کشف جزئیات بی‌سابقه از لحظات پایانی ستاره‌ای عظیم و انفجار ابرنواختری نامتقارن

حدود ۱۱ هزار و ۳۰۰ سال پیش، ستاره‌ای عظیم در آستانه نابودی قرار گرفت. این ستاره با انرژی می‌تپید، لایه‌های بیرونی خود را به فضا پرتاب می‌کرد و سرانجام به صورت یک ابرنواختر منفجر شد. بقایای این رویداد کیهانی که اکنون با نام «ذات الکرسی آ» شناخته می‌شود، یکی از مورد مطالعه‌ترین «بازمانده‌های ابرنواختر» (SNR) است. مشاهدات جدید دانشمندان با استفاده از «تلسکوپ پرتو ایکس چاندرا» (Chandra X-ray telescope) جزئیات بی‌سابقه‌ای را در مورد این نابودی کیهانی آشکار کرده است.

ستاره پیش‌ساز: ابرغول سرخ یا ولف-رایه؟

ستاره پیش‌ساز «ذات الکرسی آ» جرمی بین ۱۵ تا ۲۰ برابر جرم خورشید داشت. این ستاره به احتمال زیاد یک ابرغول سرخ بوده است، هرچند بحث‌هایی در مورد ماهیت دقیق آن و مسیری که برای انفجار به صورت یک ابرنواختر طی کرده، وجود دارد. برخی از اخترفیزیکدانان معتقدند که ممکن است یک «ستاره ولف-رایه» (Wolf-Rayet star) بوده باشد. ستارگان ولف-رایه، ستارگانی بسیار پرجرم (بالای ۲۰ جرم خورشیدی)، بسیار روشن و داغ هستند که به دلیل روشنایی زیاد خود، یکی از گونه‌های فراغول‌ها محسوب می‌شوند. نور حاصل از نابودی این ستاره حدود دهه ۱۶۶۰ میلادی به زمین رسید، اما هیچ گزارش قطعی از مشاهده انفجار آن توسط ناظران آن زمان وجود ندارد.

مطالعه‌ای عمیق با تلسکوپ چاندرا

این مطالعه جدید به سرپرستی توشیکی ساتو از دانشگاه میجی در ژاپن انجام شده است. ساتو اظهار داشت: «به نظر می‌رسد هر بار که داده‌های چاندرا از ذات الکرسی آ را با دقت بررسی می‌کنیم، چیز جدید و هیجان‌انگیزی یاد می‌گیریم. اکنون ما از آن داده‌های ارزشمند پرتو ایکس استفاده کرده‌ایم، آن را با مدل‌های قدرتمند رایانه‌ای ترکیب کرده‌ایم و موضوعی فوق‌العاده کشف کرده‌ایم.»

درک دقیق لحظات پایانی قبل از انفجار یک ابرنواختر همواره چالش‌برانگیز بوده است، زیرا خود انفجار، آغازگر مشاهدات علمی است. نویسندگان در مطالعه خود می‌نویسند:

«نظریه‌پردازان در سال‌های اخیر، توجه زیادی به فرآیندهای داخلی نهایی در ستارگان پرجرم داشته‌اند، زیرا آنها می‌توانند برای آشکارسازی مکانیسم‌های ابرنواختری ضروری باشند. با این حال، مشاهده مستقیم آخرین ساعات یک ستاره پرجرم قبل از انفجار چالش‌برانگیز است، زیرا این رویداد ابرنواختری است که آغاز مطالعه مشاهداتی را تحریک می‌کند.»

فرآیند هسته‌زایی و فروپاشی

پیش از انفجار یک ستاره پرجرم، هسته‌زایی عناصر سنگین در اعماق داخلی آن رخ می‌دهد. ستاره آهن تولید می‌کند، اما آهن مانعی برای این فرآیند است، زیرا عناصر سبک‌تر هنگام همجوشی انرژی آزاد می‌کنند، در حالی که آهن برای همجوشی بیشتر به انرژی بیشتری نیاز دارد. آهن در هسته تجمع می‌یابد و هنگامی که هسته به حدود ۱.۴ جرم خورشیدی می‌رسد، فشار رو به بیرون کافی برای جلوگیری از فروپاشی وجود ندارد. در نتیجه، گرانش پیروز می‌شود، هسته فرو می‌ریزد و ستاره منفجر می‌شود.

ادغام پوسته: یک رویداد شدید داخلی

مشاهدات چاندرا همراه با مدل‌سازی، نگاهی بی‌سابقه به درون ستاره در لحظات پایانی قبل از فروپاشی ارائه می‌دهد. یکی از نویسندگان مطالعه توضیح داد: «مطالعات ما نشان می‌دهد که درست قبل از فروپاشی ستاره در ذات الکرسی آ، بخشی از یک لایه داخلی با مقادیر زیادی سیلیکون به سمت بیرون حرکت کرد و به یک لایه همسایه با مقادیر زیادی نئون نفوذ کرد. این یک رویداد شدید است که در آن مانع بین این دو لایه ناپدید می‌شود.»

این فرآیند منجر به نتایج دوگانه شد: مواد غنی از سیلیکون به سمت بیرون حرکت کردند، در حالی که مواد غنی از نئون به سمت داخل حرکت کردند. این پدیده باعث اختلاط ناهمگن عناصر شد و مناطق کوچک غنی از سیلیکون در نزدیکی مناطق کوچک غنی از نئون یافت شدند. دانشمندان این فرآیند را «ادغام پوسته» (shell merger) می‌نامند.

«این مرحله نهایی فعالیت ستاره‌ای است که در آن پوسته سوزان اکسیژن، پوسته سوزان کربن و نئون بیرونی را در عمق داخلی ستاره می‌بلعد. این اتفاق تنها لحظاتی قبل از انفجار ستاره به صورت یک ابرنواختر رخ می‌دهد.»

محققان افزودند: «در لایه همرفتی ایجاد شده توسط فرآیند ادغام پوسته، نئون که در لایه غنی از اکسیژن ستاره فراوان است، با کشیده شدن به داخل می‌سوزد و سیلیکون به سمت بیرون منتقل می‌شود. سیلیکون و نئون نه بلافاصله قبل از انفجار و نه بلافاصله پس از آن با سایر عناصر مخلوط نشدند. نتایج ما اولین شواهدی را ارائه می‌دهد که فرآیند نهایی سوختن ستاره‌ای به سرعت ساختار داخلی را تغییر می‌دهد و یک عدم تقارن قبل از ابرنواختر را به جا می‌گذارد.»

تغییر درک ما از انفجارهای ابرنواختری

برای دهه‌ها، اخترفیزیکدانان تصور می‌کردند که انفجارهای ابرنواختری متقارن هستند. مشاهدات اولیه و ایده اصلی پشت ابرنواخترهای فروپاشی هسته‌ای نیز از این تقارن حمایت می‌کرد. اما این مطالعه درک اساسی از انفجارهای ابرنواختری را تغییر می‌دهد و آنها را نامتقارن معرفی می‌کند.

محققان می‌گویند: «همزیستی مناطق پرتابی فشرده در هر دو لایه غنی از اکسیژن/نئون و اکسیژن/سیلیکون به این معنی است که ادغام قبل از فروپاشی، لایه غنی از اکسیژن را به طور کامل همگن نکرده است و ناهمگنی‌های ترکیبی چندمقیاسی و میدان‌های سرعت نامتقارن را به جا گذاشته است.»

این عدم تقارن همچنین می‌تواند توضیح دهد که چگونه ستاره‌های نوترونی باقی‌مانده شتاب اولیه خود را به دست می‌آورند و منجر به ستاره‌های نوترونی پرسرعت می‌شوند. این لحظات پایانی در زندگی یک ابرنواختر ممکن است خود انفجار را نیز تحریک کند و تلاطم ایجاد شده توسط آشفتگی درونی ممکن است به انفجار ستاره کمک کرده باشد.

یکی دیگر از نویسندگان مطالعه خاطرنشان کرد: «ممکن است مهم‌ترین اثر این تغییر در ساختار ستاره این باشد که شاید خود به تحریک انفجار کمک کرده باشد. چنین فعالیت داخلی یک ستاره ممکن است سرنوشت آن را تغییر دهد و تعیین کند که آیا به عنوان یک ابرنواختر خواهد درخشید یا خیر.»

دانشمندان در نتیجه‌گیری خود نوشتند: «مطالعه ساختار داخلی ستارگان برای مدت طولانی در تاریخ نجوم یک رؤیا بوده است. این مطالعه به ما نگاهی حیاتی به لحظات پایانی یک ستاره پیش‌ساز را قبل از انفجار داده است. این لحظه نه تنها تأثیر قابل توجهی بر سرنوشت یک ستاره دارد، بلکه یک انفجار ابرنواختری نامتقارن را نیز ایجاد می‌کند.»

این مطالعه مهم در نشریه معتبر The Astrophysical Journal منتشر شده است.