Εικονογράφηση καλλιτέχνη μιας έκρηξης ακτίνων γάμμα. Πίστωση εικόνας: NASA. Κάντε κλικ για μεγέθυνση.
Οι παρατηρήσεις από δύο από τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια του κόσμου παρέχουν ισχυρές αποδείξεις ότι ένας περίεργος τύπος αστέρα που εκρήγνυται μπορεί να είναι η προέλευση άπιαστων εκρήξεων ακτίνων γάμμα που προβληματίζουν τους επιστήμονες για περισσότερα από 30 χρόνια.
Μια ομάδα αστρονόμων από την Ιταλία, την Ιαπωνία, τη Γερμανία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, συμπεριλαμβανομένου του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, καταλήγει από παρατηρήσεις με τα τηλεσκόπια Keck και Subaru στη Χαβάη ότι γυμνά αστέρια άνθρακα/οξυγόνου που ισοπεδώνονται καθώς καταρρέουν σε μια μαύρη τρύπα είναι καλοί υποψήφιοι για την πηγή των εκρήξεων ακτίνων γάμμα.
Αν και οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει μερικές εκρήξεις που σχετίζονται με αυτόν τον τύπο σουπερνόβα - μια σουπερνόβα τύπου Ic που μερικές φορές ονομάζεται υπερκαινοφανής – η θεωρία για το πώς ένας υπερκαινοφανής παράγει ακτίνες γάμμα εξακολουθεί να είναι εικαστική. Οι νέες παρατηρήσεις, αν και δεν είναι όπλο καπνίσματος, παρέχουν μια σημαντική απόδειξη ότι η θεωρία, που ονομάζεται μοντέλο κατάρρευσης, είναι σωστή. Το μοντέλο εξηγεί πώς ένα ασύμμετρο εκρηκτικό αστέρι παράγει μια σφιχτή δέσμη ύλης και ενέργειας από κάθε πόλο που δημιουργεί μια έντονη έκρηξη ακτίνων γάμμα, ενώ η απουσία περιβλήματος υδρογόνου και ηλίου θα επέτρεπε στην έκρηξη να διαφύγει.
«Φαίνεται ότι για να παραχθεί μια έκρηξη ακτίνων γάμμα, ένας σουπερνόβα κατάρρευσης του πυρήνα πρέπει να είναι και ασύμμετρος στον μηχανισμό έκρηξής του, έτσι ώστε να υπάρχει ένας φυσικός άξονας κατά μήκος του οποίου η ύλη μπορεί να εκτοξευθεί πιο εύκολα και χωρίς περίβλημα υδρογόνου. ότι ο πίδακας δεν χρειάζεται να τρυπήσει μέσα από πολύ υλικό», είπε ο συν-συγγραφέας Alex Filippenko, καθηγητής αστρονομίας στο UC Berkeley.
Η ομάδα, με επικεφαλής τον Paolo Mazzali του Παρατηρητηρίου της Τεργέστης στην Ιταλία και του Ινστιτούτου Αστροφυσικής Max-Planck στο Garching της Γερμανίας, ανέφερε τα ευρήματά της σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο τεύχος του Science στις 27 Μαΐου.
Το γεγονός ότι δεν παρατηρήθηκε έκρηξη ακτίνων γάμμα σε σχέση με αυτό το σουπερνόβα είναι στην πραγματικότητα σύμφωνο με τις προβλέψεις, δήλωσε ο μεταπτυχιακός φοιτητής του UC Berkeley, Ryan Foley, μέλος της ομάδας.
«Αυτές οι παρατηρήσεις υποδηλώνουν ότι το μοντέλο collapsar είναι πιθανώς σωστό και ότι ορισμένοι από αυτούς τους σουπερνόβα τύπου Ic φαίνεται να είναι εκρήξεις ακτίνων γάμμα εκτός άξονα, στις οποίες η έκρηξη ακτίνων γάμμα δείχνει προς κάποια κατεύθυνση διαφορετική από τη Γη», είπε ο Foley.
Οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα είναι σύντομες αλλά φωτεινές λάμψεις ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα που φαίνεται να εκπέμπονται τυχαία στον ουρανό περίπου μία φορά την ημέρα, ξεπερνώντας για λίγο τον ήλιο ένα εκατομμύριο τρισεκατομμύρια φορές. Χρειάστηκε μέχρι το 1997 για να διαπιστωθεί ότι προέρχονται από τον Γαλαξία μας και μόνο τα τελευταία χρόνια οι αστρονόμοι έλαβαν δελεαστικές ενδείξεις ότι οι εκρήξεις συνδέονται με σουπερνόβα.
Επειδή είναι τόσο φωτεινές, οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα πρέπει να είναι μια ευθυγραμμισμένη δέσμη, παρόμοια αλλά πιο σφιχτή από τον κώνο φωτός που εκπέμπεται από έναν φάρο. Διαφορετικά, η ενέργεια στην έκρηξη θα ισοδυναμούσε με τη στιγμιαία μετατροπή της μάζας πολλών ήλιων σε μια βολίδα ενέργειας.
Το πιο δημοφιλές σενάριο είναι ότι ένα αστέρι που καταρρέει δημιουργεί δύο πολύ ευθυγραμμισμένες δέσμες ή πίδακες σωματιδίων και ενέργειας που αναβοσβήνουν προς τα έξω από τους πόλους. Τα σωματίδια και η ενέργεια δημιουργούν ένα κρουστικό κύμα όταν χτυπούν αέριο και σκόνη γύρω από το αστέρι, το οποίο με τη σειρά του επιταχύνει τα σωματίδια σε ενέργειες στις οποίες εκπέμπουν φως υψηλής ενέργειας: ακτίνες γάμμα και ακτίνες Χ. Η αρχική έκρηξη εξασθενεί μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, αλλά τα προκύπτοντα ωστικά κύματα (η «μετά λάμψη») μπορούν να είναι ορατά σε οπτικά τηλεσκόπια, ραδιόφωνα και τηλεσκόπια ακτίνων Χ για μέρες μετά την έκρηξη.
Ένας πιθανός υποψήφιος για τον τύπο σουπερνόβα που θα μπορούσε να προκαλέσει έκρηξη ακτίνων γάμμα είναι ο σουπερνόβα τύπου Ic. Οι σουπερνόβα τύπου Ic προκύπτουν από τεράστια αστέρια των οποίων οι άνεμοι έχουν αποβάλει τα εξωτερικά τους περιβλήματα υδρογόνου και συχνά όλο το ήλιο τους, ή που έχουν χάσει αυτά τα εξωτερικά στρώματα σε έναν δυαδικό σύντροφο. Απομένει μόνο ο πυρήνας, που αποτελείται από τα στοιχεία που παράγονται από τη σύντηξη στο κέντρο του άστρου – κυρίως άνθρακα και οξυγόνο, αλλά και άλλα βαριά στοιχεία, μέχρι ένα συμπαγές κέντρο σιδήρου.
Η θεωρία του καταρράκτη προτείνει ότι η συμπαγής σιδερένια σφαίρα στον ίδιο τον πυρήνα του άστρου καταρρέει υπό τη βαρύτητα σε μια μαύρη τρύπα, αλλά ότι η κατάρρευση σε κλάσματα δευτερολέπτου λαμβάνει χώρα με μοναδικό τρόπο. Καθώς ο σίδηρος και η περιβάλλουσα ύλη πέφτουν προς τα μέσα, η περιστροφή του πυρήνα αυξάνεται, ισοπεδώνοντας το υλικό που πέφτει σε έναν δίσκο που ρέει προς τα μέσα κατά μήκος του ισημερινού. Η συμφόρηση της ύλης που πέφτει σπρώχνει μέρος της προς τα πίσω κατά μήκος του μονοπατιού της ελάχιστης αντίστασης – οι δύο φυσητήρες σε κάθε πόλο.
Η ύλη εκτοξεύτηκε από τους πόλους στα άλλα στρώματα του άστρου, τα οποία μπορεί να μην είναι σε θέση να διαπεράσει. Η έλλειψη περιβλήματος υδρογόνου και ηλίου πιθανώς αυξάνει τις πιθανότητες να τρυπήσει ο πίδακας.
«Έχει τόση πολλή ενέργεια που σπρώχνει μέσα από αυτά τα εξωτερικά στρώματα του άστρου, τα οποία είναι σχετικά μικρής πυκνότητας σε σύγκριση με τον δίσκο του υλικού που πέφτει στο κέντρο του άστρου», είπε ο Φόλεϊ. «Τελικά, αν βγει με γροθιές, έχετε ένα πίδακα ακτίνων γάμμα. Ορισμένες υπερκαινοφανείς τύπου Ic μπορεί να είναι αποτυχημένες εκρήξεις ακτίνων γάμμα, πράγμα που σημαίνει ότι ο πίδακας προσπάθησε να σπρώξει προς τα έξω, αλλά υπήρχε πάρα πολύ υλικό στο δρόμο και στην πραγματικότητα δεν ξέσπασε ποτέ. Αυτό θα εξηγούσε γιατί δεν βλέπουμε εκρήξεις ακτίνων γάμμα που σχετίζονται με ορισμένα από αυτά τα αντικείμενα».
Εάν η θεωρία είναι αληθινή, οι αστρονόμοι θα πρέπει να δουν διαφορετικά πράγματα ανάλογα με το αν ο πίδακας είναι στραμμένος προς τη Γη ή μακριά από αυτήν. Εάν ο πίδακας βγαίνει κάθετα στη γραμμή όρασής μας, για παράδειγμα, δεν θα είναι ορατή καμία έκρηξη ακτίνων γάμμα, αλλά άλλες πτυχές του επεκτεινόμενου κύματος έκρηξης σουπερνόβα θα πρέπει να είναι παρατηρήσιμες. Ειδικότερα, το φάσμα του σουπερνόβα περίπου ένα χρόνο μετά την έκρηξή του θα πρέπει να δείχνει γραμμές εκπομπής στοιχείων, όπως το οξυγόνο, που χωρίζονται, το ένα μετατοπίζεται ελαφρώς σε χαμηλότερα μήκη κύματος και το άλλο μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Οι δύο γραμμές θα προέρχονταν από τις αντίθετες πλευρές του διαστελλόμενου δίσκου γύρω από την ισημερινή περιοχή της εναπομείνασας μαύρης τρύπας, το ένα Doppler μετατοπίστηκε προς το κόκκινο επειδή απομακρύνεται από εμάς, το άλλο μετατοπίστηκε μπλε επειδή κινείται προς εμάς. Τέτοιες διαχωρισμένες ή διπλές γραμμές δεν θα ήταν ορατές από μια πολική προοπτική.
Πριν από περίπου δύο χρόνια, στις 25 Οκτωβρίου 2003, οι ερευνητές του UC Berkeley είχαν ανακαλύψει έναν σουπερνόβα τύπου Ic χρησιμοποιώντας το αυτοματοποιημένο τηλεσκόπιο αναζήτησης σουπερνόβα του Filippenko, το Katzman Automatic Imaging Telescope (KAIT) στο Παρατηρητήριο Lick του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια. Ονομάζεται SN 2003jd, ο σουπερνόβα βρισκόταν περίπου 260 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά στον αστερισμό του Υδροχόου. Αν και δεν καταγράφηκε καμία σχετική έκρηξη ακτίνων γάμμα, ο σουπερνόβα φαινόταν να είναι τόσο φωτεινός όσο οι σουπερνόβα που συνδέονταν προηγουμένως με εκρήξεις ακτίνων γάμμα, έτσι η διεθνής ομάδα που έκανε αναφορά αυτή την εβδομάδα στο Science αποφάσισε να εξετάσει ξανά τη σουπερνόβα, αναζητώντας το φάσμα της γραμμών εκπομπής διπλής αιχμής.
«Αυτές οι παρατηρήσεις στην πραγματικότητα καθοδηγήθηκαν από τις θεωρητικές μας προβλέψεις», είπε ο Mazzali. «Η ιδέα ήταν ότι ένας φωτεινός σουπερνόβα τύπου Ic, που δεν συνοδεύεται από έκρηξη ακτίνων γάμμα, θα μπορούσε να είναι ακριβώς αυτό που αναζητούσαμε: ένα συμβάν εκτός άξονα που θα μπορούσε να επιβεβαιώσει τις προβλέψεις μας».
Ο Koji Kawabata από το Πανεπιστήμιο της Χιροσίμα, ο Ken'ichi Nomoto του Πανεπιστημίου του Τόκιο και οι συνεργάτες του παρατήρησαν το εναπομείναν νεφέλωμα με το τηλεσκόπιο Subaru μήκους 8,2 μέτρων στις 12 Σεπτεμβρίου 2004, περίπου 330 ημέρες μετά την έκρηξή του. Στη συνέχεια, ο Filippenko και ο Foley γύρισαν το τηλεσκόπιο Keck 10 μέτρων στο νεφέλωμα στις 19 Οκτωβρίου 2004, περίπου 370 ημέρες μετά την αρχική έκρηξη, για να λάβουν φασματικές εικόνες με το φασματόμετρο απεικόνισης χαμηλής ανάλυσης (LRIS). Και τα δύο τηλεσκόπια βρίσκονται στην κορυφή του ηφαιστείου Mauna Kea στο νησί της Χαβάης. Το Subaru λειτουργεί από το Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας, ενώ το Παρατηρητήριο Keck λειτουργεί από την Καλιφόρνια Ένωση για την Έρευνα στην Αστρονομία, του οποίου το διοικητικό συμβούλιο περιλαμβάνει εκπροσώπους από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) και το UC.
Ο Kawabata, ο Mazzali και η ομάδα του ανέλυσαν τα φάσματα, αποκαλύπτοντας ότι παρουσιάζουν διαχωρισμένες γραμμές εκπομπής οξυγόνου και μαγνησίου ακριβώς όπως θα αναμενόταν αν το μοντέλο collapsar παραγωγής ακτίνων γάμμα ήταν σωστό. Αυτή ήταν η πρώτη σουπερνόβα τύπου Ic που έδειξε διαχωρισμένες γραμμές οξυγόνου.
«Τα τζετ είναι η υπογραφή του μοντέλου, πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα στρέφονται όλες οι εκρήξεις απευθείας σε εμάς. Αν κάθε φορά που κοιτάζαμε αυτά τα αντικείμενα φαινόταν να μας δείχνουν, αυτό θα σήμαινε ότι το μοντέλο είναι πιθανότατα ελαττωματικό», είπε ο Foley. «Το μοντέλο προβλέπει ότι ένα ορισμένο ποσοστό αυτών των αντικειμένων θα πρέπει να μοιάζει με αυτό το σουπερνόβα (SN 2003jd). Τώρα που βρήκαμε ένα από αυτά, η αξιοπιστία του μοντέλου έχει αυξηθεί».
Για να δούμε τέτοιες διπλές γραμμές οξυγόνου, το νεφέλωμα σουπερνόβα θα πρέπει να παρατηρηθεί σε απόσταση 20 μοιρών από τον επεκτεινόμενο δίσκο, μια σπάνια κατάσταση που θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί άλλες υπερκαινοφανείς τύπου Ic, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που σχετίζονται με έκρηξη ακτίνων γάμμα, δεν δείχνουν τη διάσπαση γραμμή οξυγόνου.
'(Οι παρατηρήσεις μας) ενισχύουν τη σύνδεση μεταξύ των εκρήξεων ακτίνων γάμμα και των σουπερνόβα τύπου Ic δείχνοντας ότι το Type Ic SN 2003jd φαίνεται να ήταν πράγματι μια ασύμμετρη έκρηξη της οποίας ο κύριος άξονας εκτίναξης έτυχε να μην κατευθύνεται προς εμάς', είπε ο Filippenko.
Άλλοι συν-συγγραφείς της εργασίας είναι οι Keiichi Maeda, Jinsong Deng και Nozomu Tominaga του Πανεπιστημίου του Τόκιο. Enrico Ramirez-Ruiz του Ινστιτούτου Προχωρημένων Σπουδών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϋ. Stefano Benetti του Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Πάντοβα, Ιταλία. Elena Pian του Αστεροσκοπείου της Τεργέστης. Youichi Ohyama του τηλεσκοπίου Subaru. Masanori Iye του Εθνικού Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Ιαπωνίας. Thomas Matheson του Εθνικού Παρατηρητηρίου Οπτικής Αστρονομίας στο Tuscon, Ariz. Lifan Wang του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley; και Avishay Gal-Yam του Caltech.
Η εργασία υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών, την Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης και το Υπουργείο Παιδείας, Πολιτισμού, Αθλητισμού, Επιστήμης και Τεχνολογίας της Ιαπωνίας.
Αρχική πηγή: Δελτίο ειδήσεων του Μπέρκλεϋ
