ابرنواختر چیست؟

ابرنواختر نامی است که به انفجار عظیم یک ستاره غول پیکر در پایان عمر آن گفته می‌شود. این انفجار می‌تواند در عرض چند ثانیه انرژی بیشتر از آنچه خورشید در طول پنج میلیارد سال عمر خود ساطع کرده است، در فضا پراکنده کند. اما این تمام داستان نیست. انفجارهای ابرنواختری شگفتی‌های بسیاری دارند که در این مقاله به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

ابرنواخترها

آسمان بالای سر ما مملو از ابرنواخترهای باستانی است که بقایای زیبا و فریبنده ستارگانی هستند که عمر خود را سپری کرده و سپس طی یک انفجار عظیم، چرخه زندگی‌شان پایان یافته است.

ستارگان پرجرم مقادیر زیادی سوخت هسته‌ای را در هسته یا مرکز خود می‌سوزانند. این سوخت باعث تولید انرژی زیادی می‌شود، بنابراین مرکز ستاره بسیار داغ می‌شود - تا دمای حدود 500 میلیون درجه سانتی‌گراد. گرم شدن ستاره با تولید سدیم، نئون و منزیم همراه است.

دما همچنان افزایش می‌یابد. دمای هسته ستاره در مرحله اوج سوختن تا 2 میلیارد درجه هم بالا می‌رود. با بالا رفتن دما در این مرحله، ابتدا سیلیکون تشکیل می‌شود و پس از آن، آرگون، کلسیم، کروم، منگنز و نیکل شکل می‌گیرند. هرکدام از این عناصر در پوسته‌های ستاره شروع به سوختن می‌کنند.

گرمای حاصل از سوختن این عناصر فشار ایجاد می‌کند و فشار ایجاد شده از فروپاشی ستاره جلوگیری می‌کند. یک ستاره به طور معمول در تعادل بین دو نیروی متضاد است. گرانش ستاره سعی می‌کند ستاره را فشرده و متراکم کند. اما فشار مذکور در برابر گرانش که نیروی شعاعی به سمت داخل است، مقاومت می‌کند. وقتی سوخت یک ستاره در داخل هسته تمام می‌شود، ستاره شروع به خنک شدن می‌کند.

اما تمام شدن سوخت به معنای کاهش فشاری است که تاکنون با گرانش رقابت می‌کرد. حالا جاذبه برنده می‌شود - فرآیند غلبه گرانش بر فشار دما به طور متوسط حدود میلیاردها سال طول می‌کشد - و ستاره ناگهان فرو می‌ریزد. تصور کنید جرمی چندین میلیون برابر زمین تنها در چند ثانیه در درون خودش فرو بریزد.

این فروپاشی آنقدر سریع اتفاق می‌افتد (درحد چند ثانیه!) که امواج شوک عظیمی ایجاد می‌کنند که باعث می‌شود قسمت بیرونی ستاره منفجر شود. در اثر این انفجار مقادیر زیادی انرژی در کیهان آزاد می‌شود که ما آن را به عنوان انفجار ابرنواختری می‌شناسیم.

پس انفجار ابرنواختری زمانی رخ می‌دهد که یک ستاره به پایان عمر خود برسد. ابرنواخترها منبع اصلی عناصر سنگین در عالم هستند. به گفته ناسا، ابرنواخترها بزرگترین انفجاری هستند که در فضا رخ می‌دهد.

دقت کنید که تمام ستاره‌ها در پایان عمر خود لزوما تحت یک انفجار برانواختری قرار نمی‌گیرند. اینکه مرگ یک ستاره چطور رقم بخورد، تا حد زیادی به جرم آن بستگی دارد.

برای مثال، خورشید به اندازه کافی جرم ندارد تا به یک ابرنواختر تبدیل شود. برآوردها نشان می‌دهد ستاره‌هایی با جرم حدود هشت برابر یا بیشتر از جرم خورشید در پایان عمر خود به انواع مختلف ابرنواختر تبدیل می‌شوند که در ادامه آن‌ها را مرور می‌کنیم.

ستاره‌هایی با حدود جرم خورشید پس از پایان عمر خود می‌توانند به یک غول قرمز متورم تبدیل شوند. (محاسبات نشان می‌دهد زمانی که خورشید به یک غول سرخ تبدیل شود، منبسط خواهد شد تا عطارد، زهره و احتمالا زمین را نیز به دام انداخته، اصطلاحا ببلعد و نابود کند.

این بدان معناست که قطر خورشید حدود 115 برابر افزایش می‌یابد. همچنین ممکن است خورشید در این رخداد حدود 3000 برابر روشن‌تر شود. ستاره منظومه ما اکنون 5 میلیارد سال عمر دارد و در مرحله «توالی اصلی» یا «Main Sequence» چرخه زندگی خود قرار دارد. این رخداد تا چند میلیارد سال آینده اتفاق نخواهد افتاد، پس جای نگرانی نیست!)

در کهکشانی همانند راه شیری که متشکل از حدود 200 میلیارد ستاره است، تخمین‌ها نشان می‌دهد هر 50 سال یکبار یک انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد. با این‌حال، ابرنواخترهایی که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده هستند، بسیار نادرند. اگر خیلی خوش‌ شانس باشیم، شاید بتوانیم شاهد یکی از آن‌ها باشیم - براساس اندازه‌گیری‌های آژانس فضایی اروپا، به‌طور متوسط انفجارهای ابرنواختری در کهکشانی با اندازه راه شیری هر 50 سال یکبار رخ می‌دهند. با تعمیم این اطلاعات به ابعاد کیهان، درمی‌یابیم تقریبا هر 10 ثانیه یک ستاره در جایی از کیهان منفجر می‌شود.

آنچه ما می‌بینیم - بقایای انفجار ابرنواختری - ابرهای درحال انبساط در فضا است که در زمانی در گذشته ستاره‌ای بوده است که در پایان عمر خود منفجر شده است.

تمدن‌های مختلف مدت‌ها پیش از اختراع تلسکوپ در قرن هفدهم، ابرنواخترها را ثبت کردند. قدیمی‌ترین ابرنواختر ثبت شده «RCW 86» نام دارد که ستاره‌شناسان چینی حدود سال 185 پس از میلاد آن را مشاهده کردند. به گفته ناسا، اطلاعات ثبت شده نشان می‌دهد که این «ستاره مهمان» حدود هشت ماه در آسمان قابل رویت بوده است.

معروف‌ترین بقایای ابرنواختری که از نیمکره شمالی زمین قابل مشاهده است، سحابی «خرچنگ» نام دارد. اولین بار چینی‌ها این ابرنواختر را در سال 1054 پس از میلاد مشاهده و ثبت کردند. این درحالی است که انفجار آن حدود 6500 سال قبل‌تر رخ داده بود.

آن‌ها نوشتند: این ستاره به مدت سه هفته در نور روز قابل مشاهده بود و سپس شروع به محو شدن کرد. حدود سه ماه بعد این ستاره به طور کامل از نظر محو شد. باستان‌شناسان براساس نقاشی‌های صخره‌ای حدس می‌زنند بومیان آمریکا نیز شاهد این انفجار بوده‌اند.

بعدها، سحابی خرچنگ به دلیل اینکه میزبان اولین تپ‌اختر شناخته شده بود، در سال 1967 توسط «جوسلین بل برنل» کشف شد. «تپ اختر خرچنگ» یک ستاره نوترونی و به عبارتی بقایای ابرنواختری است که سحابی خرچنگ را ایجاد کرد. تپ اخترها درحقیقت همانند فانوس‎‌های دریایی هستند که در حین چرخش پرتوهایی از امواج رادیویی را در کیهان پخش می‌کنند.

از آن‌جا که پرتوهای تپ‌اختر خرچنگ به سمت زمین می‌آیند، ما می‌دانیم که ابرنواخترها انفجارهای ستاره‌ای هستند. نمونه‌هایی از پیامدهای این انفجارها را در فضای اطراف زمین مشاهده می‌کنیم.

جالب است بدانید موادی که در اثر انفجار ابرنواختر به فضا پرتاب می‌شوند، در طول اعصاب به آرامی پراکنده می‌شوند و عناصر آن به سمت تشکیل ستاره‌های جدید، سیارات جدید و شاید حتی حیات جدید پیش می‌روند. تمام اتم‌های بدن ما در قلب آتشین ستارگان ساخته شده‌اند.پ

کلسیم موجود در استخوان‌ها و آهن موجود در خون‌مان همگی در یک ستاره غول قرمز بوجود آمده‌اند و سپس در یک انفجار ابرنواختری در کیهان پراکنده شده‌اند تا زمانی ما و حیات زمین را شکل دهند.

انواع ابرنواختر

ابرنواخترها با توجه به جرمی که ستاره منفجر شونده دارد، به دو دسته تقسیم می‌شوند: ابرنواختر نوع اول و ابرنواختر نوع دوم.

ابرنواختر نوع اول (Supernovae I)

یکی از روش‌های مرسوم برای مطالعه اجرام آسمانی - به خصوص ساختار شیمیایی آن‌ها - «طیف سنجی» است. اخترشناسان با طیف سنجی داده‌های ابرنواخترهای نوع اول دریافته‌اند آن‌ها فاقد هیدروژن در طیف نوری خود هستند.

به‌طور کلی تصور می‌شود ابرنواخترهای نوع اول از ستاره‌های کوتوله سفید که در یک سیستم دوتایی گرفتار شده‌اند، بوجود می‌آیند - در یک سیستم دوتایی، دو ستاره به دور یکدیگر شروع به چرخش می‌کنند. همچنین لازم است بدانید کوتوله سفید ستاره‌ای است که به پایان عمر خود نزدیک شده و تمام سوخت هسته‌ای خود را استفاده کرده است.

همانطور که گاز ستاره همراهِ ستاره کوتوله سفید روی آن انباشته می‌شود، کوتوله سفید متراکم‌تر شده و درنهایت یک واکنش هسته‌ای فرّار در آن آغاز می‌شود. همین واکنش هسته‌ای سبب انفجار آن و بوجود آمدن یک ابرنواختر می‌شود.

پس به طور خلاصه می‌توان گفت ستاره‌ای که در اثر انفجار به ابرنواختر نوع اول تبدیل می‌شود، پیش از انفجار ماده را از همسایگی خود جذب می‌کند و آنقدر بزرگ می‌شود تا زمانی که یک واکنش هسته‌ای فرار در آن آغاز می‌گردد.

ستاره‌شناسان از ابرنواخترهای نوع اول a یا «Supernovae Ia» به عنوان «شمع استاندارد» برای اندازه‌گیری فواصل کیهانی استفاده می‌کنند، زیرا تصور می‌شود همه آن‌ها با میزان درخشندگی یکسانی می‌سوزند. به عبارت دیگر، این نوع از ابرنواخترها همانند یک خط‌ کش در فضا عمل می‌کنند.

ابرنواخترهای نوع Ib و Ic نیز همانند ابرنواخترهای نوع دوم که در ادامه آن‌ها را مطالعه می‌کنیم، دچار فروپاشی هسته می‌شوند، اما بیشتر لایه هیدروژنی بیرونی خود را از دست می‌دهند.

ابرنواختر نوع دوم ( Supernovae II)

برای اینکه یک ستاره به عنوان ابرنواختر نوع دوم منفجر شود، باید چندین برابر خورشید جرم داشته باشد. برآوردها نشان می‌دهد ستاره‌ای که در پی انفجار به ابرنواختر نوع دوم تبدیل می‌شود، جرمی حدود هشت تا پانزده برابر خورشید دارد. هنگامی که این ستاره به پایان عمر خود نزدیک می‌شود، هیدروژن و هلیوم در هسته آن به پایان می‌رسد. این مولفه‌ها به نوعی سوخت هسته ستاره هستند.

با این‌حال، هنوز این ستاره در وضعیتی است که جرم و فشار کافی برای ذوب کربن دارد - سوزاندن هلیوم فرآیند سریعی نیست. برای ستاره‌ای با هشت برابر جرم خورشید، احتمالا سوزاندن هلیوم موجود حدود صد میلیون سال طول می‌کشد.

در مرحله بعد، عناصر سنگین‌تر به تدریج در مرکز ستاره تجمع می‌کنند و ستاره لایه‌های پیاز مانندی از مواد را تشکیل می‌دهد به طوری که هرچه به سمت لایه‌های بیرونی می‌رویم، عناصر سبک‌تری قرار دارند. هنگامی که هسته ستاره از یک جرم خاص به نام حد «چاندراسخار» یا «Chandrasekhar» فراتر می‌رود، انفجار آغاز می‌گردد. به همین دلیل است که ابرنواخترهای نوع دوم به عنوان «ابرنواخترهای فروپاشی هسته» نیز شناخته می‌شوند.

درنهایت انفجاری که در هسته صورت می‌گیرد مواد را با سرعت به بیرون می‌راند و اینجاست که ابرنواختر تشکیل می‌شود. چیزی که درنهایت باقی می‌ماند، یک جرم فوق چگال به نام «ستاره نوترونی» است - برای آنکه میزان متراکم بودن ستاره نوترونی رو بهتر درک کنید، این نکته را در نظر بگیرید که یک قاشق غذاخوری از یک ستاره نوترونی جرمی معادل قله اورست دارد!

مجددا به طور خلاصه می‌توان گفت ابرنواخترهای نوع دوم زمانی پدیدار می‌شوند که سوخت هسته‌ای ستاره تمام می‌شود و ستاره تحت گرانش خود فرو می‌ریزد.

زیرمجموعه‌های ابرنواختر نوع دوم براساس شدت نور در اطرافشان طبقه‌بندی می‌شوند. به عبارت دیگر، ابرنواخترها برحسب چگونگی تغییر شدت نور در طول زمان دسته‌بندی می‌شوند. نور ابرنواخترهای نوع II-L پس از انفجار به‌طور پیوسته کاهش می‌یابد، درحالیکه نور ابرنواخترهای نوع II-P پیش از آنکه کاهش یابد، برای مدت طولانی‌تری به صورت ثابت باقی می‌ماند. هر دو نوع دارای ردپای هیدروژن در طیف خود هستند.

چه بر سر ستاره‌هایی با جرم بیشتر می‌آید؟

اخترشناسان تخمین می‌زنند ستارگانی با جرم بسیار بیشتر از خورشید (حدود 20 تا 30 برابر جرم خورشید) ممکن است به عنوان یک ابرنواختر منفجر نشوند. در عوض آن‌ها در درون خود فرو می‌ریزند و سیاهچاله‌ها را تشکیل می‌دهد. در این مقاله سیاهچاله‌ها را به تفصیل بررسی کرده‌ایم.

تماشای یک ابرنواختر

مطالعات اخیر نشان داده است که ابرنواخترها مانند بلندگوهای غول‌پیکر عمل می‌کنند و صدای انفجار آن‌ها در کیهان ارتعاش ایجاد می‌کند.

در سال 2008، دانشمندان برای اولین بار یک ابرنواختر درحال انفجار را ثبت کردند. «آلیسیا سودربرگ» اخترشناس و همکارانش به جای آنکه لکه‌های کوچک درخشان حاصل از انفجار ابرنواختری را در طول یک ماه مشاهده کنند، یک انفجار پرتو ایکس عجیب و بسیار درخشان را برای مدت زمان پنج دقیقه دیدند.

با این مشاهدات، آن‌ها اولین اخترفیزیکدانانی بودند که یک ستاره درحال انفجار را شکار کردند. ابرنواختر حاصل از این انفجار «SN 2008D» نام گرفت.

اخترشناسان به طور کلی از انواع مختلف تلسکوپ‌ها برای جستجو و مطالعه ابرنواخترها استفاده می‌کنند. برخی از تلسکوپ‌ها برای مشاهده نور مرئی ناشی از انفجار مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی دیگر، داده‌های اشعه ایکس و گاما که در این انفجارها تولید می‌شوند را ثبت می‌کنند. تاکنون تلسکوپ فضایی هابل و رصدخانه اشعه ایکس «چاندرا» تصاویری از ابرنواخترها ثبت کرده‌اند.

علاوه بر این‌ها، در تیرماه سال 1391 ناسا اولین تلسکوپ با هدف مطالعه ستاره‌های فروپاشیده و سیاهچاله‌ها را به مدار فرستاد - در ادامه ارتباط سیاهچاله‌ها به این مسئله را بیان می‌کنیم.

این تلسکوپ «NuSTAR» نام دارد و به جستجوی بقایای ابرنواختری نیز می‌پردازد. دانشمندان امیدوارند این تلسکوپ اطلاعات ارزشمندی در مورد چگونگی انفجار ستاره‌ها و عناصر تولید شده در این انفجار در اختیار آن‌ها قرار دهد.

چرا تماشای ابرنواخترها اهمیت دارد؟

همانطور که گفتیم ابرنواخترها به عنوان نوعی شمع استاندارد در کیهان عمل می‌کنند که از طریق بررسی میزان درخشندگی آن‌ها می‌توان فواصل کیهانی را اندازه گرفت.

علاوه بر این، ابرنواخترها هرچند که برای مدت زمان کوتاهی می‌سوزند، اما می‌تواند نکات زیادی در مورد عالم به دانشمندان بیاموزند. پیش از این دانشمندان به کمک ابرنواخترها نشان داده‌اند که کیهان ما به صورت پیوسته و شتابدار درحال انبساط است - عالمی که با سرعت فزاینده‌ای در حال رشد است.

اخترشناسان همچنین به این نتیجه رسیده‌اند که ابرنواخترها نقش کلیدی در توزیع جرم در کیهان دارند. وقتی ستاره‌ منفجر می‌شود، قسمت‌هایی از خود را به فضا پرتاب می‌کند. بسیاری از عناصری که اینجا روی زمین پیدا می‌کنیم، درحقیقت زمانی مولفه سازنده هسته ستارگان بوده‌اند. این اجرام برای تشکیل ستارگان دیگر، سیارات و یا هر جرم سماوی دیگر در کیهان پراکنده می‌شوند.

ستارگان را به نوعی می‌توان کارخانه‌های عالم دانست. ستاره‌ها عناصر شیمیایی مورد نیاز برای ساختن اجرام سماوی در کیهان ما را تولید می‌کنند. ستارگان در هسته خود، عناصر ساده‌ای مانند هیدروژن را به عناصر سنگین‌تر تبدیل می‌کنند. این عناصر سنگین‌تر - مانند کربن و نیتروژن - عناصر حیات هستند.

عناصر سنگین مانند طلا، نقره و اورانیوم توسط ستاره‌های پرجرم تولید می‌شوند. هنگامی که انفجار ابرنواختری رخ می‌دهد، ستارگان عناصر ذخیره شده و عناصر تازه تولید شده را در سراسر کیهان پراکنده می‌کنند.

نواختر (Nova) چیست؟

جدا از ابرنواخترها که موضوع اصلی این مقاله هستند، اجرامی با نام «نواختر» نیز وجود دارند که به صورت خلاصه آن‌ها را در پایان تعریف می‌کنیم. نواختر یک افزایش شدید و سریع در روشنایی یک ستاه است. پس نواخترها به دلیل شعله‌ور شدن مجدد ستاره‌ای پس از سال‌ها خاموشی برای مدت کوتاهی ایجاد می‌شوند. این کلمه از لاتین و به معنای «ستاره جدید» آمده است، زیرا اغلب ستاره‌ای که پیش از این بسیار کم نور بوده است و با چشم غیرمسلح قابل رویت نبود، می‌تواند تبدیل به یک جرم درخشان در آسمان شود.