Τι σχέση έχουν τα νετρίνα με τις εκρήξεις υπερκαινοφανών;

Πριν από 34 χρόνια οι επιστήμονες έλαβαν ένα συναρπαστικό εξωγαλαξιακό σήμα, αυτό της έκρηξης υπερκαινοφανούς 1987Α. Πρόκειται για μια αστρική έκρηξη (ή αλλιώς supernova) που έλαβε χώρα στον γειτονικό νάνο γαλαξία, το μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου. Η έκρηξη αυτή ήταν τόσο ισχυρή που μπορούσε να παρατηρηθεί με γυμνό μάτι από το νότιο ημισφαίριο της Γης.

Η έκρηξη SN 1987Α αποτέλεσε σημαντικό γεγονός για την επιστημονική κοινότητα διότι σημειώνεται ως η πιο κοντινή έκρηξη που έχει συμβεί τα τελευταία χρόνια και έχει προσφέρει ένα πλήθος πληροφοριών που μπορούν να ρίξουν φως στον μυστηριώδη μηχανισμό της έκρηξης των άστρων. Ο προηγούμενος υπερκαινοφανής που παρατηρήθηκε στον Γαλαξία μας ήταν το 1604!

Πέρα από τις παρατηρήσεις σε όλα τα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, για πρώτη φορά εντοπίστηκαν νετρίνα προερχόμενα από αυτή την έκρηξη. Τι είναι όμως τα νετρίνα και γιατί είναι τόσο σημαντικά για τις εκρήξεις υπερκαινοφανών;

Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια με σπιν 1/2, είναι δηλαδή φερμιόνια. Έχουν πολύ μικρή, σχεδόν μηδενική μάζα (ανώτατο όριο μάζας 2.14 × 10⁻³⁷ kg) και αλληλεπιδρούν με την ύλη, με πολύ μικρή πιθανότητα. Τα νετρίνα παράγονται συνεχώς κατά την διάρκεια της ζωής ενός αστέρα μέσω της πυρηνικής καύσης στοιχείων, τι ρόλο παίζουν όμως στα τελικά στάδια της ζωής μαζικών αστέρων;

Ας κάνουμε ένα βήμα πίσω και ας δούμε πως πεθαίνουν τα αστέρια. Τα αστέρια “μικρής” μάζας, δηλαδή αστέρια με μάζα μικρότερη από περίπου 8 ηλιακές μάζες, στα τελευταία στάδια της ζωής τους θα μετατραπούν σε λευκούς νάνους (για περισσότερες πληροφορίες διαβάστε εδώ). Τα μαζικά αστέρια, με μάζα περισσότερη από 8 ηλιακές μάζες μέχρι και περίπου 100 ηλιακές μάζες, όταν καταναλώσουν όλα τα πυρηνικά τους καύσιμα, θα καταρρεύσουν λόγω της ίδιας τους της βαρύτητας. Η κατάρρευση αυτή θα σταματήσει όταν η πυκνότητα στο κέντρο του άστρου είναι τόσο υψηλή που η ύλη δεν μπορεί να συμπιεστεί περεταίρω. Έτσι, η υπόλοιπη ύλη που συνεχίζει να καταρρέει προς τον πυρήνα του άστρου, θα αναπηδήσει δημιουργώντας ένα ωστικό κύμα*, που θα διαδοθεί προς τα εξωτερικά στρώματα του αστέρα. Ακολουθώντας λεπτομερείς υπολογισμούς, διαπιστώνουμε ότι η ενέργεια του ωστικού κύματος δεν είναι αρκετή για να διαδοθεί μέχρι την επιφάνεια του αστέρα και να δημιουργήσει την έκρηξη supernova. Λόγω αυτού, το ωστικό κύμα σταματάει να διαδίδεται. Εδώ έρχεται η συνεισφορά των νετρίνων.

Πιο συγκεκριμένα, όπως αναφέραμε, η ύλη σταματάει να καταρρέει στο κέντρο του αστέρα διότι δεν μπορεί να συμπιεστεί περαιτέρω. Έτσι, στο κέντρο του αστέρα δημιουργείται ένας πρώτο-αστέρας νετρονίων, ο οποίος εκπέμπει νετρίνα μέσω πυρηνικών αντιδράσεων. Τα νετρίνα μπορεί να είναι παγιδευμένα μέσα στον πρωτο-αστέρα είτε να διαδίδονται ελεύθερα, ανάλογα με την πυκνότητα και θερμοκρασία της ύλης στην περιοχή αυτή. Έπειτα από μια συγκεκριμένη ακτίνα του πρωτο-αστέρα, λόγω των θερμοδυναμικών συνθηκών, τα νετρίνα μπορούν να ταξιδέψουν ελεύθερα και να θερμάνουν την ύλη που βρίσκεται εκεί. Τελικά, τα νετρίνα εναποθέτουν αρκετή ενέργεια ώστε το ωστικό κύμα να συνεχίσει να διαδίδεται μέσα στο μαζικό άστρο και τελικά να οδηγήσει στην επιτυχή δημιουργία της έκρηξης.

Αξίζει να σημειώσουμε ότι ο μηχανισμός αυτός είναι ευρέως αποδεκτός και ίσως ο πιο βασικός μηχανισμός έκρηξης αστέρων μεγάλης μάζας.

Ωστόσο τα νετρίνα δεν είναι πάντα αρκετά για να εξηγήσουν τις εκρήξεις σε όλα τα αστέρια για όλες τις δυνατές μάζες αστέρων (περίπου 8-100 ηλιακές μάζες). Ο μηχανισμός αυτός βασίζεται στο γεγονός ότι τα νετρίνα εναποθέτουν αρκετή ενέργεια ώστε να βοηθήσουν την προώθηση του ωστικού κύματος. Παρόλα αυτά, σε πολλές περιπτώσεις, η εναπόθεση ενέργειας αυτή δεν είναι επαρκής και ίσως διαδραματίζονται και άλλα φαινόμενα που, σε συνδυασμό με τα νετρίνα, οδηγούν στην επιτυχή έκρηξη υπερκαινοφανούς. Για παράδειγμα, υδροδυναμικές αστάθειες δίνουν περισσότερο χρόνο στον μηχανισμό νετρίνων να θερμάνουν την ύλη και έτσι να δημιουργηθεί η επιτυχής έκρηξη.

Οι λεπτομέρειες που θα συνιστούν μια γενικευμένη θεωρία είναι προς το παρόν αντικείμενο εντατικής έρευνας σε πολλά ερευνητικά κέντρα και πανεπιστήμια ανά τον κόσμο.

Ελπίζουμε στο κοντινό μέλλον να παρατηρήσουμε μια υπερκαινοφανή έκρηξη στο δικό μας Γαλαξία και να συλλέξουμε αρκετά δεδομένα που θα βοηθήσουν στην κατανόηση και την έρευνα στον τομέα αυτό.

* Ωστικό κύμα είναι το φαινόμενο που δημιουργείται όταν ένα ρευστό κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου στο ρευστό.