Astronomia. Supernowy: kosmiczne zabójczynie i twórczynie światów

Jesteśmy gwiezdnym pyłem, głoszą filozofowie. I w zasadzie mają rację. W końcu pierwiastki niezbędne do istnienia życia, takie jak wapń, tlen albo sód, powstały w wyniku gwiezdnych eksplozji. Życie powstało dzięki supernowym.

Wszechświat jest świetnym reżyserem. Potrafi przygotowywać fantastyczne spektakle, choć większość z nich można oglądać tylko z daleka. Supernowa to potencjalne zagrożenie dla istnień znajdujących się dziesiątki lat świetlnych od niej. Jednak bez takich spektakularnych widowisk Wszechświat nie byłby tym, czym jest dzisiaj.

Przez stulecia alchemicy próbowali wytworzyć upragnione złoto w swoich laboratoriach, pełnych różnych fiolek i aparatury. Zręczny oszust Edward Kelley (1555–1597) przekonał nawet poniekąd naiwnego cesarza niemieckiego Rudolfa II (1552–1612), że udało mu się to zrobić.

Oczywiście Kelley wiedział, że jego twierdzenia są fałszywe, ale wielu entuzjastów naprawdę wierzyło, że pewnego dnia dzięki ezoterycznej procedurze będzie mogło trzymać w rękach kawałek prawdziwego cennego błyszczącego kruszcu.

Była to mrzonka. Złoto i inne podobne metale powstają w warunkach, które są praktycznie niemożliwe do uzyskania na Ziemi. Supernowe, a także zderzenia gwiazd neutronowych, mają tak wysoką energię, że w ich wyniku mogą wystąpić fuzje, dzięki którym powstają ciężkie pierwiastki z wieloma protonami w jądrze, w tym złoto i srebro. Dla ówczesnych alchemików byłoby to niewyobrażalne.

Jednak eksplozje gwiazd to nie tylko procesy, w których powstają pierwiastki chemiczne. Są one w istocie ostatnim etapem życia gwiazd, ich spektakularną śmiercią. Ta śmierć oznacza też narodziny. W wyniku wybuchu przez otaczający obszar przechodzi silna fala uderzeniowa, która może ścisnąć chmury gazu i obłoki materii znajdujące się w jej zasięgu albo wzbogacić je o ciężkie pierwiastki. Ułatwia to powstawanie nowych gwiazd.

Eksplozje gwiazd nie są we Wszechświecie niczym szczególnym. Astronomowie szacują, że takie wydarzenie ma miejsce średnio co sekundę. Na szczęście kosmos jest wystarczająco duży i potężne wiązki śmiertelnego promieniowania, które mogłyby całkowicie zniszczyć warstwę ozonową Ziemi, powstające podczas eksplozji supernowych, nie docierają do naszej planety. Gdyby eksplozja nastąpiła wystarczająco blisko, atmosfera Ziemi mogłaby zostać naruszona, co doprowadziłoby do wyginięcia życia.

Każda gwiazda rodzi się z obłoku międzygwiazdowego, składającego się z gazu i pyłu. Obłoki molekularne, w których jest szczególnie dużo wodoru, stają się niestabilne i zaczynają się zapadać pod wpływem grawitacji, siłą przeciwną jest ciśnienie, na które wpływa temperatura gazów.

Zapadający się obłok dzieli się na mniejsze fragmenty, z których może powstać nowa gwiazda, tzw. protogwiazda. Kiedy taki obłok się zapada w jego wnętrzu rośnie gęstość, temperatura i ciśnienie. Inicjowana jest synteza termojądrowa, w wyniku której rodzi się nowa gwiazda. Jej dalszy los związany jest ściśle z jej masą.

Przez miliony lat gwiazda wędruje po wszechświecie, sama lub z gwiezdną siostrą, albo otoczona planetarnymi dziećmi, utworzonymi z resztek materii po jej stworzeniu. Spokojnie spala wodór i emituje promieniowanie. Trwa to miliardy lat, na przykład nasze Słońce ma 4,5 miliarda lat, a rezerwy wodoru powinny mu wystarczyć na kolejne 5,5 miliarda lat.

Im większa gwiazda, tym krótsza jest ta faza jej ewolucji, ponieważ silniejsza grawitacja zwiększa ciśnienie w jądrze, więc wodór spala się szybciej. W każdej gwieździe są skończone zasoby wodoru.

Podczas gdy mniejsze czerwone karły spalają wodór bardzo powoli i bez problemu powinny się zamienić według obecnych teorii w błękitne karły, gwiazdy takie jak nasze Słońce dadzą zapierający dech w piersiach pokaz. Ich równowaga zostanie zachwiana, gwiazda wielokrotnie zwiększy swoją objętość i zamieni się w czerwonego olbrzyma.

Fuzja pierwiastków w takim momencie trwa, hel zamienia się w węgiel, w większych gwiazdach powstaje neon, tlen, a nawet żelazo. Następnie gwiazda znów się kurczy i staje się białym karłem.

Tak wygląda cykl ewolucji przeciętnych gwiazd, takich jak żółte karły. Nie tworzą one same z siebie supernowych. Jednakże jeśli należą do podwójnego, układu białe karły mogą pobierać od nich masę, tak długo aż przekroczył swój limit, czyli granicę Chandrasekhara.

W tym momencie inicjowana jest reakcja termojądrowa. Materiał z wnętrza gwiazdy zaczyna przedostawać się na powierzchnię z prędkością 5000 kilometrów na sekundę. Jego maksymalna prędkość może osiągnąć nawet 60 000 km/s, a gwiazdą wstrząsa fala uderzeniowa. Temperatura wzrasta do trzech miliardów stopni. Wszystko to dzieje się w pół sekundy. Właśnie w tym momencie we Wszechświecie rozbłyska supernowa.

Masywne gwiazdy, które na ostatnich etapach swojej ewolucji stają się czerwonymi nadolbrzymami też mogą stać się supernowymi. Mają one strukturę warstwową – jądro z żelaza, kobaltu i niklu, otoczone coraz to lżejszymi pierwiastkami: krzemem, neonem, węglem, tlenem, helem i wodorem.

Gdy jądro z żelaza osiągnie granicę Chandrasekhara, to zaczyna się zapadać, wskutek czego jądra atomowe są rozbijane na pojedyncze nukleony, a elektrony są wtłaczane do protonów i powstaje materia neutronowa i neutrina.

Zewnętrzne warstwy gwiazdy opadają na jądro i ulegają odbiciu na zewnątrz. Jest to wybuch supernowej. Jeśli gwiazda była dostatecznie masywna, zamienia się w gwiazdę neutronową. Są one bardzo gęste – przy średnicy kilkunastu kilometrów mają ok. 2 mas Słońca.

Gwiazda istnieje tak długo, jak ciśnienie jest w stanie przeciwstawić się zapadaniu grawitacyjnemu. Jeżeli pozostała po wybuchu supernowej gwiazda neutronowa ma zbyt małą masę proces kurczenia się postępuje, aż powstanie czarna dziura.

Supernowe są we Wszechświecie powszechnym zjawiskiem, ale to nie znaczy, że możemy je zobaczyć na niebie każdego dnia. Przeciwnie, zaobserwowanie tego zjawiska jest dla astronomów świętem. Pierwszą zaobserwowaną supernową, o której możemy dowiedzieć się ze źródeł historycznych, jest ta z 1006 roku. Była widoczna w Egipcie, Iraku, Włoszech, Szwajcarii, Chinach i Japonii. Była prawdopodobnie na tyle jasna, że widać ją było nawet w dzień.

Mgławica Krab w gwiazdozbiorze Byka jest w pewnym sensie pozostałością supernowej, która była widoczna w 1054 roku w dzień przez 23 dni, a w nocy zdobiła niebo prawie dwa lata. W centrum mgławicy znajduje się pulsar, który ją zasila.

Pulsary są silnymi źródłami promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego w regularnych i krótkich odstępach. Jest to związane z ich niezwykle szybką rotacją, nawet trzydzieści razy w ciągu jednej sekundy, co znaczy, że w tym czasie wysyłają trzydzieści impulsów promieniowania. Podobnie jak inne pulsary, także ten w Mgławicy Kraba nie jest duży – jego wielkość szacuje się na zaledwie 10 km średnicy.

Supernowa z 1572 roku, która wybuchła w gwiazdozbiorze Kasjopei, przeszła do historii za sprawą duńskiego astronoma i alchemika Tychona Brahe (1546–1601), który opisał ją w swoim dziele De Nova Stella. To właśnie on użył po raz pierwszy słowa nova (oznaczającego nową gwiazdę) do określenia tego zjawiska.

Supernową w Drodze Mlecznej zaobserwowano w 1604 roku w gwiazdozbiorze Wężownika, znajdującego się około 20 000 lat świetlnych od Układu Słonecznego. Została dokładnie opisana przez słynnego astronoma Johannesa Keplera (1571–1630).

Jednak wraz z rozwojem aparatury używanej do obserwacji astronomowie mogą spoglądać daleko poza granice naszej galaktyki. I tak na przykład supernowa z 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana znacznie poszerzyła naszą wiedzę o tym fascynującym zjawisku.

Cud życia na Ziemi ma w swojej kronice kilka czarnych rozdziałów w postaci masowego wymierania gatunków. Supernowe są jednymi z podejrzanych. Jest pewne, że jeśli wybuch supernowej wystąpi w pobliżu naszej planety, oznaczałoby to poważne kłopoty. Nawet stosunkowo odległa supernowa, powiedzmy oddalona od nas o 150 lat świetlnych, uczyniłaby nasze życie bardzo skomplikowanym.

Amerykański fizyk Adrian Melott (ur. 1947) zauważa, że niebieskie światło emitowane przez eksplozję w najlepszym przypadku wpłynęłoby tylko na cykl dobowy organizmów żywych. Podobnie jak niebieskie światło z ekranów tabletów lub telefonów komórkowych hamuje produkcję hormonu snu melatoniny.

Oczywiście jest to najbardziej optymistyczny scenariusz. Natomiast wybuch supernowej oddalonej o 50 lat świetlnych miałby znacznie poważniejsze konsekwencje.

Promienie kosmiczne w postaci rozbłysków gamma towarzyszących eksplozji supernowej uszkodziłoby DNA organizmów żywych. A to doprowadziłoby do mutacji lub powstawania nowotworów.

Nie można też zapominać o uszkodzeniu warstwy ozonowej i przenikaniu na Ziemię śmiercionośnych promieni kosmicznych.

Na granicy tych 150 lat świetlnych od Układu Słonecznego znajduje się gwiazdozbiór Pegaza. To właśnie tam może powstać jedna ze śmiercionośnych supernowych: gwiazda Epsilon Pegasi znana jako Enif jest układem podwójnym, w którym jeden ze składników to nadolbrzym, drugi składnik zaś jest znacznie od niego słabszy. Jednak nie ma jeszcze powodów do zmartwień – jeśli gwiazda z tego układu miałaby przekształcić się w supernową, stanie się to za co najmniej miliard lat.

Inne gwiezdne kandydatki na supernowe znajdują się znacznie dalej. 250 lat świetlnych od znajduje się najjaśniejsza gwiazda gwiazdozbioru Panny – Spica. Alfa Lupi w gwiazdozbiorze Wilka jest gwiezdnym olbrzymem, który również pewnego dnia może przekształcić się w supernową.

Jeszcze dalej od Układu Słonecznego znajdują się dwa nadolbrzymy, które bez wątpienia zakończą swoją „gwiazdorską” karierę jako supernowe. Odległy o sześćset lat świetlnych Antares w gwiazdozbiorze Skorpiona jest czerwonym nadolbrzymem około 750 razy większym od Słońca. Gwiazda ma 123 miliony lat, więc powoli przygotowuje się do spektakularnego końca.

Betelgeza w gwiazdozbiorze Oriona jest równie odległa. Jest tak wielka, że jej czerwoną poświatę można obserwować z Ziemi gołym okiem. Jeśli by ją umieścić w centrum Układu Słonecznego, jej krawędź sięgałaby orbity Jowisza.

Ale nie musimy się obawiać tego giganta. Nawet jeśli eksploduje, jego oś obrotowa jest tak duża, że największa wiązka silnego promieniowania minęłaby Ziemię. W każdym razie los Betelgezy jest przypieczętowany i jej koniec jest tylko kwestią czasu.

Autorka: Lena Szymańska