Ανατροπή στο σύμπαν: Άστρα «πεθαίνουν» χωρίς να αφήνουν κανένα ίχνος

Επιστήμονες εντόπισαν νέα έμμεσα στοιχεία για μια εξαιρετικά σπάνια κατηγορία εκρήξεων άστρων, γνωστών ως υπερκαινοφανείς τύπου «αστάθειας ζεύγους», οι οποίες είναι τόσο ισχυρές ώστε δεν αφήνουν κανένα ίχνος πίσω τους. Οι εκρήξεις αυτές, που σηματοδοτούν τον βίαιο θάνατο ενός άστρου, αποτελούν εδώ και δεκαετίες αντικείμενο θεωρητικής μελέτης.

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, πραγματοποιήθηκε από ομάδα αστροφυσικών με επικεφαλής τον Hui Tong, διδακτορικό φοιτητή αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο Monash της Αυστραλίας. Σύμφωνα με τον ερευνητή, τέτοιου είδους υπερκαινοφανείς εμφανίζονται στα πιο ογκώδη άστρα του σύμπαντος, με μάζα 140 έως 260 φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου.

«Παρά τη γιγαντιαία τους μάζα, ζουν σχετικά σύντομες ζωές, μόλις μερικά εκατομμύρια χρόνια», εξηγεί ο Tong. «Για σύγκριση, ο Ήλιος θα ζήσει περίπου 10 δισεκατομμύρια χρόνια, επομένως αυτά τα άστρα καίγονται περίπου χίλιες φορές πιο γρήγορα — σαν ένα τεράστιο πυροτέχνημα που λάμπει έντονα και σύντομα πριν εκραγεί».

Κανονικά, η έκρηξη ενός μεγάλου άστρου αφήνει πίσω του έναν αστέρα νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, τα δεδομένα που ανέλυσαν οι ερευνητές —153 ζεύγη μαύρων τρυπών, των οποίων η μάζα προέκυψε από τα βαρυτικά κύματα που εξέπεμψαν— αποκάλυψαν κάτι παράξενο: μια «απαγορευμένη ζώνη» μαζών, μεταξύ 44 και 116 ηλιακών μαζών, όπου δεν παρατηρούνται καθόλου μαύρες τρύπες.

Η απουσία αυτή, σύμφωνα με τους επιστήμονες, μπορεί να εξηγηθεί αν τα μεγαλύτερα άστρα αυτής της κατηγορίας δεν καταλήγουν σε μαύρη τρύπα, αλλά καταστρέφονται ολοκληρωτικά μέσω μιας υπερκαινοφανούς αστάθειας ζεύγους. Πρόκειται για μία από τις πιο βίαιες μορφές αστρικού θανάτου, όπως σημειώνει η αστροφυσικός και συν-συγγραφέας της μελέτης Maya Fishbach από το Canadian Institute for Theoretical Astrophysics του Πανεπιστημίου του Τορόντο.

Η φυσική πίσω από την καταστροφική έκρηξη

«Κατά κανόνα, όσο πιο μαζικό είναι το άστρο, τόσο βαρύτερη είναι και η μαύρη τρύπα που αφήνει πίσω του», εξηγεί η Fishbach. Ωστόσο, όταν η μάζα υπερβεί ένα κρίσιμο όριο, η φυσική της έκρηξης αλλάζει ριζικά: δεν απομένει κανένα υπόλειμμα.

Τα τεράστια αυτά άστρα εξελίσσονται αρχικά όπως τα υπόλοιπα, καίγοντας υδρογόνο και ήλιο και σχηματίζοντας έναν πυρήνα από άνθρακα και οξυγόνο. Για να παραμείνει σταθερός ο πυρήνας, απαιτείται ισορροπία ανάμεσα στη βαρυτική πίεση προς τα μέσα και στην ενέργεια που απελευθερώνεται προς τα έξω από τα φωτόνια.

Σε ακραίες θερμοκρασίες, όμως, ορισμένα φωτόνια μετατρέπονται σε ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, μειώνοντας την εξωτερική πίεση που σταθεροποιεί τον πυρήνα. Αυτή η διαδικασία προκαλεί την «αστάθεια ζεύγους» που δίνει το όνομα στο φαινόμενο.

«Ο πυρήνας γίνεται ασταθής, οδηγώντας σε ανεξέλεγκτη κατάρρευση και τελικά σε μια βίαιη θερμοπυρηνική έκρηξη που διαλύει ολοκληρωτικά το άστρο», επισημαίνει ο Tong. Αν και οι επιστήμονες είχαν προβλέψει τέτοιες εκρήξεις πριν από έξι δεκαετίες, παραμένουν εξαιρετικά σπάνιες και δύσκολες στην παρατήρηση.

Μέχρι σήμερα έχουν εντοπιστεί ορισμένες υπερφωτεινές υπερκαινοφανείς που ενδέχεται να ανήκουν σε αυτή την κατηγορία, με φωτεινότητα έως και 10 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου. Ωστόσο, τα νέα ευρήματα προσφέρουν την πιο ισχυρή έως τώρα ένδειξη για την ύπαρξη των υπερκαινοφανών αστάθειας ζεύγους.

«Στην ουσία χρησιμοποιούμε κάτι αόρατο —τις μαύρες τρύπες— ως αποτύπωμα μερικών από τις πιο λαμπρές εκρήξεις στο σύμπαν», καταλήγει ο Tong.