Νέα στοιχεία για τις εκρήξεις κιλονόβα

Δημοσιεύτηκε από Rita Theologi 04/03/2019 0 Σχόλια The Economist,

Όλα τα ζωντανά στοιχεία εμπεριέχουν κάτι από τα αστέρια. Εκτός από το υδρογόνο, που προέρχεται από το Big Bang που σημάδεψε τη γέννηση του σύμπαντος, όλα τα μέχρι σήμερα γνωστά στοιχεία αποτελούνται από άνθρακα, οξυγόνο, άζωτο και ούτω καθεξής και δημιουργήθηκαν από τη διαδικασία απελευθέρωσης ενέργειας της πυρηνικής σύντηξης. Η διαδικασία αυτή τροφοδοτεί τα αστέρια. Όμως η σύντηξη έχει τα όριά της. Η ισορροπία δυνάμεων μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα σημαίνει ότι η δημιουργία ενός στοιχείου βαρύτερου από το σίδηρο (αριθμός 26 στον περιοδικό πίνακα) καταναλώνει ενέργεια αντί να το απελευθερώνει. Ακόμη, πέρα ​​από το μόλυβδο (αριθμός 82), οι πυρήνες τείνουν να υποχωρούν αυθόρμητα. Με άλλα λόγια, γίνονται ραδιενεργοί.

 

Για να συνθέσουμε στοιχεία βαρύτερα από το σίδηρο - και ιδιαίτερα αυτά που είναι βαρύτερα από μόλυβδο - απαιτούνται συνεχείς “εργασίες”. Μερικές από αυτές τις εργασίες λαμβάνουν χώρα σε αστρικές εκρήξεις που ονομάζονται σουπερνόβα. Ωστόσο, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι ακόμη και οι σουπερνόβα θα ήταν δύσκολο να εξηγήσουν την αφθονία των βαρέων χημικών στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων όπως ο χρυσός, η πλατίνα ή και ραδιενεργών όπως το ουράνιο. Μια υπόθεση είναι ότι αυτά τα στοιχεία είναι προϊόντα συγκρούσεων μεταξύ εξαιρετικά πυκνών αντικειμένων που ονομάζονται “αστέρια νετρονίων”. Όπως δήλωσε ο Μπράιαν Μέτζερ του Πανεπιστημίου της Κολούμπια, η υπόθεση αυτή έχει πλέον επιβεβαιωθεί από τα δεδομένα.


Η θεωρία των “αστεριών-νετρονίων” εξαρτάται επίσης από τις σουπερνόβα, αλλά μόνο μερικώς. Πρόκειται καταρρέοντα υπολείμματα συγκεκριμένων τύπων σουπερνόβα που περιλαμβάνουν αστέρια με οκτώ ή περισσότερες φορές τη μάζα του ήλιου. Κατά τη διάρκεια αυτών των γεγονότων, ο πυρήνας του αστεριού εκρήγνυται, δημιουργώντας πιέσεις ώστε τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια των ατόμων εντός του να αναγκαστούν να συγχωνευθούν και να δημιουργήσουν νετρόνια. Το προκύπτον αντικείμενο είναι συνεπώς μικρό (με ακτίνα περίπου 10 χλμ.) ενώ έχει το ίδιο είδος πυκνότητας με έναν ατομικό πυρήνα. Ένα κομμάτι μεγέθους ζαχαροκάλαμου, με άλλα λόγια, θα ζυγίζει όσο ένα βουνό.

 

Ένα αστέρι νετρονίων δεν μπορεί να δημιουργήσει νέα στοιχεία, μπορούν όμως δύο αστέρια νετρονίων που βρίσκονται σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο. Το ζεύγος θα χάσει βαθμιαία ενέργεια, με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων χαμηλής ισχύος και θα έρθει πιο κοντά με αποτέλεσμα τη σύγκρουση. Έτσι θα δημιουργηθεί μια έκρηξη που ονομάζεται κιλονόβα η οποία συνοδεύεται από ένα τεράστιο βαρυτικό κύμα. Αυτή η έκρηξη ρίχνει νετρόνια προς όλες τις κατευθύνσεις.

 

Στη Γη, ένας καθιερωμένος τρόπος κατασκευής βαρέων χημικών στοιχείων από τα ελαφρά είναι ο βομβαρδισμός με νετρόνια. Σε αυτή τη διαδικασία οι υπάρχοντες πυρήνες απορροφούν νετρόνια, γίνονται βαρύτεροι αλλά και ασταθείς. Στο αντίστροφο αυτό που συμβαίνει όταν δημιουργείται ένα αστέρι νετρονίων, τα νετρόνια μέσα στους βομβαρδισμένους πυρήνες στη συνέχεια αποβάλλουν τα ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε πρωτόνια. Το αποτέλεσμα είναι ένας πιο μαζικός πυρήνας και ένας με περισσότερα πρωτόνια. Περισσότερα πρωτόνια σημαίνουν υψηλότερο ατομικό αριθμό. Ως αποτέλεσμα ο νέος πυρήνας έχει μετασχηματιστεί σε ένα βαρύτερο στοιχείο.

 

Στην πραγματικότητα, πρόκειται για μια εκδοχή μικρής κλίμακας για το τι συμβαίνει μετά από μια τέτοια σύγκρουση. Τα απελευθερωμένα νετρόνια βομβαρδίζουν κάθε θέμα στον περιβάλλοντα χώρο, δίνοντας σε κάθε ένα από τα άτομα έναν μεγάλο αριθμό σειριακών αναβαθμίσεων των ατομικών τους αριθμών. Το μόνο πρόβλημα με αυτή τη θεωρία ήταν ότι μέχρι πρόσφατα κανείς δεν είχε δει κιλονόβα και έτσι δεν ήταν γνωστό με βεβαιότητα ότι υπήρχαν. Όπως περιέγραψε ο Μέτζερ, αυτό άλλαξε στις 17 Αυγούστου 2017 όταν ο ligo, ένας ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων στη Βόρεια Αμερική, έκανε την πρώτη του παρατήρηση για σύγκρουση με αστεριών-νετρονίων. Πραγματοποιήθηκε πριν από πολύ καιρό σε έναν μακρινό γαλαξία σε έναν αστερισμό που ονομάζεται Ύδρα, αλλά τα κύματα της βαρύτητας ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, η οποία είναι πεπερασμένη, οπότε υπήρξε σημαντική καθυστέρηση στην άφιξη του σήματος στη Γη.

 

Πολύτιμες γνώσεις

Μετά το βαρυτικό κύμα, τα οπτικά τηλεσκόπια κοίταξαν την πηγή τους. Αυτό επέτρεψε στους αστρονόμους να συλλέξουν φάσματα από την έκρηξη και έτσι να καθορίσουν ποια στοιχεία δημιουργήθηκαν. Το κιλονόβα gw170917, όπως ονομάστηκε το γεγονός, έβγαλε υλικό που ισοδυναμεί με το 5% της μάζας του ήλιου. Μεταξύ άλλων, αυτή η εκτόξευση παρήγαγε χρυσό (αξίας περίπου δέκα μάζων της γης) και πλατίνα (αξίας 50 μάζας των μαζών).


Οι εκρήξεις κιλονόβα είναι σπάνια γεγονότα, συμβαίνουν ίσως μία φορά κάθε 10.000-100.000 χρόνια ανά γαλαξία. Θα ήταν συνηθισμένο στο παρελθόν, όταν τα βραχύβια αστέρια μεγάλης μάζας που δημιούργησαν αστέρες νετρονίων ήταν πιο άφθονα. Ακόμα κι έτσι, στοιχεία με ατομικούς αριθμούς άνω των 26, είτε προέρχονται από αστέρες υπερκαινοφανείς είτε από αστέρες νετρονίων, αποτελώντας μόνο το 0,1% της μάζας των ατόμων στο σύμπαν.

 

Οι μελλοντικές παρατηρήσεις που χρησιμοποιούν το ligo (το οποίο αναβαθμίζεται) και οι προσεχείς ανιχνευτές στην Ιαπωνία και την Ινδία θα επιτρέψουν πιο λεπτομερή ανάλυση. Τώρα, όμως, φαίνεται σαφές ότι, ενώ τα ανθρώπινα σώματα αποτελούνται κατά κύριο λόγο από αστέρι, μέρος της ύλης τους άρχισε μέσα σε ένα κιλονόβα. Και η έλλειψη αυτών των πολύτιμων μετάλλων, που τα καθιστά τόσο επιθυμητά, είναι άμεση συνέπεια της σπανιότητας των κιλονόβα.


Μετάφραση: Ρίτα Θεολόγη

 

Αφήστε ένα σχόλιο