Supernova: žvaigždės sprogimas, priežastys ir pasekmės
Supernova - tai milžiniškos žvaigždės sprogimas. Jis paprastai įvyksta, kai branduolių sintezė nesugeba išlaikyti branduolio prieš savo gravitaciją. Šerdis suyra ir sprogsta.
Didžiausios supernovos vadinamos hiperžvaigždėmis, o mažesnės - superžvaigždėmis. Jos yra masyvios: dėl gravitacijos jos labai greitai išeikvoja savo energiją. Paprastai jos gyvena tik keletą milijonų metų.
Sprogimo metu bendra supernovų išspinduliuojama energija trumpam gali viršyti visą galaktikos energiją. Jos išspinduliuoja tiek energijos, kiek per visą Saulės tipo žvaigždės gyvavimo laiką. Sprogimo metu žvaigždės medžiaga nuo žvaigždės atplyšta iki 30 000 km/s arba 10 % šviesos greičio greičiu. Tai sukelia smūginę bangą į aplinkinę tarpžvaigždinę terpę. Ji išsklaido besiplečiantį dujų ir dulkių apvalkalą, kurį matome kaip supernovos liekaną. Po sprogimo tai, kas lieka, tampa juodąja skyle arba neutronine žvaigžde.
Dauguma žvaigždžių yra mažos ir nesprogsta. Jos tampa šaltesnės ir mažesnės, ir tampa baltosiomis nykštukėmis.
Supernovų sprogimai įvyksta retai. Mūsų galaktikoje, Pieno kelyje, paskutinė supernova įvyko 1604 metais. Supernovas galime matyti ir kitose galaktikose. Kasmet kitose galaktikose matome 300 supernovų, nes galaktikų yra labai daug. Kartais jos būna ryškesnės už visas likusias galaktikas.
Kas sukelia supernovas: pagrindinės rūšys
Yra dvi pagrindinės supernovų grupės pagal sprogimo mechanizmą:
- Branduolio kolapsas (core-collapse) – vyksta masyvioms žvaigždėms (dažniausiai >8 kartų daugiau masės už Saulę). Kai sunkieji branduoliniai degimo etapai baigia išskirti energiją, branduolio paramos nepakanka ir jis sugriūva. Staigus griūtis sukelia smūginę bangą, kuri išmetą žvaigždės išorinius sluoksnius ir sukuria supernovą. Likusioje šerdyje gali susiformuoti neutroninė žvaigždė arba, jei masė pakankamai didelė, juodoji skylė.
- Termobranduolinės (thermonuclear) supernovos – Type Ia – vyksta binarinėje sistemoje, kai baltosios nykštukės paviršiuje kaupiasi materija iš artimo draugo (kitos žvaigždės) arba dvi baltos nykštukės susijungia. Jei baltoji nykštukė pasiekia kritinę masę, prasideda nekontroliuojama branduolių sintezė (įskaitant anglies ir deguonies sprogimą) ir žvaigždė sprogsta visiškai, nepalikdama likučio.
Supernovų tipai ir požymiai
Observatoriškai supernovos skirstomos pagal spektro požymius ir šviesos kreivę. Pagrindiniai tipai:
- Type I – be vandenilio spektrinėse linijose. Subtipai: Ia (termobranduolinės), Ib/c (branduolio kolapso žvaigždės, kurios praradusios išorinius vandenilio ir galbūt helio sluoksnius).
- Type II – turi vandenilio spektrinėse linijose; dažnai susijusios su masyviomis, dar turinčiomis vandenilio atmosferą žvaigždėmis.
Šviesos kreivės trukmė ir formos skirtumai leidžia astronomams nustatyti sprogimo tipą ir fizines sąlygas prieš sprogimą.
Energetika, greitis ir liekanos
Supernova išskiria milžinišką energijos kiekį – tipiškai apie 1044–1046 džoulių, o kartu su neutrinų srautu bendras energetinis balansas gali siekti dar didesnes reikšmes. Eksplozijos metu medžiaga gali išsiskleisti iki kelių dešimčių tūkstančių km/s greičiu. Smūginės bangos sąveika su tarpžvaigždinėmis dujomis suformuoja švytinčias supernovos liekanas, tokias kaip Krabo (Crab) supernovos liekana.
Cheminė svarba ir kosminė gamta
Supernovos atlieka lemiamą vaidmenį kosminėje cheminėje gamykloje. Per sprogimus susidaro sunkieji elementai – nuo anglies ir deguonies iki geležies, aukso, urano ir kitų atomų. Šie elementai išmetami į tarpžvaigždinę terpę ir vėliau patenka į naujas žvaigždes, planetas ir net į gyvybės molekules. Todėl supernovos yra pagrindinis visatos elementų cheminių sudėčių kintamumo šaltinis.
Naudojimas astronomijoje ir žymios supernovos
Type Ia supernovos, dėl savo vienodumo spindesio maksimumo metu, naudojamos kaip standartinės žvakės – tai leidžia matuoti atstumus iki tolimų galaktikų ir nustatyti Visatos plėtimosi greitį. Būtent stebėjimai su Type Ia supernovomis leido atrasti Visatos pagreitintą plėtimąsi ir tamsiosios energijos egzistavimą.
Istorinės ir reikšmingos supernovos: SN 1054 (Krabo tėkmė), SN 1604 (Keplero supernova), bei SN 1987A – pastaroji buvo arti (Didžiojo Magelano Debesies) ir pirmą kartą tiesiogiai buvo aptikti neutrinai iš supernovos, patvirtinantys branduolio kolapso teoriją.
Pasekmės ir poveikis Žemei
- Didelė dalis supernovų turi grynai vietinį poveikį galaktikai – jos gali sėsti žvaigždžių susidarymą (stimuliuoti arba slopinti) per pertvarkymus tarpžvaigždinėje terpėje.
- Jei supernova įvyktų labai arti (kelios dešimtys šviesmečių), ji galėtų paveikti planetinę atmosferą spinduliavimu ir kosminiais spinduliais. Tokie atvejai yra reti, bet teoriniu požiūriu galimi.
- Supernovos taip pat yra vieni iš kosminių spindulių šaltinių – greitosios dalelės, kurios gali keliauti per galaktiką.
Kaip stebimos supernovos
Be tradicinio optinio stebėjimo, supernovos tyrinėjamos įvairiais bangų ilgio diapazonais: radijo, infraraudonųjų, rentgeno, gama spindulių. Taip pat svarbūs yra neutrino detektoriai (kaip įvyko su SN 1987A) ir ateityje gravitacinių bangų stebėjimai gali papildyti mūsų supratimą apie tam tikras sprogimo rūšis.
Įdomybės ir papildoma informacija
- Hipernovos – terminas dažnai vartojamas labai energingoms branduolio kolapso supernovoms ar tiems sprogimams, kai susidaro itin masyvi juodoji skylė; jie gali būti susiję su ilgais gama spindulių pliūpsniais.
- Kartais supernovos gali būti ryškesnės už visą savo gimtojoje galaktikoje esančių žvaigždžių šviesumą kartu sudėjus, todėl jas galima pastebėti net labai tolimose galaktikose.
- Supernovų dažnis priklauso nuo galaktikos tipo: aktyvesnėse, žvaigždžių formavimosi procesais pasižyminčiose galaktikose matoma daugiau branduolio kolapso supernovų.
Supernovos lieka vieni iš svarbiausių astronomijos tyrimo objektų: jos atskleidžia fizikos sąlygas esant ekstremalioms temperatūroms ir tankiams, paaiškina sunkųjų elementų kilmę ir padeda suprasti Visatos evoliuciją.
Tipai
Supernovos paprastai skirstomos į I ir II tipo supernovas.
I tipo supernovų absorbcijos linijos rodo, kad jose nėra vandenilio. Ia tipo supernovos yra labai ryškios trumpą laiką. Paskui jos labai greitai tampa ne tokios ryškios. Ia tipo supernovos įvyksta, kai baltoji nykštukė skrieja aplink didelę žvaigždę. Kartais baltoji nykštukė išsiurbia medžiagą iš didžiosios žvaigždės. Kai baltosios nykštukės masė tampa maždaug 1,4 karto didesnė už Saulės masę, ji suyra. Taip susidaro daug energijos ir šviesos, todėl supernovos yra labai ryškios. 1a tipo supernovos dažniausiai būna tokio pat ryškumo. Tai leidžia jas naudoti kaip antrinę standartinę žvakę atstumui iki jas priimančių galaktikų matuoti.
II tipo supernovų absorbcijos linijos rodo, kad jose yra vandenilio. Kad įvyktų tokio tipo sprogimas, žvaigždės masė turi būti ne mažiau kaip 8 kartus ir ne daugiau kaip 40-50 kartų didesnė už Saulės masę.
Tokioje žvaigždėje kaip Saulė branduolių sintezė vandenilį paverčia heliu. Labai didelėse žvaigždėse helis virsta deguonimi ir t. t. Žvaigždėje jungiasi vis didesnės masės elementai, kylantys per periodinę lentelę, kol susidaro geležies ir nikelio branduolys. Geležies ar nikelio sintezė nesukuria jokios grynosios energijos, todėl daugiau sintezės vykti nebegali. Tačiau šerdis suyra taip greitai (apie 23 % šviesos greičio), kad susidaro didžiulė smūginė banga. Itin aukšta temperatūra ir slėgis trunka pakankamai ilgai, kad trumpą akimirką susidarytų sunkesni už geležį elementai. Priklausomai nuo pradinio žvaigždės dydžio, branduolio liekanos suformuoja neutroninę žvaigždę arba juodąją skylę.
Supernovos ir gyvybė
Be supernovų Žemėje nebūtų gyvybės. Taip yra todėl, kad daugelis cheminių elementų susidarė supernovų sprogimų metu. Jie vadinami sunkiaisiais elementais. Sunkiųjų elementų reikia gyviems organizmams sukurti. Supernova yra vienintelis būdas, kaip gali susidaryti sunkieji elementai. Kiti elementai susidarė vykstant branduolių sintezei žvaigždėse. Sunkiesiems elementams susidaryti reikia labai aukštos temperatūros ir slėgio. Mačo supernovos sprogimo metu temperatūra ir slėgis yra tokie aukšti, kad sunkieji elementai gali susidaryti. Mokslininkai tai vadina supernovos nukleosinteze.
Tai gali būti pavojinga, jei supernovos sprogimas įvyktų labai arti Žemės. Sprogimas yra labai didelis ir susidaro daug pavojingos spinduliuotės rūšių. Tačiau mums nereikia bijoti. Tik labai didelės žvaigždės gali sprogti kaip supernovos. Šalia Žemės nėra pakankamai didelių žvaigždžių, o jei ir būtų, tai užtruktų milijonus metų.
Svarbios supernovos
SN 1572 matė Tycho Brahe. Ši supernova padėjo astronomams sužinoti, kad viskas kosmose gali keistis. SN 1604 pastebėjo Johanesas Kepleris. Tai buvo paskutinė supernova, pakankamai artima, kad ją būtų galima pamatyti iš Žemės šiaurinio pusrutulio be teleskopo. SN 1987A yra vienintelė supernova, kuri buvo taip arti, kad mokslininkai galėjo rasti iš jos sklindančių neutrinų. SN 1987A taip pat buvo pakankamai ryški, kad ją būtų galima pamatyti be teleskopo. Ją matė pietų pusrutulyje gyvenantys žmonės.
Poveikis Žemei
Žemėje yra buvusių supernovų pėdsakų. Radioaktyviosios geležies-60 pėdsakai - stiprus supernovų liekanų indikatorius - yra palaidoti jūros dugne visame pasaulyje.
"Vietinis burbulas" - tai 600 šviesmečių skersmens karštų dujų balionas. Jis supa Saulės sistemą ir dominuoja mūsų žvaigždžių kaimynystėje. Jį suformavo keliolika supernovų, sprogusių netoliese judančiame žvaigždžių spiečiuje. Tai įvyko prieš 2,3-1,5 mln. metų. Tai maždaug atitinka pleistoceno ledynmečio pradžią. Ryšys gali būti atsitiktinis.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra supernova?
A: Supernova - tai milžiniškos žvaigždės sprogimas, kuris įvyksta, kai branduolių sintezė nesugeba išlaikyti branduolio prieš savo gravitaciją, todėl jis suyra ir sprogsta.
K: Kokio tipo žvaigždės sukuria supernovas?
A: Didžiausios žvaigždės, iš kurių susidaro supernovos, yra hiperžvaigždės, o mažesnės - superžvaigždės.
K: Kiek energijos išskiria supernovos?
A: Supernovos išskiria tiek energijos, kiek per visą Saulės tipo žvaigždės gyvavimo laiką. Jos taip pat išspinduliuoja bendrą energiją, trumpam pranokstančią visą galaktikos spinduliuotę.
K: Kaip greitai sprogimo metu keliauja žvaigždės medžiaga?
A: Sprogimo metu žvaigždės medžiaga keliauja iki 30 000 km/s greičiu arba 10 % šviesos greičio.
K: Kas atsitinka po sprogimo?
A: Po sprogimo tai, kas lieka, tampa juodąja skyle arba neutronine žvaigžde.
K: Ar dauguma žvaigždžių sprogsta kaip supernovos?
A: Ne, dauguma žvaigždžių yra mažos ir nesprogsta kaip supernovos. Po raudonosios milžinės fazės jos tampa šaltesnės ir mažesnės, todėl tampa baltosiomis nykštukėmis.
K: Kada paskutinį kartą žmonės matė supernovą mūsų galaktikoje, Pieno kelyje?
A: Paskutinį kartą supernovą mūsų galaktikoje, Pieno kelyje, žmonės matė 1604 metais.
