Új modell a szupernóva-robbanásokról

Egy új elméleti modell végre választ adhat a régóta tisztázatlan kérdésre: miként robbannak fel életük végén szupernóvaként a nagytömegű csillagok?

Forrás: Adam BurrowsEgy robbanás egyszerűsített háromdimenziós szimulációja. A centrumban keletkező neutroncsillag fentről még gyűjti a bezuhanó anyagot, míg alul már tágul a robbanás lökéshulláma

A csillagászok évek óta keresik a nagytömegű csillagok élete végén bekövetkező szupernóva-robbanások elfogadható modelljeit. A probléma abból adódik, hogy míg sok ilyen fellángoló csillagot észlelünk, a robbanás pillanatát leíró fizikai modellek nem magyarázzák kielégítően az égitestben zajló folyamatokat. A halálához közelítő csillag anyagát és szerkezetét leíró számítógépes szimulációk ugyanis nem képesek a robbanást reprodukálni. A modellek többsége alapján a csillag anyaga bármiféle látványos kataklizma nélkül egyszerűen összeomlana.

A szakemberek abban már régóta egyetértenek, hogy miután kifogy egy nagytömegű csillag üzemanyaga, saját tömege alatt összeomlik. Ekkor belsejében szélsőségesen magas nyomás- és hőmérsékletviszonyok keletkeznek, atommag-átalakulások zajlanak. A felszabaduló energia legnagyobb részét (a becslések alapján kb. 99%-át) a magban keletkező neutrínók viszik el. Ezek a részecskék azonban nagyon gyengén hatnak kölcsön az anyaggal, és úgy haladnak át a bezuhanó külső rétegeken, hogy azokat alig forrósítják fel. Ezért nem értjük, hogyan is keletkezik a látványos robbanás, amitől a külső rétegek lerepülnek.

Adam S. Burrows (University of Arizona) és munkatársai szerint elképzelhető, hogy megtaláltuk a magyarázatot, amit ők akusztikus fűtésnek neveztek el. Szerintük az összeomlás pillanatában keletkező, a hanghullámokhoz hasonló lökéshullámok játszhatnak kulcsszerepet a jelenségben. Új modelljük főleg abban különbözött a korábbiaktól, hogy az eddigi szimulációk technikai okokból részben elhanyagolták a centrumban keletkező neutroncsillag viselkedését. Az új modell rámutatott, hogy az utóbbi fontos szerepet kap a robbanás kiváltásában.

A bezuhanó anyag általában nem tökéletesen gömbszimmetrikusan, nem mindenhol egyszerre ütközhet a centrumban frissen kialakult neutroncsillag felszínével. Az aszimmetrikus ütközés egy kalapács módjára üti meg a neutroncsillagot, amely ettől vadul rezegni kezd. Akárcsak egy hangszóró membránja, rezgő felszíne hanghullámokat generál. A rezgő neutroncsillag által létrehozott lökéshullámok pedig az első ütközés ellenlábas pontjából, az objektum túloldaláról kifelé indulnak. A táguló lökéshullámok a bezuhanó rétegekkel ütköznek, és hatalmas energiát pumpálnak azokba, a robbanáshoz szükséges hőmérsékletre hevítve őket.

A szimuláció bal oldali képe az összeomlás kezdőpillanata után 50 milliomod másodperccel mutatja a robbanáshoz készülő csillag belsejét, a jobb oldali kép pedig az 517. milliomod-másodperckor feltételezett állapotot képviseli. A bezuhanó anyag a képen felül érte el először a kialakuló neutroncsillagot, amely ettől rezgésbe jön, és egy vörös színnel jelzett, kifelé mozgó lökéshullámot indít el alul, a túloldalon (fotó: Adam Burrows)

A hanghullámok elegendő energiát adnak át a bezuhanó rétegeknek ahhoz, hogy azokban úgynevezett r-folyamatok, azaz gyors neutronbefogások történjenek, legyártva a vasnál nehezebb atommagokat. A mindezek eredményeként keletkező szupernóva maradvány pedig aszimmetrikus lesz - ahogy azt gyakran láthatjuk is. A fenti kutatóktól függetlenül egy másik csoport is hasonló eredményre jutott. A Craig Wheeler (University of Texas, Austin) vezette kutatógárda szerint szintén fontosak a születő neutroncsillag rezgései, de ők a rezgő anyag által mozgatott mágneses tér hatását tekintik döntőnek.

Az akusztikus modellel kapcsolatos eredmények persze nem jelentik azt, hogy biztosan ez a folyamat játszik döntő szerepet minden szupernóva-robbanáskor. Elképzelhető, hogy bizonyos csillagoknál ez, másoknál az elnyelődő neutrínók, esetleg valamilyen további ismeretlen jelenség adja át az energiát a bezuhanó anyagnak. Az akusztikus mechanizmus a szimuláció alapján igen aszimmetrikus, ami a centrumban keletkező neutroncsillagot nagy sebességgel kilőheti eredeti helyzetéből. Ilyen kilökődésekre már a korábbi modellek és a gyorsan száguldó neutroncsillagok megfigyelései is utaltak. A fenti kutatók modelljükben egy 11 naptömegű csillag összeomlását szimulálták kétdimenziós környezetben. Jelenleg eltérő tömegű csillagokra futtatják le a programot, majd az égitest forgásának és az általános relativitáselméletnek a hatásait próbálják figyelembe venni. Végső céljuk a robbanás folyamatának háromdimenziós, részletes szimulációja.