Ένα αρχέγονο γιγάντιο άστρο που ξέχασε ο χρόνος

Στις αρχές Απριλίου, μια έρευνα του ουρανού για την παρατήρηση μακρινών υπερκαινοφανών εκρήξεων – στα πλαίσια του προγράμματος Nearby Supernova Factory – εντόπισε ένα μακρινό φως με τη βοήθεια του Παρατηρητηρίου Palomar. 

Μηνύματα από ένα ξεχασμένο προ πολλού σύμπαν

Αμέσως οι υπολογιστές του πρότζεκτ διαβίβασαν τις εικόνες σε ένα διακομιστή δεδομένων για να γίνει η ανάλυση τους. Η ίδια ιστορία γίνεται πολλές φορές κάθε χρόνο, όταν ένα πολύ μακρινό αστέρι που βρίσκεται στο τέλος του εκρήγνυται πάνω στο νυχτερινό ουρανό, προτού το φως του χαθεί για πάντα.

Παράξενο σουπερνόβα

Όμως εκείνη τη φορά το φως αυτό δεν εξαφανίστηκε. Γινόταν ολοένα πιο φωτεινό και τότε όταν το αντιλήφθηκαν τα ανθρώπινα μάτια σήμανε συναγερμός.

Το σουπερνόβα κατέληξε να αποκτήσει τη μέγιστη φωτεινότητα του μετά από 77 ημέρες. Μετά από 200 ημέρες – ένας χρόνος που τα περισσότερα σουπερνόβα έχουν ήδη συρρικνωθεί και χαθεί πίσω στο σκοτάδι – και ακόμα το άστρο έλαμπε έντονα. Μόνο τον Οκτώβριο του 2008 με μια καθυστέρηση άνευ προηγουμένου, 555 ημέρες μετά την πρώτη επισήμανση του, είχε ξεθωριάσει τόσο που οι κυνηγοί των σουπερνόβα σταμάτησαν τις παρατηρήσεις τους.

Η ερμηνεία του χρειάστηκε ακόμα περισσότερο χρόνο. Το γεγονός SN 2007bi, όπως ονομάστηκε, ήταν μία από τις πιο ακραίες εκρήξεις που έχουν καταγραφεί ποτέ, γι αυτό δεν υπήρχε καμία αμφιβολία. Ήταν τόσο έντονη που δεν ταίριαζε σε οποιοδήποτε γνωστό μοντέλο για το πως πεθαίνουν τα κανονικό αστέρια. Στη συνέχεια, όμως, γρήγορα έγινε σαφές ότι, στη ζωή όπως και στο θάνατο, αυτό δεν είχε γίνει ποτέ ένα κανονικό αστέρι.

Αν η ερμηνεία για το τι παρουσιάστηκε εκείνη τη νύχτα του Απριλίου 2007 είναι σωστή, τότε πρόκειται για ένα αστέρι που δεν θα έπρεπε να υπήρχε, σε ένα χώρο όπου ποτέ δεν θα έπρεπε να υπάρξει. Ήταν ένα ασύλληπτο για το μυαλό μας τεράστιο άστρο που ήταν ανήκε σε ένα σύμπαν που έχει προ πολλού περάσει. Ήταν ένα αστέρι που ξέχασε ο χρόνος.
Ενδείξεις για βαριά στοιχεία

Η εικόνα αυτή για το άστρο άρχισε να αναδύεται στο μυαλό των αστρονόμων, μετά από πολλούς μήνες παρακολούθησης της τελευταίας λάμψης του σουπερνόβα με το τηλεσκόπιο Samuel Oschin, ένα τηλεσκόπιο ηλικίας 61 ετών στην κορυφή του όρους Palomar.

Αυτό το λυκόφως τροφοδοτείται από τη διάσπαση των βαρέων ραδιενεργών στοιχείων, που παράγονται από την ανεξέλεγκτη λειτουργία των διαδικασιών της πυρηνικής σύντηξης, και οι οποίες συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της αρχικής έκρηξης. Η κρίσιμη διαδικασία είναι η διάσπαση του ραδιενεργού νικέλιου, το οποίο μετατρέπεται γρήγορα σε κοβάλτιο, που με τη σειρά του διασπάται σε σίδηρο, και εκπέμπονται ακτίνες γάμμα, καθώς γίνεται η μετατροπή. Η φωτεινότητα και η επιμονή της ύστερης λάμψης μας αποκαλύπτουν πόσα από αυτά τα στοιχεία παράγει το σουπερνόβα.

Η σύνδεση αυτών των παρατηρήσεων με τα μοντέλα των συμβατικών σουπερνόβα, έφερε ένα αναπάντεχο συμπέρασμα. Για να διατηρήσετε τόσο λαμπερή τη σουπερνόβα για τόσο καιρό, η έκρηξη πρέπει να είχε παράγει 10-πλάσιο ραδιενεργό νικέλιο από ότι μπορεί να συγκεντρώσει ένα κανονικό σουπερνόβα – μια διαφορά τόσο μεγάλη που χρειάζεται εξηγήσεις.
Μια ξεχασμένη υπόθεση

Μια άποψη για το τι συνέβαινε στην ξεχωριστή αυτή σουπερνόβα είχε δημοσιευτεί, αλλά και ξεχαστεί, σε κάποια περιοδικά πριν από 40 χρόνια. Στον πυρήνα κάθε μεγάλου άστρου, η προς τα έξω πίεση των φωτονίων που δημιουργήθηκαν στις αντιδράσεις της πυρηνικής σύντηξης αναμετριέται με το βάρος του υλικού εξισορροπώντας την, εμποδίζοντας έτσι το αστέρι να καταρρεύσει στον εαυτό του. Μερικές φορές, σε μεγάλης μάζας αστέρια, πολλαπλάσια του μεγέθους του ήλιου, η δύναμη της βαρύτητας μπορεί να ξεπεράσει τελικά την πίεση των φωτονίων, ξεκινώντας το φαινόμενο της κατάρρευσης του πυρήνα, ή της σουπερνόβα τύπου ΙΙ. Αυτός ο τύπος είναι ένας από τους δύο κοινούς τύπους σουπερνόβα. Ο άλλος, που ονομάζεται τύπου Ia, εμφανίζεται όταν ένα νεκρό λευκό νάνο άστρο αυξάνει τη μάζα του έλκοντας την από ένα άλλο γειτονικό του άστρο, όμως αυτή η αύξηση είναι ασταθής και τελικά γίνεται αιτία ανάφλεξης του λευκού νάνου σε μια τελική πυρωμένη βολίδα. (κτυπήστε πάνω στην εικόνα για μεγέθυνση)



Στην παλαιά ανακοίνωση οι αστρονόμοι σκέφτηκαν τι θα μπορούσε να συμβεί για να αναγκάσει ένα πραγματικά γιγαντιαίο αστέρι – μεγαλύτερο από 200 ήλιους περίπου – να γίνει σουπερνόβα; Όπως λοιπόν υπολόγισαν, ο πυρήνας του άστρου θα μπορούσε τελικά να γίνει πολύ καυτός κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σύντηξης, έτσι ώστε τα φωτόνια θα αρχίσουν να μετατρέπονται αυτόματα σε ζεύγη σωματιδίων: ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Το γεγονός αυτό θα στερούσε από το αστέρι κάποια από την πίεση των φωτονίων που απαιτείται για την υποστήριξη των εξωτερικών στρωμάτων του, με αποτέλεσμα να καταρρεύσει από μόνο του σε μια γιγάντια σουπερνόβα που θα τίναζε κυριολεκτικά το αστέρι στο διάστημα. Η τελική τιτάνια έκρηξη θα μπορούσε να δημιουργήσει τεράστιες ποσότητες βαρέων ραδιενεργών στοιχείων, κατά πολύ περισσότερες από ό,τι ένα συμβατικό σουπερνόβα μπορεί να παράγει. Οι αστρονόμοι ονόμασαν ένα «ζεύγος-αστάθεια" σουπερνόβα.

Ένα παρείσακτο ζευγάρι

Αλλά καμιά γνωστή έκρηξη σουπερνόβα δεν εκπλήρωνε μέχρι τότε αυτή την περιγραφή, και γι αυτό η ιδέα έμεινε στην άκρη από τους θεωρητικούς. Μέχρι που ο Avishay Gal-Yam, ένας αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Weizmann του Ισραήλ, και οι συνεργάτες του, άρχισαν να εξετάζουν την σουπερνόβα SN 2007bi. Όσο περισσότερο σύγκριναν τα δεδομένα σε σχέση με διάφορα μοντέλα σουπερνόβα, τόσο περισσότερο πείθονταν ότι το μοντέλο του ασταθούς ζεύγους ήταν η απάντηση στο αίνιγμα της τιτάνιας έκρηξης.

"Μόνο ένα ασταθές ζευγάρι μπορεί να παράγει τόσο πολύ ραδιενεργό νικέλιο," λέει ο Gal-Yam. Με αυτό το μοντέλο μπορούσαν να υπολογίσουν ακόμα και πόσο μεγάλα ήταν τα άστρα της έκρηξης: 300 φορές τη μάζα του ήλιου.

Το πρόβλημα λύθηκε; Δεν είναι και λίγο αυτό. Μόνο που η διαπίστωση αυτή ήρθε με μια υποσημείωση: σύμφωνα με όλες τις θεωρίες μας και όλες τις παρατηρήσεις μας, τα μεγάλα αυτά αστέρια απλά δεν πρέπει να υπάρχουν.

Τουλάχιστον, δεν θα πρέπει να υπάρχουν στο γνωστό σύμπαν που βλέπουμε γύρω μας σήμερα. Στις δεκαετίες που πέρασαν μετά τη γέννηση του μοντέλου της αστάθειας του ζεύγους, η θεωρία και ορισμένες παρατηρήσεις του ουρανού συνέτειναν στο να αποδειχθεί ότι η σύνθεση του γνωστού μας σύμπαντος εμποδίζει τα άστρα να αποκτήσουν τόσο μεγάλα μεγέθη. Η παρουσία τόσο σημαντικών ποσοτήτων από μέταλλα – στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο – αναγκάζει τα νέφη των αερίων να καταρρεύσουν πολύ γρήγορα σε αστέρια "τσέπης". Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα περισσότερα αστέρια σήμερα περιέχουν μικρότερη μάζα από τον Ήλιο μας. Το απόλυτο ανώτατο όριο για ένα σύγχρονο αστέρι, από τη θεωρία και τις παρατηρήσεις του Γαλαξία μας συμφωνούμε ότι είναι περίπου οι 150 ηλιακές μάζες. Ένα τέρας 300 ηλιακών μαζών είναι ασφαλώς ένας παρείσακτος σε αυτή την πάγια σκηνή.

Τα πράγματα όμως ήταν διαφορετικά, στις αρχές των κοσμικών μας χρόνων, περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τότε, τα άστρα γίγαντες κυβερνούσαν τον χώρο. Μόνο το υδρογόνο, το ήλιο και ίχνη από λίθιο επέπλεαν σαν νέφη γύρω στο σύμπαν, ενώ πολύ μεγαλύτερες ποσότητες από τα στοιχεία αυτά έπρεπε να συσσωρεύονται προτού καταρρεύσουν κάτω από τη δύναμη της βαρύτητας για να σχηματίσουν ένα αστέρι. Σαν αποτέλεσμα αυτής του τεράστιου πλεονάσματος των ελαφρών στοιχείων, τα πρώτα αστέρια στο σύμπαν ήταν τεράστια, μέχρι και αρκετές εκατοντάδες ηλιακές μάζες.

Κατάλοιπα του αρχέγονου σύμπαντος

Υπήρχαν προτού οι γαλαξίες μπορούσαν να σχηματιστούν, ενώ τα αστέρια αυτά έζησαν μια σύντομη, άγρια ζωή μόλις μερικά εκατομμύρια χρόνια, δεδομένου ότι έκαψαν με άγριο ρυθμό τα τεράστια αποθέματα του υδρογόνου. Αλλά ακόμα και ο βίαιος θάνατος τους είχε τεράστια σημασία. Όπως μας λέει η θεωρία, σε αυτές οι εκρήξεις συντήχθηκαν για πρώτη φορά το υδρογόνο το ήλιο και το λίθιο σε βαρύτερα στοιχεία. Έδωσαν τις πρώτες ύλες για το σύμπαν που βλέπουμε σήμερα: τους γαλαξίες του, τα αστέρια του, τους πλανήτες και, σε μία τουλάχιστον ασήμαντη γωνιά, τη ζωή.

Βεβαίως κανείς δεν έχει δει ποτέ αυτούς τους κοσμικούς γίγαντες άμεσα. Θα θέλαμε να τα δούμε, έστω και μόνο για να επιβεβαιώσουμε τους λόγους για την παρουσία μας εδώ Δυστυχώς, δεν μπορούμε. Αυξάνοντας το μεταλλικό περιεχόμενο του σύμπαντος, καθώς έχασαν τη ζωή τους, κατέστρεψαν τις ιδιαίτερες συνθήκες που τα δημιουργούσαν. Εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μόνο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, τα επίπεδα των μετάλλων ήταν τόσο υψηλά που τέτοια αστέρια που τα γέννησαν δεν θα μπορούσαν ποτέ να φτιαχτούν. Άμεσες αποδείξεις για την ύπαρξη των μέγα-άστρων βρίσκονται πολύ πέρα από τον ορίζοντα ακόμη και του πιο ισχυρού μας τηλεσκόπιου.

Ή μήπως υπάρχουνε;

Αν η σουπερνόβα SN 2007bi είναι αυτό που φαίνεται να είναι, θα μπορούσαμε να έχουμε βρει ένα "παραθυράκι" που μας επιτρέπει να κατασκοπεύσουμε το πρώτο μέγα-άστρο ή κάτι πολύ παρόμοιο. Παρά τις αντιξοότητες, αυτά οι κοσμικοί πρωτοπόροι μπορεί να έχουν ζήσει μέχρι τις μέρες μας. Αλλά πώς;
Σε νάνους γαλαξίες

Το μυστικό βρίσκεται στο πού βρισκόταν αυτή η σουπερνόβα: σε ένα κατά τα άλλα λιτό νάνο γαλαξία περίπου 1,6 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη. Οι νάνοι γαλαξίες, όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, είναι μικροσκοπικές δομές που δεν μπόρεσαν ποτέ να φθάσουν σε πλήρες μέγεθος. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ένας πλήρως διαμορφωμένος γαλαξίας, όπως ο δικός μας Γαλαξίας περιέχει πολλές εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια, ένας νάνος γαλαξίας μπορεί να έχει όσο το δυνατόν λιγότερα, μόλις δύο εκατομμύρια.

Παρατηρήσεις του μακρινού σύμπαντος δείχνουν ότι οι νάνοι γαλαξίες κάποτε ήταν πολύ πιο διαδεδομένοι. "Γνωρίζουμε ότι οι πρώτοι γαλαξίες ήταν νάνοι," λέει ο Nils Bergvall του Παρατηρητηρίου Ουψάλα στη Σουηδία. Η άποψη που επικρατεί είναι ότι αυτά ήταν τα βασικά τμήματα που δημιουργήθηκαν για να σχηματίσουν τους πολύ μεγαλύτερους γαλαξίες του σήμερα.

Γνωρίζουμε, επίσης, ότι οι γαλαξίες νάνοι, ακόμη και εκείνοι που είναι σχετικά κοντά μας και τους οποίους μπορούμε να δούμε όπως ήταν στην συγκριτικά πρόσφατη κοσμική ιστορία, περιέχουν μόλις 5 με 10 τοις εκατό των μετάλλων που έχει ο ήλιος μας – δηλαδή αισθητά μικρότερο από το 1% της συνολικής μάζας τους. Οι πρώτοι γαλαξίες νάνοι μπορεί να είχαν ακόμα λιγότερο.

Ήδη πλησιάζουμε αργά – αργά προς το τέλος της ιστορίας μας για να γίνει κατανοητή η περίπτωση που εξετάζουμε: ότι οι πιο μικροσκοπικοί νάνοι γαλαξίες θα μπορούσαν να είναι παρθένα κομμάτια από το πολύ πρώιμο σύμπαν, διατηρώντας τη σύνθεσή τους και τις συνθήκες ενός σύμπαντος που έχει προ πολλού αποχωρήσει. Ο βαθμός διατήρησής τους θα μπορούσε να είναι το αποτέλεσμα της μεγάλης νανοποίησης τους: επειδή η βαρύτητα στο εσωτερικό τους είναι πιο αδύναμη από ό,τι σε ένα κανονικό γαλαξία, μια σουπερνόβα έκρηξη μέσα σε αυτόν τον γαλαξία θα πετούσε τα πλούσια σε μέταλλα προϊόντα προς τα έξω με τέτοια ταχύτητα που συνήθως διαφεύγουν εντελώς.

Εάν οι αρχικές συνθήκες του σύμπαντος διατηρούνται σε αυτούς τους νάνους γαλαξίες, δεν θα υπήρχε κανένας λόγος γιατί να μην σχηματίζονται κι άλλα μέγα-άστρα συνεχώς και να πεθάνουν μέσα σε αυτούς κατά τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου. Αν είναι η απουσία των μετάλλων που καθορίζει το αστρικό μέγεθος, τότε τα τερατώδη άστρα δεν θα περιορίζονται στα πλέον μακρινά όρια του σύμπαντος: θα μπορούσαν να βρεθούν σε κάθε νάνο γαλαξία με αρκετά χαμηλή περιεκτικότητα σε μέταλλα, καθώς επίσης και στα όρια που παρατηρούν σήμερα τα τηλεσκόπια μας. Είναι μια λογική που η αναγνώριση του SN 2007bi φαίνεται τώρα να υποστηρίζει με τον πιο θεαματικό τρόπο.

Η ανακάλυψη ενός γειτονικού πληθυσμού από μέγα-άστρα θα έχει τεράστιες επιπτώσεις για την αστρική επιστήμη. Δεν κατανοούμε τις διαδικασίες σχηματισμού των άστρων και τον θάνατο τους, όσο θα θέλαμε να πιστεύουμε. "Είναι εκπληκτικά δύσκολο να κάνουμε τα μοντέλα να συμφωνήσει με τις παρατηρήσεις”, διευκρινίζει ο αστροφυσικός Gal-Yam. Αναφέρει σχετικά το παράδειγμα του χρυσού, η αφθονία του οποίου στο σύμπαν ουσιαστικά δεν εξηγείται. αν και οι περισσότεροι αστρονόμοι υποθέτουν ότι πρέπει με κάποιο τρόπο να γίνεται σε σουπερνόβα. Για να βρούνε λοιπόν κάποιες απαντήσεις, ίσως χρειαστεί να μην ψάχνουν μακριά αλλά σε κάποιους κοντινούς νάνους γαλαξίες.

Αλλά περιμένετε ένα λεπτό. Εάν τούτα τα τεράστια ζωντανά απολιθώματα ήταν πάντα κοντά στο κοσμικό κατώφλι μας, πώς και δεν τα έχουμε δει μέχρι τώρα; Άστρα τόσο μεγάλα σίγουρα θα είναι δύσκολο να τα παραβλέψει κανείς, είτε κατά τη διάρκεια της θυελλώδους ζωής τους είτε στον θεαματικό θάνατο τους. Ωστόσο, εκτός από μία ιδιότροπη φωτεινή σουπερνόβα, το 1999, ποτέ δεν έχουμε δει κάτι που να μοιάζει με το SN 2007bi.

Η εξήγηση για αυτή την απουσία παρατήρησης τέτοιων σουπερνόβα, πιστεύει ο Alexei Filippenko από το Μπέρκλεϋ, είναι ότι έχουμε ψάξει σε λάθος μέρη. «Ο χρόνος στα τηλεσκόπια είναι πολύτιμος, και σε έναν αξιολύπητο νάνο γαλαξία δεν υπάρχουν πολλά αστέρια, έτσι δεν υπάρχουν και πολλές ευκαιρίες να βρούμε ένα σουπερνόβα», λέει. Οι αστρονόμοι έχουν εστιάσει την προσοχή τους στους μεγάλους γαλαξίες που είναι εφοδιασμένο με πολλά πολλά αστέρια.
Κοπιαστική ματιά

Βέβαια αυτό αλλάζει τώρα με τις γρήγορες ρομποτικές αναζητήσεις στον ουρανό, όπως το Palomar Transient Factory που βασίζεται στο παρατηρητήριο που πρώτο εντόπισε το SN 2007bi. Τα πρότζεκτ αυτά δεν πήραν καμία απόφαση σχετικά με το πού είναι καλύτερα να κοιτάξουμε. Απλώς αυτά κρατούν τα ηλεκτρονικά μάτια τους ανοικτά για κάτι που μεταβάλλεται στον ουρανό. Αυτή η νέα στρατηγική ήδη αποδίδει καρπούς.

"Παρακολουθούμε τώρα μια σειρά από σουπερνόβες που ίσως αποδειχθούν ότι είναι σουπερνόβες ασταθούς ζεύγους. Αλλά θέλουμε να είμαστε απολύτως σίγουροι πριν σας το ανακοινώνουμε», λέει ο Filippenko.

Οι άμεσες παρατηρήσεις για να βρούμε τα κρυμμένα μέγα-άστρα εκεί έξω είναι πολύπλοκες. Τα γιγάντια άστρα με τεράστια αποθέματα από υδρογόνο και ήλιο θα είναι τόσο καυτά που το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας τους θα πρέπει να εκπέμπεται στο υπεριώδες φως, το οποίο απορροφάται από την ατμόσφαιρα της Γης προτού φτάσει στα επίγεια τηλεσκόπια. "Χωρίς να βλέπουμε το υπεριώδες φως, αυτά τα αστέρια θα είναι κρυμμένα και θα μοιάζουν με αστέρια με την συνήθη μάζα", συμπληρώνει ο Gal-Yam.

Επειδή οι αστρονόμοι παραδοσιακά πιστεύουν ότι υπάρχει μικρό ενδιαφέρον να δούμε στα υπεριώδη μήκη κύματος, δεν υπάρχουν γενικού σκοπού διαστημικά τηλεσκόπια υπεριώδους ακτινοβολίας, αναφέρει. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble μπορεί να δει σε αυτά τα μήκη κύματος, αλλά για να χαρτογραφήσει τους σχετικά κοντινούς μας νάνους γαλαξίες θα χρειαστεί χιλιάδες ώρες παρατήρησης. Γι αυτό και ο Gal-Yam έχει υποβάλει μόνο μία πρόταση για αυτή την παρακολούθηση, αλλά δυστυχώς ανταγωνίζεται περίπου 40 άλλα σχέδια.

Το Hubble έχει επισκευαστεί για τελευταία φορά πέρυσι, και η προσοχή των ερευνητών είναι τώρα στον αντικαταστάτη του, το τηλεσκόπιο James Webb της NASA, το οποίο έχει προγραμματιστεί για να πετάξει το 2014. Αλλά αυτό το τηλεσκόπιο δεν έχει καμία δυνατότητα να παρατηρεί στην περιοχή της υπεριώδους ακτινοβολίας. "Μόλις το Hubble φύγει, θα γίνουμε εντελώς τυφλοί," λέει ο Gal-Yam. "Είναι λοιπόν επείγουσα ανάγκη να γίνει αυτό το έργο."