των ανωτέρων στρωμάτων του και έτσι η θερμοκρασία του αυξάνει ακόμη πιο πολύ. Σε λιγότερο από δύο ημέρες το άστρο αποκτάει μια σιδερένια καρδιά με μάζα 1.5 φορές τη μάζα του Ήλιου μας, ενώ γύρω της συνεχίζονται σε στρώματα οι καύσεις του πυριτίου, του οξυγόνου, του νέου, του άνθρακα και του ηλίου με συνολική μάζα έξι φορές τη μάζα του Ήλιου. Το 85% της μάζας του άστρου παραμένει φυσικά στα εξωτερικά στρώματα με τη μορφή του υδρογόνου.

Έτσι φτάνει κάποια στιγμή που η κεντρική θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή για να αρχίσει η καύση του σιδήρου. Κάτι τέτοιο όμως δημιουργεί απόκοσμες καταστροφικές διαδικασίες. Κι' αυτό γιατί ο σίδηρος διαθέτει τον πιο σταθερό ατομικό πυρήνα, πράγμα που σημαίνει ότι κατά τη σύντηξη του ή τη διάσπαση του δεν παράγει ενέργεια, δεν είναι δηλαδή μια εξώθερμη σύντηξη, αλλά αντίθετα απορροφάει ενέργεια, γιατί η σύντηξη του είναι μια ενδόθερμη διαδικασία.

Για να μετατραπεί δηλαδή ο σίδηρος σε βαρύτερα ή ελαφρότερα χημικά στοιχεία χρειάζεται ενέργεια, που σημαίνει ότι η ενέργεια αυτή δεν είναι διαθέσιμη για να συγκρατήσει το τεράστιο βάρος των ανωτέρων στρωμάτων του άστρου, με αποτέλεσμα την ακόμη μεγαλύτερη συμπίεση του σιδερένιου αστρικού πυρήνα και την ακόμη μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας σ' αυτόν.

Έτσι, όταν ο συγκεντρωμένος σίδηρος στην καρδιά του άστρου φτάσει το όριο Chandrasekhar (1.4 φορές την ηλιακή  μάζα), η συμπίεση είναι τόσο μεγάλη ώστε η θερμοκρασία στο σιδερένιο πυρήνα του άστρου ξεπερνάει τα 4 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Τα υψηλής ενέργειας φωτόνια που παράγονται διασπούν το σίδηρο σε ελαφρότερα χημικά στοιχεία, με αποτέλεσμα την όλο και μεγαλύτερη απορρόφηση ενέργειας από την καρδιά του άστρου. Από εδώ και πέρα, στο επόμενο ένα δευτερόλεπτο, τα πάντα γίνονται με αστραπιαία ταχύτητα.

Η κατάρρευση του άστρου

Ο πυρήνας του άστρου διασπάται σε δύο τμήματα. Το εσωτερικό τμήμα του πυρήνα καταρρέει ανεμπόδιστο προς το κέντρο με ταχύτητα που φτάνει τα 80.000 km/sec. Η κατάρρευση αυτή συμπιέζει τα υλικά του τόσο πολύ, ώστε η διάμετρος του συρρικνώνεται από 6.000 km σε μόνο 6 km. Σαν να συμπιεστεί η Γη ολόκληρη ξαφνικά, σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, στην έκταση μιας πόλης. Έτσι η ύλη του κεντρικού αστρικού πυρήνα διασπάται σε θετικά φορτισμένα πρωτόνια, σε αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και σε νετρόνια χωρίς καμία ηλεκτρική φόρτιση.

Επειδή η πίεση είναι τεράστια, τα ηλεκτρόνια συγχωνεύονται με τα πρωτόνια δημιουργώντας νετρόνια και σε μια θερμοκρασία που φτάνει τους 50 δισεκατομμύρια βαθμούς δημιουργούνται 10⁵⁸ νετρίνα, που προς στιγμή βρίσκονται φυλακισμένα στην υπέρπυκνη και υπέρθερμη κόλαση του αστρικού πυρήνα. Σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, η ύλη του πυρήνα αποτελείται από νετρόνια μόνο και τεράστιες ποσότητες νετρίνων, που λόγω της μεγάλης πυκνότητας της ύλης δεν μπορούν να δραπετεύσουν. Σε δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου η πυκνότητα της αστρικής καρδιάς φτάνει να είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη από την πυκνότητα ενός ατομικού πυρήνα, ενώ η θερμοκρασία έχει φτάσει τους 100 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.

Έκρηξη νετρίνων

Τη στιγμή εκείνη, 41 εκατοστά του δευτερολέπτου μετά την έναρξη της κατάρρευσης του πυρήνα, η πυκνότητα του κέντρου φτάνει τους ένα δισεκατομμύριο τόνους ανά κυβικό εκατοστόμετρο. Τα φυλακισμένα νετρίνα, μαζί με τα υπόλοιπα υλικά, δεν αντέχουν άλλη συμπίεση και εξοστρακίζονται προς τα έξω. Όλη δηλαδή η κινητική ενέργεια που δημιουργείται από την κατάρρευση του εσωτερικού τμήματος του πυρήνα μετατρέπεται σ' ένα τεράστιο ωστικό κύμα, το οποίο ξεχύνεται προς τα εξωτερικά στρώματα του άστρου.

Ο αριθμός των νετρίνων που παράγεται στις αντιδράσεις σύντηξης του υδρογόνου σ' ένα κανονικό άστρο σαν τον Ήλιο είναι πραγματικά τεράστιος. Ο αριθμός όμως των νετρίνων που παράγεται στη διάρκεια της μετατροπής ενός ερυθρού υπεργίγαντα άστρου σε υπερκαινοφανή είναι απίστευτα μεγάλος. Στη διάρκεια μιας τέτοιας έκρηξης παράγονται 10⁵⁸ νετρίνα. Λόγω του μεγάλου αυτού αριθμού τα νετρίνα παίζουν σημαντικότατο ρόλο στην καταστροφική εξέλιξη ενός άστρου, γιατί με την αναχώρηση τους μεταφέρουν μαζί τους τεράστια ποσά ενέργειας απ' αυτό.

Αφού γίνει η έκρηξη σουπερνόβα, από το άστρο απομένει ένας ατομικό πυρήνας νετρονίων διαμέτρου περίπου 20 km.

Επειδή, λοιπόν, τη στιγμή της έκρηξης η θερμοκρασία στον πυρήνα μπορεί να φτάσει τους 100 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, τα νετρίνα αυτά μεταφέρουν ενέργεια, αποσπώντας έτσι το 99,99% της ενέργειας που εκλύεται από την κατάρρευση του άστρου. Ενώ, αντιθέτως, η ενέργεια του ορατού φωτός που βλέπουμε από την έκρηξη αυτή δεν αποτελεί παρά το 0,01%.

Τα υπόλοιπα συμπιεσμένα υλικά, περίπου το 1.5 της ηλιακής μάζας, αποτελείται από νετρόνια. Τα υλικά αυτά σχηματίζουν ένα άστρο νετρονίων εκλύοντας τεράστια ποσά ενέργειας, ίσης με τη μετατροπή του 20% της μάζας του Ήλιου σε καθαρή ενέργεια. Η ενέργεια δηλαδή που ακτινοβολείται είναι ίση με την ενέργεια που εκπέμπεται από τον Ήλιο μας για αρκετά τρισεκατομμύρια χρόνια. Σ' αυτό το σημείο, η θερμοκρασία φτάνει τους 480 δισεκατομμύρια βαθμούς και τα φυλακισμένα νετρίνα κατορθώνουν επιτέλους να διαφύγουν μεταφέροντας μαζί τους το 99% της ενέργειας αυτής.

Η έκρηξη σουπερνόβα και η δημιουργία των στοιχείων

Η εκτίναξη του εσωτερικού πυρήνα τον κάνει να συγκρουστεί βίαια με τον ακόμη καταρρέοντα εξωτερικό πυρήνα, δημιουργώντας έτσι ένα κρουστικό κύμα με περισσότερη ενέργεια απ' αυτήν που εκλύει ένας ολόκληρος γαλαξίας σε περίπου δέκα χρόνια. Η δημιουργία του κρουστικού αυτού κύματος σηματοδοτεί τη γέννηση της σουπερνόβα. Κι έτσι, καθώς το κύμα αυτό, μαζί με τα νετρίνα, διαστέλλεται μέσα στον καταρρέοντα εξωτερικό αστρικό πυρήνα, επιτρέπει στα νετρίνα να διαφύγουν στο Διάστημα. Με την ταχύτητα του φωτός τα νετρίνα αυτά διαδίδουν πλέον στο Σύμπαν τα πρώτα μηνύματα του αστρικού θανάτου.

Ένα δευτερόλεπτο μετά την αρχή της δραματικής αυτής κατάρρευσης, το κρουστικό κύμα, με ταχύτητα που φτάνει τα 30.000 km/sec, ξεκινάει προς τα εξωτερικά στρώματα του άστρου. Το κρουστικό αυτό κύμα παρασέρνει στο διάβα του και συντρίβει τα αστροϋλικά που συναντάει. Η σύγκρουση αυτή παράγει αρκετές ποσότητες όλων των βαρέων χημικών στοιχείων, όπως το ασβέστιο, ο μόλυβδος και το ουράνιο. Ο αστρικός πυρήνας εκπέμπει πλέον τεράστιες ποσότητες νετρίνων, τα οποία, με την αναχώρηση τους, μεταφέρουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας από την καρδιά του άστρου.

Στα πρώτα 100 δευτερόλεπτα μετά την εκκίνηση του, το κρουστικό κύμα διασχίζει όλους τους μανδύες του αστρικού πυρήνα και φτάνει στο όριο που διαχωρίζει το κέλυφος του ηλίου με τα εξωτερικά στρώματα του υδρογόνου (που αποτελεί το 85% των υλικών του άστρου). Δύο χιλιάδες δευτερόλεπτα αργότερα, η δημιουργηθείσα ανισορροπία σχηματίζει ακτινωτές συγκεντρώσεις αερίων του αστρικού πυρήνα πέντε φορές πυκνότερες από τα αέρια των εξωτερικών στρωμάτων που διαπερνούν. Ενώ στα 10.000 δευτερόλεπτα (2 ώρες και 47 λεπτά) τα διαστελλόμενα υλικά του πυρήνα παίρνουν τη μορφή αχινού.

Στο μεταξύ το γοργά διαστελλόμενο «κρουστικό κύμα» συναντάει στο δρόμο του ένα στρώμα οξυγόνου και το μετατρέπει αμέσως σε ραδιενεργό νικέλιο. Μια ποσότητα 140x10²⁴ τόνων νικελίου-56 (to 7% της μάζας του Ήλιου) εκτοξεύεται μαζί μ' όλα τ' άλλα υλικά στο Διάστημα, με μία ταχύτητα 17.000 km/sec, θερμαίνοντας τα αέρια του εξωτερικού μανδύα στους 100.000 βαθμούς Κελσίου.

Το κρουστικό κύμα διασχίζει το άστρο μέσα σε μερικές ώρες και η τεράστια έκρηξη που επακολουθεί παράγει ενέργεια ίση με την ενέργεια που παράγει ο Ήλιος σε δέκα τρισεκατομμύρια χρόνια, αν μπορούσε να ζήσει τόσο πολύ. Και όλη αυτή η ενέργεια εκλύεται σε μερικά μόνο δευτερόλεπτα.

Τέτοιου είδους εκρήξεις μπορούν να συγκριθούν μόνο με τη Μεγάλη Έκρηξη. Μετά την τεράστια έκρηξη και διάλυση του άστρου, ακτινοβολείται σε όλο το σύμπαν υπεριώδη ακτινοβολία. Μία ώρα όμως αργότερα, τα εκτοξευόμενα υλικά έχουν χάσει αρκετή από την ταχύτητα τους και η ακτινοβολία που εκπέμπεται είναι ορατή.

Την ίδια στιγμή, ολόκληρο το άστρο διασπάται κυριολεκτικά με μια τεράστια έκρηξη και την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων υπεριώδους ακτινοβολίας και ακτίνων-Χ, λάμποντας με συνολική ένταση σαν 250 εκατομμύρια Ήλιοι. Παρ' όλο που το νικέλιο δεν αποτελεί παρά μόνο το 1% της συνολικής ποσότητας  των αερίων που εκτοξεύει σε έναν υπερκαινοφανή, εν τούτοις αποτελεί την κυρία πηγή ενέργειας που εξακολουθεί επί μήνες να θερμαίνει τα διαστελλόμενα αέρια στη θερμοκρασία των 5.000 βαθμών Κελσίου, καθώς το ραδιενεργό νικέλιο-56 μετατρέπεται σε κοβάλπο-56 και αυτό με τη σειρά του σε σίδηρο-56.

Άστρο νετρονίων

Όλα τ' άστρα με μάζα περισσότερο από οχτώ ηλιακές μάζες τελειώνουν τη ζωή τους με έκρηξη σουπερνόβα. Έπειτα από την έκρηξη και ενώ το μεγαλύτερο μέρος του άστρου εκτοξεύεται στο Διάστημα, ο πυρήνας του παραμένει στη θέση του, ανέπαφος μεν, αλλά σε φοβερά ασταθή κατάσταση. Αν η μάζα του πυρήνα δεν ξεπερνάει τις περίπου 3 ηλιακές μάζες, τότε οποιαδήποτε περαιτέρω συμπίεση του σταματάει.

Αυτό που απομένει, όταν η κατάρρευση και ο εξοστρακισμός σταματήσει, είναι ένας γιγάντιος ατομικός πυρήνας νετρονίων με διάμετρο περίπου 20 km που περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Είναι ένα άστρο νετρονίων γνωστότερο με την ονομασία πάλσαρ, γιατί, εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής του, εκπέμπει ραδιοκύματα που δημιουργούνται από επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια στο στροβιλιζόμενο μαγνητικό του πεδίο.

Λίγο πριν από την έκρηξη σουπερνόβα, η περιεκτικότητα υλικών στα διάφορα στρώματα εξαρτάται από τη συνολική μάζα του άστρου και στην περίπτωση ενός άστρου με συνολικά υλικά 25 ηλιακών μαζών (Η.Μ.) περιλαμβάνουν τα εξής στρώματα πυρηνικών αντιδράσεων και στην ακόλουθη περιεκτικότητα: ένα εξωτερικό στρώμα υδρογόνου 18 Η.Μ., ένα στρώμα ηλίου περίπου 2,8 Η.Μ., άνθρακα 0,3 Η.Μ., οξυγόνου 1,3 Η.Μ., πυριτίου 0,28 Η.Μ. και σιδήρου 2,2 Η.Μ.

Με το πέρασμα όμως του κρουστικού κύματος από το κέντρο του άστρου στην επιφάνεια, άλλες πυρηνικές αντιδράσεις δημιουργούν νέα χημικά στοιχεία, μετατρέποντας τα ελαφρά χημικά στοιχεία σε βαρύτερα.

Έτσι, η έκρηξη και η σύγχρονη διασπορά του ραδιενεργού ντκελίου-56 οδηγεί στον εμπλουτισμό της περιοχής με τα στοιχεία εκείνα που είναι απαραίτητα για τη συνεχόμενη λαμπρότητα της σουπερνόβα. Εκτός από τα υλικά που είναι φυλακισμένα στο εσωτερικό του άστρου νετρονίων το οποίο δημιουργείται στον αστρικό πυρήνα που απομένει, όλα τα υπόλοιπα υλικά εκτοξεύονται στο Διάστημα, εμπλουτίζοντας το Σύμπαν με όλα τα χημικά στοιχεία της φύσης.

Αναφορά: Δ.Σιμόπουλου Οι υπερκαινοφανείς, πανεπιστήμιο Berkeley Η προέλευση των χημικών στοιχείων, NASA κλπ.