Wieczór 21 stycznia 2014 r. dla Steve’a Fosseya, wykładowcy astronomii na University College of London, zapowiadał się całkiem zwyczajnie. Wraz z grupą studentów miał obserwować galaktykę M82, położoną w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy w odległości 11,4 mln lat świetlnych od Ziemi. Gdy jednak teleskop pokazał obiekt, doświadczony astronom natychmiast zrozumiał, że widzi coś dziwnego. Na skraju M82 pojawiła się gwiazda, której tam wcześniej nie było. Studenci sprawdzili, czy teleskop jest sprawny, i upewnili się, że tajemniczy obiekt to nie asteroida. Fossey mógł przekazać kolegom z całego świata sensacyjną wiadomość: mamy supernową! Światek astronomów oszalał. Ostatni raz tak jasna i dobrze widoczna eksplodująca gwiazda pojawiła się na niebie w 1987 r. – w Wielkim Obłoku Magellana, czyli galaktyce karłowatej, okrążającej naszą Drogę Mleczną.
Nagła śmierć olbrzyma
Gwiazdy rodzą się, rozwijają i umierają na różne sposoby. Supernowa to wyjątkowo spektakularny sposób na zakończenie życia, dotyczący bardzo masywnych gwiazd. Takie olbrzymy żyją bardzo krótko, przynajmniej w kosmicznej skali. Gwiazda 20-krotnie cięższa od naszego Słońca już po ok. 10 mln lat zaczyna się kurczyć, czemu towarzyszy wzrost temperatury jej wnętrza. Gdy przetworzy większość swego termojądrowego paliwa – czyli lekkich pierwiastków, takich jak wodór i hel – staje się bardzo ciężka, a wówczas jej potężne pole grawitacyjne sprawia, że dochodzi do kolapsu. „W ułamku sekundy zapada się całe jądro gwiazdy. Gdy materia w nim zawarta osiąga taką gęstość, jaką ma jądro atomowe, kolaps ulega nagłemu zatrzymaniu i powstaje rozchodząca się na zewnątrz fala uderzeniowa rozrywająca gwiazdę. Eksplozję dodatkowo wzmagają emitowane przez supernową neutrina, przenoszące 99 proc. wyzwolonej w czasie tego procesu energii. Ze środka umierającej gwiazdy zostaje wyrzucona z ogromną prędkością, rzędu 3,6 mln km/godz., jej sprasowana pozostałość – gwiazda neutronowa lub czarna dziura. Reszta materii, czyli na ogół większa część tego, co tworzyło gwiazdę, zostaje rozrzucona w przestrzeni międzygwiezdnej” – wyjaśnia dr hab. Andrzej Odrzywołek z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego.
Inna droga do powstania supernowej polega na podkradaniu materii. Dochodzi do tego w układach po dwójnych gwiazd, z których jedna jest cięższa od drugiej. Szybciej wyczerpuje paliwo jądrowe i zmienia się w tzw. białego karła (bardzo gęste, „wypalone” gwiezdne jądro, mające wielkość Ziemi), a potem zaczyna wysysać gaz ze swojego towarzysza. Kiedy ukradnie wystarczająco dużo paliwa, rozpoczyna się gwałtowna reakcja termojądrowa i biały karzeł ginie w eksplozji. Tego typu supernową jest ta odkryta w styczniu przez Fosseya.
„Jest też hipoteza alternatywna, która zakłada, że dwa białe karły zderzają się. Dochodzi wówczas do termojądrowego spalenia całej gwiazdy, z której nie pozostaje nic poza rozszerzającą się mgławicą” – mówi dr Odrzywołek.
Kilkadziesiąt tysięcy lat po eksplozji ślad po nich znika, dlatego astronomowie odnaleźli dotąd zaledwie kilkaset takich pozostałości po supernowych. Każda z nich jest wnikliwie badana.
Gwałtowny koniec
Gdy jądro gwiazdy staje się zbyt gęste, siła grawitacji przeważa nad ciśnieniem wytwarzanym przez reakcje termojądrowe i zaczyna się kolaps. Temperatura jądra rośnie do kilku miliardów stopni, a zapadanie się ulega gwałtownemu przyspieszeniu (jądro supernowej zaobserwowanej w 1987 r. potrzebowało ledwie kilkudziesięciu sekund, by z obiektu wielkości Słońca zamienić się w bryłę średnicy kilkudziesięciu kilometrów).
Jesteśmy popiołem gwiazd
Nie jest to spowodowane wyłącznie naukową ciekawością. Od dawna wiadomo, że eksplozje supernowych pozostawiają ślady na Ziemi. My sami jesteśmy zbudowani z resztek gwiazd, które tak właśnie skończyły swój kosmiczny żywot. Po Wielkim Wybuchu w kosmosie były tylko najlżejsze pierwiastki: wodór, hel i lit. Cała reszta – węgiel, azot, tlen, żelazo, wapń itd. – to produkt reakcji termojądrowych, które zachodziły w gwiazdach. Powstaliśmy dzięki jakiejś supernowej: miliardy lat temu rozsiała te pierwiastki w przestrzeni, w której potem powstał Układ Słoneczny.
Jednak supernowe mają też swą mroczną stronę. W czasie ich eksplozji powstaje bardzo intensywny rozbłysk promieniowania gamma. Gdyby coś takiego wydarzyło się niedaleko Ziemi, moglibyśmy mieć kłopoty. Napromieniowanie atmosfery może zmienić jej skład, m.in. zwiększając poziom tlenku azotu i niszcząc ochronną warstwę ozonową. Kilka lat temu duńscy naukowcy Henrik Svensmąrk i Egil Friis-Chistensen stwierdzili, że może wówczas dojść także do głębokich zmian klimatu. Ich zdaniem promieniowanie kosmiczne, powstające-np. podczas wybuchu supernowych, dociera do naszej planety większe zachmurzenie. Hipoteza ta nadal nie została jednak rzetelnie potwierdzona.
Gdyby supernowa wybuchła w odległości kilkunastu lat świetlnych od Ziemi, groziłaby nam totalna zagłada. W połowie XX wieku niemiecki paleontolog Otto Schindewolf podejrzewał, że przyczyną wielkiego wymierania morskich stworzeń pod koniec paleozoiku (ok. 250 mln lat temu) mogła być taka właśnie eksplozja. Z kolei prof. Juan Cdlar z University of South Carolina wysunął teorię, że co 100 mln lat w odległości ok. 20 lat świetlnych od nas eksploduje jakaś supernowa. Jedna z nich miałaby odpowiadać za wyginięcie dinozaurów.
Jasna jak księżyc w pełni
Supernowe obserwowano z Ziemi od niepamiętnych czasów. 11 tys. lat temu w gwiazdozbiorze Żagla rozbłysła supernowa, której blask mógł dorównywać Księżycowi w pełni. Z tamtych czasów nie zachowały się żadne zapiski – ludzkość dopiero wychodziła z epoki łowiecko-zbierackiej – ale astronomowie odtworzyli przebieg wydarzeń, badając mgławicę GumaT która jest pozostałością po eksplozji gwiazdy.
Wzmianki o obserwacji supernowych znajdują się w starożytnych chińskich kronikach. Przykład – w roku 185 n.e. doszło do wybuchu w gwiazdozbiorze Centaura, a jasny obiekt był tam widoczny przez 20 miesięcy. Bardziej precyzyjne opisy pojawiają się w średniowieczu. 30 kwietnia 1006 r. Chińczycy odnotowali pojawienie Się nowej gwiazdy w gwiazdozbiorze Wilka. Zauważyli ją także uczeni arabscy, była to bowiem supernowa 200 razy jaśniejsza od Wenus. Wisiała na niebie przez trzy lata i w początkowym okresie jej światło było tak intensywne że sprawiało, iż różne obiekty rzucały cień na powierzchnię Ziemi.
Chyba najsłynniejszym gwiezdnym spektaklem z udziałem supernowej był ten z 4 lipca 1054 r. Jego sceną był gwiazdozbiór Byka. Blask gwiazdy widoczny był przez 23 dni, nocami przez prawie przez dwa lata. Pozostałością tego wydarzenia jest Mgławica Krab, nazwana tak przez lorda Rossego, który w 1844 r. obserwował ów „kłębek mgły” z użyciem dużego teleskopu. Później powiązano mgławicę z supernową, która wybuchła w średniowieczu i znalazła się w arabskich zapiskach.
W 1181 r. astronomowie na Dalekim Wschodzie zanotowali kolejny wybuch. Supernową, w gwiazdozbiorze Kasjopei można było obserwować przez ponad pół roku. Była widóczna na półkuli północnej, ale w Europie nikt jej nie zauważył. Dopiero w 1572 r. swoją supernową, jaśniejszą niż Wenus, wypatrzył Tycho Brahe. Ponieważ w momencie odkrycia duński astronom nie był przesadnie trzeźwy, musiał potwierdzić swe spostrzeżenia u innych świadków… To, co widział, opisał w dziele „De Nova Stella” (O nowej gwieździe), a supernową obserwował jeszcze przez wiele nocy, sporządzając notatki. Dzieło Brahego w pewnym sensie stanowiło koniec greckiej wizji astronomii, opartej na założeniu niezmienności i doskonałej stałości niebios.
Na razie nie grozi nam los dinozaurów – w naszym najbliższym kosmicznym Sąsiedztwie kandydatek na supernowe nie widać. Nieco dalej znajdują się dwie gwiazdy, które mają szansę eksplodować.
Niestabilny olbrzym
Pierwsza z nich to Eta Carinae, znajdująca się w gwiazdozbiorze Kila ok. 8,8 tys. lat świetlnych od nas. Jest bardzo niestabilna – od jej odkrycia w 1677 r. zmieniała jasność w cyklach liczących po kilkadziesiąt lat. Gdyby tą gwiazdą zastąpić nasze Słońce, sięgałaby orbity Jowisza. Druga kandydatka na supernową jest jeszcze większa. Betelgeza, czerwony nadolbrzym z konstelacji Oriona, w naszym układzie planetarnym kończyłaby się w okolicy orbity Saturna. Leży bliżej nas, bo w odległości „tylko” 400 lat świetlnych, ale nawet jeśli eksploduje niedługo, nie powinna nam zaszkodzić.
Supernowa krok po kroku
Bardzo masywne gwiazdy pod koniec swego życia eksplodują, emitując przy tym gigantyczne ilości energii i zwiększając gwałtownie swą jasność. W ciągu 10 sekund supernowa uwalnia stukrotnie więcej energii, niż nasze Słońce wyemituje podczas całego swego istnienia!
W naszej Galaktyce taka eksplozja, choć zdarza się średnio raz na 50 lat, nie była bezpośrednio obserwowana od ponad 400 lat. Astronomom pozostaje badanie pozostałości po supernowych w Drodze Mlecznej.
- Nadolbrzym – Gwiazda o masie od 10 do 50 razy większej niż Słońce może mieć średnicę aż 1500 razy większą niż ono. Takie nadolbrzymy kończą swój cykl życiowy po zaledwie 10-50 mln lat. Reakcje termojądrowe przebiegają bardzo szybko – lekkie pierwiastki zamieniają się w ciężkie, co sprawia, że gwiazda staje się coraz gęstsza i ma coraz silniejsze pole grawitacyjne
-
Jądro gwiazdy – Składa się z warstw zawierających najcięższe pierwiastki, powstające w czasie reakcji termojądrowych: kobalt, nikiel i żelazo.
-
Eksplozja – Po osiągnięciu gęstości takiej, jaką ma jądro atomowe, proces zapadania się gwiazdy ulega gwałtownemu zatrzymaniu, co prowadzi do eksplozji. To w jej trakcie powstają pierwiastki cięższe niż żelazo, takie jak złoto czy uran. Sprasowane resztki jądra gwiazdy zamieniają się – zależnie od jej masy – w gwiazdę neutronową albo w czarną dziurę.
-
Rozbłysk – W czasie eksplozji materia wyrzucona w przestrzeń porusza się z ogromną szybkością, ok. 108 mln km/godz. (czyli ok. 10 proc. prędkości światła). Towarzyszy temu emisja gigantycznych ilości energii, przede wszystkim w postaci neutrin. Tylko niewielka jej część jest zamieniana w światło widzialne, a mimo to supernowa potrafi przyćmić swym blaskiem całą galaktykę.
-
Świecące włókna – Fala uderzeniowa wytworzona przez supernową przechodzi przez materię międzygwiezdną, pobudzając ją do świecenia.
-
Mgławica – Wybuch supernowej wyrzuca gwiezdną materię w przestrzeń, tworząc spektakularną mgławicę. Nie są to jednak struktury trwałe, ponieważ dość szybko rozpraszają się i ochładzają. Przykładem może być Mgławica Krab – pozostałość po eksplozji supernowej z 1054 r. Podziałała ona na wyobraźnię twórców serialu animowanego „Załoga G”. To właśnie na jej obszarze miał mieć swą bazę Zoltar, główny czarny charakter tej produkcji z lat 70. XX w. W rzeczywistości w centrum mgławicy znajduje się pulsar – gwiazda neutronowa emitująca regularne impulsy promieniowania elektromagnetycznego.
Kosmiczny powrót
Po ponad 30 latach od premiery „Kosmosu: Prywatnej podróży” – niezwykłego, kultowego serialu Carla Sagana o naukowym badaniu wszechświata – doczekaliśmy się jego kontynuacji. Od 16 marca na antenie National Geographic Channel emitowana jest nowa, 13-odcinkowa seria zatytułowana po prostu „KOSMOS”. Jej gospodarzem jest słynny amerykański astrofizyk, pisarz i popularyzator nauki – Neil deGrasse Tyson. Nowy serial stanowi opowieść o tym, jak człowiek odkrywał prawa natury i odnajdywał swoje współrzędne w czasie i przestrzeni. Dzięki nowym technikom narracji naukowej przeniesiemy się w nowe zakątki wszechświata i zobaczymy szerszą wizję kosmosu. Najpoważniejsze koncepcje naukowe zostaną przełożone na niezwykle prosty język, a w opowieści znajdzie się miejsce i na sceptycyzm, i na wiarę w cuda.
Więcej: www.natgeotv.com/pl
DLA GŁODNYCH WIEDZY:
- Więcej o powstawaniu gwiazd supernowych – http://bit.ly/snove
- Film dokumentalny o „kosmicznych zabójcach” – http://youtu.be/wYZkkWvyAq01