Ποιος ο ρόλος της αστάθειας ζεύγους στις υπερκαινοφανείς εκρήξεις;

Οι υπερκαινοφανείς εκρήξεις σηματοδοτούν το καταστροφικό τέλος ορισμένων άστρων. Κατά την έκρηξη αυτή, το άστρο διαλύεται και το υλικό του εκτινάσσεται, με υπερηχητικές ταχύτητες, στο μεσοδιάστημα. Η ενέργεια που παράγεται σε μία υπερκαινοφανή έκρηξη είναι συγκρίσιμη με αυτή που θα ακτινοβολήσει ο Ήλιος σε όλη τη διάρκεια της ζωής του. Για τον λόγο αυτό, οι υπερκαινοφανείς εκρήξεις μπορούν να γίνουν ορατές σε πολύ μεγάλες αποστάσεις.

Το αίτιο για το βίαιο θάνατο αυτών των άστρων είναι η κατάρρευση που υφίστανται όταν δεν μπορούν πλέον να συγκρατήσουν τη δύναμη της ίδιας τους της βαρύτητας. Η κατάρρευση αυτή είναι τόσο απότομη, που ενεργοποιεί ένα ωστικό κύμα, το οποίο σαρώνει και διαλύει κυριολεκτικά το άστρο. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να λάβει χώρα, αν η μάζα του άστρου είναι μεγαλύτερη από οκτώ φορές τη μάζα του Ήλιου.

Οι αστρονόμοι μπορούν πλέον να προβλέψουν τη φύση του άστρου το οποίο εξερράγη, μελετώντας το αποτύπωμα που αφήνει στο φάσμα και στην καμπύλη φωτός μιας υπερκαινοφανούς έκρηξης. Παρ’ όλα αυτά, υπάρχουν ακόμα κάποιες πολύ λαμπρές υπερκαινοφανείς εκρήξεις, οι οποίες δεν μπορούν να εξηγηθούν από τα συμβατικά μοντέλα της εξέλιξης των άστρων. Για τις συγκεκριμένες, ως βασικοί ύποπτοι θεωρούνται οι αστέρες πολύ μεγάλης μάζας, η οποία κυμαίνεται από 130 έως 250 ηλιακές μάζες. Ο δε μηχανισμός που προκαλεί την έκρηξη οφείλεται στη λεγόμενη «αστάθεια ζεύγους» (pair instability).

Η δύναμη που συγκρατεί τα άστρα μεγάλης μάζας είναι η ακτινοβολία που παράγουν από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα τους. Όμως, τα άστρα πολύ μεγάλης μάζας χαρακτηρίζονται από τόσο υψηλές θερμοκρασίες στο εσωτερικό τους, που σφοδρές συγκρούσεις συμβαίνουν ανάμεσα στα παραγόμενα φωτόνια και τα σωματίδια που αποτελούν το άστρο. Απόρροια των συγκρούσεων αυτών είναι τα φωτόνια να γεννούν στη θέση τους ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, φαινόμενο που ονομάζεται «δίδυμη γένεση». Καθώς, λοιπόν, η δίδυμη γένεση λαμβάνει χώρα, τα φωτόνια του άστρου μειώνονται συνέχεια σε αριθμό, με αποτέλεσμα η ακτινοβολία να μη μπορεί να συγκρατήσει πλέον τη βαρύτητα και το άστρο να οδηγείται σε κατάρρευση, η οποία με τη σειρά της πυροδοτεί μία υπερκαινοφανή έκρηξη. Για τον λόγο αυτό, οι συγκεκριμένες εκρήξεις ονομάστηκαν υπερκαινοφανείς αστάθειας ζεύγους (Pair instability supernovae).

Μπορεί, λοιπόν, αυτός ο μηχανισμός να εξηγήσει τις υπέρλαμπρες υπερκαινοφανείς εκρήξεις που παρατηρούμε; Το ερώτημα αυτό παραμένει ακόμα και σήμερα αναπάντητο και οι επιστήμονες δουλεύουν συστηματικά προς την επίλυσή του.

Καλλιτεχνική απεικόνιση του SN 2016iet, ενός σουπερνόβα αστάθειας-ζεύγους. Image credit: Gemini Observatory / NSF / AURA / Joy Pollard.