درست قبل از انفجار چه اتفاقی برای ستاره‌های پرجرم می‌افتد؟

درست قبل از انفجار چه اتفاقی برای ستاره‌های پرجرم می‌افتد؟
تصویر ۱: فروپاشی هسته‌ی یک ستاره‌ی پرجرم و انفجار ابرنواختری. تصویر از سایت زیر برداشته شده است: http://goo.gl/o8A8Co

تصویر ۱: فروپاشی هسته و انفجار ابرنواختری. تصویر از سایت زیر برداشته شده است: http://goo.gl/o8A8Co

شاید بارها راجع به سرنوشت یک ستاره‌ی پرجرم شنیده یا خوانده باشید. خلاصه‌ی ماجرا این است که عناصر تشکیل دهنده‌ی ستاره به نوبت می‌سوزند. ماجرا از سوخت هیدروژن شروع می‌شود و پس از اتمامش به هلیوم و قدم به قدم به سوختن عناصر دیگر و در پایان به آهن می‌رسد که هرچند سنگین است ولی آن هم می‌سوزد. سوختن آهن برخلاف عناصر دیگر مقدار زیادی انرژی لازم دارد. انرژی‌ای که تاکنون صرف پایداری کلی سیستم و غلبه‌ بر نیروی گرانش می‌شده ناگهان صرف سوختن آهن می‌شود تا آن‌جا که هسته‌ی ستاره منقبض می‌شود و در نتیجه دمایش بالا می‌رود. هرچه دما بالاتر رود آهن سریع‌تر می‌سوزد و انرژی بیشتری از سیستم را اختیار می‌کند. این روند تا آن‌جا پیش می‌رود که هسته‌ی ستاره فرومی‌پاشد و به اندازه‌ی زمین کوچک می‌شود. این اتفاق تنها در کسری از ثانیه رخ می‌دهد.

در این مرحله، چگالی هسته آن‌قدر بالا می‌رود که چندگانگی یا تبهگنی (Degeneracy) الکترون‌ها رخ می‌دهد. در اثر چگالی زیاد، الکترون‌ها و پروتون‌ها به هم برخورد کرده، مقادیر زیادی نوترون و نوترینو تولید می‌کنند. در نهایت، هسته‌ی ستاره، شبیه توپی از نوترون می‌شود که با وجود چگالی بسیار زیاد، سایزی بسیار کوچک‌تر از زمین و در ابعاد یک شهر دارد. تبهگنی نوترون‌ها در این مرحله می‌تواند فروپاشی ستاره را متوقف کند و ستاره‌ی نوترونی شکل دهد. اما مواد خارج از هسته‌ی ستاره که هنوز آن بیرون وجود دارند، هنگام فروپاشی هسته، در کسری از ثانیه با هسته فاصله می‌گیرند و تکیه‌گاه خود را از دست می‌دهند. پس از لحظه‌ای، این مواد در اثر گرانش شدید هسته، بر روی هسته فرود می‌آیند و دمایشان تا چند میلیارد درجه بالا می‌رود. در اثر این دمای بسیار زیاد و تبعا فشار بسیار بالای حاصل از آن، انرژی زیادی توسط این مواد آزاد می شود. این انرژی بسیار زیاد، باعث انفجاری بزرگ می‌شود که لایه‌های بیرونی ستاره را آناً پراکنده می‌کند: ستاره منفجر می‌شود؛ یک انفجار ابرنواختری. بسته به جرم اولیه‌ی ستاره، سرنوشت ستاره به یک ستاره‌ی نوترونی یا یک سیاهچاله ختم می‌شود.

و اما می‌توان ستاره را درست قبل از این وقایع نیز بررسی کرد. پژوهشگران، آهنگ کاهش جرم ستاره و تابش نوترینوهای تولیدشده در هسته را درست قبل از فروپاشی مطالعه می‌کنند. در مقاله‌ای که این‌جا بررسی می‌کنیم نویسندگان، مکانیسم جدیدی برای تعیین نرخ کاهش جرم ستاره‌های پرجرم قبل از انفجارشان ارائه می‌دهند.

کاهش جرم ستاره‌ای یکی از مهم‌ترین پدیده‌هایی است که سرنوشت یک ستاره را تعیین می‌کند. برای مثال نوع طیف یک ابرنواختر به میزان جرم از دست داده‌ی آن در طول زمان تحولش بستگی دارد. مشاهدات اخیر نشان می‌دهند که برخی از ستارگان قبل از انفجارشان با آهنگ زیادی جرم از دست می‌دهند. منجمان برای اولین بار مشاهده کردند که ابرنواختر SN 2006jc دو سال قبل از انفجارش بسیار پرنور شد. هم‌چنین ابرنواختر SN iPTF13beo دو قله در منحنی نوری خود نشان می‌دهد که حاکی از آهنگ کاهش جرمی حدودا برابر Ms/yr ۰/۰۰۲  در یک سال قبل از انفجار است. Ms جرم خورشید است و yr سال را نشان می‌دهد.

چنین نرخ بالایی از کاهش جرم ستاره‌های پر جرم درست قبل از انفجارشان در مدل استاندارد تحول ستارگان تعریف نشده است و مکانیسم آن به درستی شناخته شده نیست. یک موضوع مرتبط به این نرخ کاهش جرم می‌تواند درخشندگی بسیار زیاد (در حد درخشندگی اِدینگتون*) ستاره‌ی اولیه باشد. برای مثال ستاره‌ی اولیه‌ی ابرنواختر SN 2005gl قدر مطلق ۱۰- دارد که متعلق به پرنورترین ستاره‌هاست. ستاره‌ی اولیه‌ی ابرنواختر SN 2009ip  نیز قدر مطلق مشابهی دارد و به نظر می‌آید که درخشندگیش در حد ادینگتون باشد. این ابرنواختر اطلاعات مهمی درباره‌ی فعالیت‌های ستاره‌ی اولیه در اختیار ما قرار داده است. برای مثال ستاره‌ی اولیه چندین فوران پرانرژی را از چند سال قبل از انفجار نشان می‌دهد. علاوه بر نرخ بالای کاهش جرم، برخی از ستارگان در هنگام انفجار، دارای شعاع بزرگتری نسبت به پیش‌بینی‌های مدل استاندارد تحول ستارگان هستند. توضیح این دو مشاهده، یعنی نرخ بالای کاهش جرم درست قبل از انفجار و شعاع بزرگ ستاره در هنگام انفجار، نیازمند مکانیسم جدیدی است.

همان‌طور که در ابتدا گفتیم، درست قبل از انفجار، تعداد زیادی نوترینو در هسته‌ی ستاره تولید می‌شود که انرژی زیادی از خود ساطع می‌کنند. درخشندگی این نوترینوها در حدی زیاد است که آشکارسازهای نوترینو از هفته‌ها قبل از انفجار آن‌ها را (به شرط آن‌که به زمین نزدیک باشند) می‌توانند آشکار کنند. در این مقاله، پژوهشگران، اثر جدیدی را که ناشی از درخشندگی بسیار زیاد این نوترینوهاست، برای توجیه نرخ بالای کاهش جرم ستاره‌های پرجرم پیشنهاد می‌دهند.

کاهش جرم هسته‌ی ستاره توسط تابش نوترینویی، باعث کاهش ناگهانی نیروی گرانشی ستاره نیز می‌شود. در این مقاله، پژوهشگران پیشنهاد می‌دهند که اثر کاهش جرم نوترینویی در هسته‌ی ستاره می‌تواند در سطح ستاره نیز درست قبل از فروپاشی هسته و نزدیک درخشندگی ادینگتون ظاهر شود. در واقع، پتانسیل گرانشی در اثر تابش نوترینویی می‌تواند قبل از فروپاشی هسته به مقدار زیاد کاهش یابد و درخشندگی ستاره را تا حد ادینگتون بالا برد. بنابراین، نیروی گرانشی ضعیف شده باعث از دست دادن جرم زیادی می‌شود که هم‌چنین می‌تواند باعث انبساط ستاره‌ی پرجرم درست قبل از انفجار آن بشود.

تصویر ۲: این تصویر که از مقاله برداشته شده است درخشندگی نوترینوی تابش‌شده از ستاره‌های پرجرم را، قبل از فروپاشی هسته، بر حسب زمان نشان می‌دهد. محور سمت راست آهنگ کاهش جرم هسته را نشان می‌دهد که در این مقاله تخمین زده شده است. اگر درخشندگی ستاره در حد ادینگتون باشد، آهنگ کاهش جرم در سطح ستاره می‌تواند برابر با آهنگ کاهش جرم هسته باشد.

تصویر ۲: این تصویر که از مقاله برداشته شده است درخشندگی نوترینوی تابش‌شده از ستاره‌های پرجرم را، قبل از فروپاشی هسته، بر حسب زمان نشان می‌دهد. محور سمت راست آهنگ کاهش جرم هسته را نشان می‌دهد که در این مقاله تخمین زده شده است. اگر درخشندگی ستاره در حد ادینگتون باشد، آهنگ کاهش جرم در سطح ستاره می‌تواند برابر با آهنگ کاهش جرم هسته باشد.

نویسندگان این مقاله آهنگ از دست دادن جرم ستاره‌های پرجرم توسط تابش نوترینو را محاسبه می‌کنند. آهنگ کاهش جرم، یک سال قبل از فروپاشی هسته، می‌تواند به بیشتر از ۰/۰۰۰۱ Ms/yr برسد و حدود ۱۰ روز مانده به فروپاشی هسته، این نرخ به ۰/۰۱ Ms/yr می‌رسد (به تصویر ۲ نگاه کنید.) اگر درخشندگی یک ستاره‌ی اولیه‌ی پرجرم، نزدیک به حد درخشندگی ادینگتون باشد، در اثر کاهش نیروی گرانشی می‌تواند درخشندگی‌ای بیشتر از حد ادینگتون به دست آورد. در این صورت نیروی تابشی که با نیروی گرانشی در تعادل بوده است، می‌تواند مواد سطح ستاره را به بیرون هُل داده و جرم زیادی را از دست دهد. از آن‌جایی که انرژی گرانشی کاهش‌یافته، آماده‌ی خارج کردن مواد سطحی است، آهنگ کاهش جرم در سطح ستاره می‌تواند به اندازه‌ی آهنگ کاهش جرم در هسته باشد. حتی اگر درخشندگی یک ستاره بسیار کم‌تر از حد ادینگتون باشد و نتواند با تابش نوترینو (درست قبل از فروپاشی هسته) باعث کاهش جرم شود، هنوز می‌تواند به دلیل کاهش نیروی گرانشی باعث انبساط ستاره شود. این موضوع نشان‌ می‌دهد که چرا بعضی از ستاره‌ها در هنگام انفجار، شعاع بزرگ‌تری نسبت به پیش‌بینی‌های تئوری تحول ستارگان دارند.

*درخشندگی اِدینگتون ماکسیمم درخشندگی است که یک ستاره می‌تواند به دست آورد و آن موقعی است که بین نیروی تابشی و نیروی گرانشی تعادل برقرار شود.

عنوان اصلی مقاله:
Mass loss of massive stars near the Eddington luminosity by core neutrino emission shortly before their explosion
نویسندگان:
Takashi J. Moriya
این مقاله برای چاپ در نشریه‌ی Astronomy & Astrophysics پذیرفته شده است.
لینک مقاله‌ اصلی: http://arxiv.org/abs/1403.2731
گردآوری: آزاده کیوانی
دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

آزاده کیوانی

پژوهشگر پَسادکترا در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا است که در زمینه‌ی اخترفیزیک ذره‌ای پژوهش می‌کند. در حال حاضر عضو تیم تحقیقاتی AMON و هم‌چنین عضو رصدخانه‌ی نوترینوی IceCube است. او در سال ۲۰۱۳ دکترای خود را در رشته‌ی اخترفیزیک از دانشگاه ایالتی لوییزیانا گرفته است و در طول تحصیلات تکمیلیش عضو رصدخانه Pierre Auger بوده است. پروژه‌ی دکترای او بررسی تأثیرات میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری بر روی انحراف پرتوهای کیهانی پرانرژی در راستای شناخت منشأ و نوع این ذرات بوده است.

دیدگاه‌ها

  1. Shayan
    Shayan ۲۵ اسفند, ۱۳۹۲، ۰۰:۳۵

    جالبی داستان اینه که همه اینها در کسری از ثانیه رخ می‌دهند! بخش اول این نوشته را می‌توان با دید شاعرانه خواند… فروپاشی ستاره، انفجار ابرنواختری، «سرنوشت ستاره به یک ستاره‌ی نوترونی یا یک سیاهچاله ختم می‌شود…» کودک درون آدم شاید ناراحت میشه از مردن ستاره!

    پاسخ به این دیدگاه
    • staryab
      staryab ۲۵ اسفند, ۱۳۹۲، ۲۰:۱۳

      نظر خیلی جالبی بود! درسته که می‌میره ولی خب خیلی هم نمی‌میره، اگر سیاهچاله بشه که موجود حیرت‌انگیزی می‌شه با کلی فعالیت.

      پاسخ به این دیدگاه
    • اكبر محمدزاده
      اكبر محمدزاده ۲۵ شهریور, ۱۳۹۳، ۱۱:۵۹

      انفجار ابرنواختر مردن ستاره نیست تولد دو باره و ایجاد حیات جدید می باشد.به نوعی حیات انسان به ابرنواختر وابسته بوده است.

      پاسخ به این دیدگاه
  2. هومن
    هومن ۲۶ اسفند, ۱۳۹۲، ۰۷:۳۹

    خوب بود متشکرم

    پاسخ به این دیدگاه
  3. اكبر محمدزاده
    اكبر محمدزاده ۲۵ شهریور, ۱۳۹۳، ۱۷:۲۶

    i love super novae for their light celebrating at end time ,their matter sending toward interstellar space ,their role in or existing and life ,and for their palpitating center as or heart(neotrun star=palsar),

    پاسخ به این دیدگاه

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*