Wkrótce wybuchnie najjaśniejsza żarówka wszechświata

Prof. Michał Różyczka: Są dwa rodzaje supernowych. Supernowe typu 1a mają bardzo ważne zastosowanie praktyczne: pozwalają mierzyć odległość obiektów znajdujących się w bardzo dalekich rejonach kosmosu. Aby zilustrować metodę pomiaru odległości stosowaną w astronomii, wyobraźmy sobie stuwatową żarówkę, na którą patrzymy z daleka i mierzymy ilość energii, która dociera od niej do nas w ciągu sekundy, po czym porównujemy moc wysłaną z mocą odebraną. Ponieważ moc odbierana zmniejsza się z kwadratem odległości, w ten sposób można łatwo obliczyć, jak daleko jest żarówka. Te najjaśniejsze "żarówki" to właśnie supernowe 1a, które są nam bardzo przydatne. Jest jeszcze inny rodzaj supernowych, nazywanych w astronomii supernowymi typu II. Po angielsku określa się je też jako core-collapse supernova, czyli supernowe, które wybuchają w związku z zapadnięciem się rdzenia gwiazdy. Polega to na tym, że gdy gwiazda dociera do kresu ewolucji, w jej głębokim wnętrzu formuje się rdzeń, którego głównym składnikiem są
pierwiastki grupy żelaza: izotopy żelaza, nikiel, kobalt. Próba zsyntetyzowania jakichś cięższych jąder tych pierwiastków jest skazana na niepowodzenie, ponieważ takie reakcje pochłaniałyby energię zamiast ją produkować. Powstanie żelaznego rdzenia sygnalizuje moment, w którym "jądrowe paliwo" gwiazdy zostało wyczerpane. Wtedy gwiazda przeżywa kataklizm. Rdzeń, niezdolny już do produkcji energii, bardzo gwałtownie się zapada. Wydzielają się przy tym olbrzymie ilości grawitacyjnej energii potencjalnej (dużo więcej niż Słońce wyświeci w ciągu całego swojego życia). Ta energia zostaje przechwycona przez zewnętrzne warstwy gwiazdy, które wybiegają w przestrzeń z prędkością dochodzącą do kilkudziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę. Dlaczego to jest takie ważne? Ponieważ w zewnętrznych warstwach gwiazdy są wszystkie pierwiastki, które gwiazda zdołała w ciągu całego swojego życia zsyntetyzować m.in. tlen, węgiel, azot i wiele innych, bez których nie mogłyby istnieć organizmy żywe.

Nie, astronomowie udokumentowali pięć wcześniejszych wybuchów. Pierwszy z nich nastąpił w końcu XIX wieku. Co nie znaczy oczywiście, że gwiazda ta nie wybuchała wcześniej.

W rzeczywistości jest to układ dwóch gwiazd, które są związane ze sobą siłą grawitacji. Obie krążą wokół środka masy. Jedna z tych gwiazd jest tzw. białym karłem – końcowym produktem ewolucji gwiazdy o masie zbliżonej do masy Słońca. Gwiazdy typu Słońca przestają produkować energię zanim wytworzą jądro żelazne, a to dlatego, że nigdy nie osiągają odpowiednio wysokich temperatur potrzebnych do dalszych etapów syntezy jądrowej. Taka gwiazda kończy syntezę, gdy w jej wnętrzu pojawia się rdzeń, składający się głównie z węgla i tlenu. Jednocześnie zewnętrzne obszary gwiazdy, tzw. otoczka, coraz bardziej się rozdymają i pomału, bez żadnych gwałtownych wydarzeń, odpływają w przestrzeń międzygwiezdną. Za 5 miliardów lat w ten właśnie sposób zakończy życie nasze Słońce. W jego wewnętrznej warstwie stworzy się biały karzeł o masie niewiele mniejszej niż Słońce. Przy tak dużej masie jest to obiekt wielkości Ziemi, jego pole grawitacyjne jest więc bardzo silne. Kiedy coś na takiego białego karła spada, wyzwala się duża
ilość energii potencjalnej. W układzie RS Ophiuchi na białego karła spada materia z jego towarzysza, którym jest zwyczajna gwiazda o masie trochę mniejszej niż Słońce. Gdy gwiazdy krążą w niewielkiej odległości od siebie (a tak właśnie jest w układzie RS Ophiuchi) normalna gwiazda przybiera kształt łzy z "dzióbkiem" skierowanym w stronę białego karła. Z tego dziubka wypływa materia, która następnie osiada na białym karle (obrazowo mówiąc biały karzeł wysysa materię z towarzysza siłą swojej grawitacji). Ponieważ wysysana materia pochodzi z zewnętrznych obszarów normalnej gwiazdy, jest bogata w wodór i hel. Gdy na białym karle uzbiera jej się dostatecznie dużo, zaczynają się w niej takie same reakcje jak we wnętrzu zwykłych gwiazd – reakcje termojądrowe. Przebiegają jednak bardzo gwałtownie. Na powierzchni białego karła dochodzi do wybuchu termojądrowego (można powiedzieć, że na chwilę zamienia się on w bombę termojądrową). Wybucha wszystko to, co na niego spadło z towarzysza. Część materii zostaje odrzucona w
przestrzeń międzygwiezdną, część zaś zostaje na białym karle. W zależności od proporcji między tym co odpływa w przestrzeń, a tym co zostaje na białym karle ustala się skala czasowa wzrostu masy białego karła.

Białe karły to są takie ciekawe obiekty, które nie mogą mieć dowolnie dużej masy – o tym decydują efekty kwantowe. Tak na marginesie za zbadanie tych efektów przyznano nagrodę Nobla Subrahmanyanowi Chandrasekharowi, amerykańskiemu astrofizykowi hinduskiego pochodzenia. Otóż kiedy krytyczna masa zostaje przekroczona, biały karzeł próbuje się zapaść. Ale ponieważ nie składa się z żelaza, lecz z pierwiastków, które mogą posłużyć jako paliwo jądrowe, to zamiast powtórzyć to, co dzieje się z rdzeniem supernowej typu II, kurczy się tylko trochę, przy czym rozgrzewa się do tego stopnia, że reakcje syntezy jądrowej stają się możliwe. Raz zainicjowane, przebiegają niesłychanie gwałtownie i w bardzo krótkim czasie cała gwiazda zostaje rozerwana. To jest właśnie wybuch supernowej typu 1a. W każdym wybuchu supernowej typu 1a zostaje wyzwolona prawie taka sama ilość energii, z tego powodu, że jest ściśle wyliczona masa – masa Chandrasekhara. Po przekroczeniu tej masy – nawet niedużym – dochodzi do wybuchu. Mówiąc
obrazowo: eksplodują jednakowe bomby z taką samą ilością ładunku wybuchowego. Właśnie dlatego obiekty te mogą służyć jako "wzorcowe żarówki" do wyznaczania odległości.

Jeszcze w pierwszej połowie lat 90. odkrywano od kilkunastu do kilkudziesięciu supernowych w ciągu roku. Obecnie działają wyspecjalizowane zespoły obserwatorów i liczba odkryć zbliża się do 400 rocznie. Oczywiście nie w naszej Galaktyce. Głównie w odległych rejonach wszechświata. W naszej Galaktyce w ciągu stu lat wybucha od jednej do dwóch supernowych typu II i mniej więcej tyle samo supernowych typu 1a.

Niestety nie. To są nieprzewidywalne procesy, nawet kiedy mamy stosunkowo dokładnie obserwowany obiekt taki jak gwiazda RS Ophiuchi. Nie potrafimy powiedzieć, kiedy dojdzie do następnego wybuchu, ani czy będzie on kolejnym "zwykłym" wybuchem, czy też ostatecznym wybuchem supernowej. Podobnie nie możemy przewidzieć, jaka będzie pogoda za tydzień, chociaż mamy dużo więcej informacji.

Z prof. Michałem Różyczką rozmawiał Adam Przegaliński, Wirtualna Polska