Σουπερνόβα Οι κοσμικοί φάροι

Πηγή: Max-Planck, 9 Φεβρουαρίου 2007

Οι σουπερνόβες ξεχωρίζουν στον ουρανό σαν κοσμικοί φάροι. Επιστήμονες στο Ινστιτούτο Max Planck για την αστροφυσική και στο Εθνικό Αστρονομικό Ίδρυμα της Ιταλίας έχουν βρει τώρα έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουν αυτούς τους κοσμικούς φάρους για να μετρήσουν αποστάσεις στο διάστημα με μεγαλύτερη ακρίβεια. Οι ερευνητές ήταν σε θέση να δείξουν ότι όλες οι σουπερνόβες ενός ορισμένου τύπου που εκρήγνυνται με την ίδια μάζα και την ίδια ενέργεια - η φωτεινότητα τους εξαρτάται μόνο από το πόσο νικέλιο περιέχει η σουπερνόβα.

Το βέλος δείχνει τη σουπερνόβα 2002bo, που προήλθε από την έκρηξη ενός λευκού νάνου με διαστάσεις σαν της Γης και μάζα πολλές φορές τη μάζα του Ήλιου στο γαλαξία NGC 3190 στον αστερισμό του Λέοντα - 60 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη γη.  Ο λευκός νάνος όταν βρεθεί κοντά σε ένα άστρο του αποσπά ύλη και όταν η συνολική μάζα του λευκού νάνου υπερβεί ένα ορισμένο όριο, αυτοαναφλέγεται με μια εκρηκτική θερμοπυρηνική έκρηξη, και ο λευκός νάνος διαλύεται με τέτοιο βίαιο τρόπο που κομμάτια του εκτοξεύονται με ταχύτητες της τάξης των 10.000 km/s. Η λάμψη που δημιουργείται χρειάζεται τρεις εβδομάδες για να φτάσει στο μέγιστο της, ενώ στη συνέχεια εξασθενεί σταδιακά μέσα σε μια περίοδο μερικών μηνών.

Αυτή η γνώση έχει επιτρέψει στους ερευνητές να βαθμολογήσουν τη φωτεινότητα των σουπερνοβών με την πιο μεγάλη ακρίβεια. Αυτό σημαίνει ότι στο μέλλον, θα χρησιμοποιήσουν τη φωτεινότητα μιας σουπερνόβας, που παρατηρούν μέσω των τηλεσκοπίων τους, για να καθορίσουν με ακρίβεια την απόσταση που βρίσκεται αυτός ο κοσμικός φάρος από τη Γη.

Το τέλος της ζωής ενός άστρου, όταν το αστέρι γίνει αρκετά βαρύ, χαρακτηρίζεται από μια τεράστια έκρηξη - μια υπερκαινοφανή (σουπερνόβα) έκρηξη. Για μερικές εβδομάδες, μια σουπερνόβα φαίνεται σχεδόν τόσο φωτεινή όσο κι ένας γαλαξίας που περιέχει δισεκατομμύρια αστεριών. Οι φυσικοί υποδεικνύουν ότι ο φωτεινότερος τύπος  είναι η σουπερνόβα τύπου Ia. Η φωτεινότητά τους, όπως μετράται από τη Γη, είναι ένα μέτρο της απόστασής τους από μας - αλλά υπάρχουν αρκετές αβεβαιότητες.

"Η ερώτηση παραμένει ακόμα: πόσο κατάλληλες είναι οι σουπερνόβες πραγματικά για τη μέτρηση της απόστασης; Παραδείγματος χάριν, η γνώση ότι το σύμπαν επεκτείνεται πολύ γρήγορα είναι κατά ένα μεγάλο μέρος βασισμένη στις παρατηρήσεις των σουπερνοβών", εξηγεί ο Wolfgang Hillebrandt. Όλες οι σουπερνόβες τύπου Ia έχουν παρόμοια επίπεδα φωτεινότητας, αλλά όχι ακριβώς τα ίδια.

Οι επιστήμονες αυτοί έχουν κάνει τώρα μια σημαντική ανακάλυψη. Έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι η ενέργεια της έκρηξης των σουπερνοβών τύπου Ia είναι σχεδόν συνεπής - είναι ισοδύναμη με την ενέργεια σύντηξης την οποία  μπορεί να αναπτύξει ένας λευκός νάνος με, περίπου, μιάμιση φορά τη μάζα του ήλιου.  Εντούτοις, η ποσότητα του ραδιενεργού νικελίου και των χημικών στοιχείων μέσου βάρους, όπως είναι το πυρίτιο, ποικίλλουν από σουπερνόβα σε σουπερνόβα και εξηγούν τη διαφορά στη φωτεινότητά τους. Όσο περισσότερο νικέλιο περιέχει μια σουπερνόβα, τόσο φωτεινότερα λάμπει.

Στην έκρηξη, η πυρηνική σύντηξη του άνθρακα και οξυγόνου δημιουργούν μεγάλες ποσότητες ραδιενεργών πυρήνων. Σε μερικές σουπερνόβες, αυτό είναι κυρίως το ραδιενεργό ισότοπο 56 του νικελίου. Η ενέργεια από τη ραδιενεργό αποσύνθεσή του μετατρέπεται σε φως στη σουπερνόβα. Η σύντηξη επομένως παρέχει και την ενέργεια και το φως για την έκρηξη. Η πυρηνική σύντηξη, εντούτοις, μπορεί να τελειώσει με τους ελαφρύτερους πυρήνες όπως για παράδειγμα το πυρίτιο. Το τελευταίο δημιουργεί μεν την ίδια ποσότητα ενέργειας, αλλά η σουπερνόβα δεν είναι τόσο φωτεινή. Οι ερευνητές προσδιορίζουν αυτήν την κατάσταση, όταν βλέπουν το πυρίτιο στο φάσμα της σουπερνόβας.

Τα τελευταία τέσσερα χρόνια σε μια επιστημονική μελέτη μιας ευρωπαϊκής κοινοπραξίας με επικεφαλής το Ινστιτούτο Max Planck, οι επιστήμονες έχουν εξετάσει 20 εκρήξεις σουπερνοβών τύπου Ia, που διαρκούν αρκετές εβδομάδες. Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπικά και φωτομετρικά στοιχεία καθώς και περίπλοκες αριθμητικές προσομοιώσεις, έφθασαν σε τέτοια αποτελέσματα, που υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να βελτιώσουν τις υπάρχουσες μεθόδους βαθμολόγησης των αποστάσεων. Οι αστρονόμοι βαθμολογούν τις διαφορές στη φωτεινότητα των σουπερνοβών με τις καμπύλες του φωτός τους. Δηλαδή ο τρόπος που η φωτεινότητα αναπτύσσεται με τον χρόνο στις πρόσφατα ανακαλυμμένες σουπερνόβες. Οι φωτεινές καμπύλες των φωτεινότερων σουπερνοβών ελαττώνονται πιο αργά από αυτές των λιγότερων φωτεινών σουπερνοβών.

Μέχρι τώρα, η ασθενής σύνδεση σε αυτήν την μέθοδο βαθμολόγησης προσέφερε περιορισμένη γνώση για τις ίδιες τις εκρήξεις των υπερκαινοφανών: τι είναι αυτό που προκαλεί τις διαφορές στη φωτεινότητα και ποιές είναι οι διορθώσεις που πρέπει να γίνουν; Για τις σουπερνόβες, που παίζουν σημαντικό ρόλο στην κοσμολογία για τη μέτρηση των αποστάσεων, οι επιστήμονες πρέπει να έχουν μια πολύ καλή κατανόηση για τις εκρήξεις τους, και τώρα οι επιστήμονες από τα δύο Ινστιτούτα έχουν μεγάλη συμβολή σε αυτό.

"Αυτά τα αποτελέσματα μας έχουν δώσει για πρώτη φορά μια γερή βάση ώστε να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις σουπερνόβες για τη μέτρηση των αποστάσεων στο διάστημα", λέει ο Wolfgang Hillebrandt. "Καταλαβαίνουμε τώρα  καλύτερα τις διαφορές στη φωτεινότητα των υπερκαινοφανών και μπορούμε να βαθμολογήσουμε αυτούς τους κοσμικούς φάρους με μεγάλη ακρίβεια". Αυτά τα συμπεράσματα θα ωφελήσουν επίσης τους κοσμολόγους που χρησιμοποιούν τη φωτεινότητα των σουπερνοβών για να συμπεράνουν τη σκοτεινή ενέργεια. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι αυτή είναι η αιτία για τη γρήγορη επέκταση του Κόσμου.