Fúzió az Univerzumban: amikor egy óriáscsillag meghal… Understand article

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna. Székely Péter , Szegedről, és Benedekfi Örs, a németországi Garchingban lévő Európai Fúziófejlesztési Egyezmény (European Fusion Development Agreement, EFDA) munkatársa azt vizsgálja, hogy hogyan hal meg egy csillag és milyen hatással…

Egy képzőművész elképzelése az
Ia típusú szupernóva-robbanásról

Az ESO szíves hozzájárulásával

1987. február 23-án reggel 7.35-kor egy kilométerrel a földfelszín alatt a Kamiokande II japán neutrínó detektor egy másodperc alatt 11 neutrínót észlelt. Ez nem tűnik megrázó hírnek, azonban tudnunk kell, hogy nagyon nehéz megfigyelni a neutrínókat, mert alig lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. A detektor általában csupán néhány, Napból érkező neutrínót észlel naponta, így az aránylag sok neutrínó észlelése különleges eseményre utalhat: valahol az Univerzumban meghalt egy óriáscsillag.

Minden a méret

Egy csillag sorsát leginkább a tömege határozza meg. Amint azt a folyóirat fúzióval foglalkozó sorozatának egy korábban megjelent cikkében is olvashatjuk (Boffin & Pierce-Price, 2007), a Napunkhoz hasonló tömegű csillagok pusztulása nem látványos esemény. A hélium a fúzió során szénné és oxigénné alakul, a csillag külső rétegei kilökődnek az űrbe és planetáris ködöt alkotnak, a csillag magja pedig több milliárd év alatt kihűl és belőle fehér törpe jön létre.

A nagyobb tömegű csillagok rövidebb életűek és viharosabb a sorsuk. Míg azok a csillagok, amelyeknek a mérete a Napunkéhoz hasonló, évmilliárdokig élnek, addig a  Napnál 8-10-szer nagyobb tömegű csillagok csupán évmilliókig, ugyanis hamar elfogy az üzemanyaguk. Amint ez megtörténik, megbomlik az egyensúly a két alapvető erő között: a gravitációs erő befelé vonzza a csillag anyagát, a magban lezajló fúziós reakciók miatt fellépő sugárzási nyomás pedig felfújja a csillagot. Amikor a sugárzási nyomás már nem tudja kiegyensúlyozni a tömegvonzás hatását, a csillag magja összehúzódik neutroncsillaggá, a külső rétegek befelé zuhannak, majd egy gigászi robbanás során visszalökődnek az igen nagy sűrűségű magról: ezt nevezzük II típusú szupernóva-robbanásnak.

A magot részecskék, közöttük neutrínók hulláma hagyja el, amelyek magukkal viszik az összeroskadó csillag gravitációs energiáját. A befelé zuhanó külső rétegek sok neutrínót elnyelnek, amelynek következtében nagyon megnő a hőmérséklet – olyan magas értéket ér el, amely lehetővé teszi, hogy a fúzió során olyan nagy rendszámú elemek is keletkezzenek, mint például az arany és az urán (amint azt  Rebusco és társai leírják,  2007). Ezeknek a neutrínóknak azonban egy kis része megszökik a haldokló csillag légköréből és így mélyen a Föld felszíne alatt is detektálható.

Egy másik fajta kozmikus katasztrófa akkor történik, amikor egy fehér törpe összeütközik egy sokkal nagyobb méretű vörös óriással, amelynek felfúvódott légköre van (az átmérője többszáz millió kilométer). Ha egy fehér törpe és egy vörös óriás egy közös tömegközéppont körül kering, vagyis kettős csillagrendszert alkot, akkor a fehér törpe anyagot szívhat el a kísérőcsillagától, így megnövekszik a tömege (ld. a képen). Ha egy fehér törpe tömege túllépi a Napunk tömegének 1,44-szeresét (ezt Chandrasekhar határnak nevezzük), akkor instabillá válik, a fúziós reakció nehéz elemeket termel, például lantánt és ruténiumot és végül egy hatalmas robbanásban semmisül meg. Ezt nevezzük I típusú szupernóvának (ld. a képen).

Egy képzőművész elképzelése arról, hogy hogyan szívja el az anyagot egy fehér törpe (balra lent) egy vörös óriástól
Amint egy fehér törpe tömege eléri a kritikus határt, a csillag felrobban, I.a típusú szupernóvaként
Az ESO szíves hozzájárulásával

Akár I, akár II típusba tartozik egy szupernóva, a Világegyetemben lezajló leghevesebb események közé tartozik az Ősrobbanás óta. A robbanást követő hetekben a csillag maradványa több energiát sugároz ki, mint a Nap évmilliárdok alatt. A robbanás fénye felülmúlja a szupernóva galaxisában lévő összes csillag fényét és több ezer millió fényév távolságból is észlelhető. Bárhol történik a Világegyetemben egy szupernóva-robbanás, az valószinűleg látható a Földről egy nagy távcsővel.

Egy csillag maradványa

Mi marad egy csillagból egy ilyen drámai esemény után? Ha a csillag tömege kisebb volt, mint a Nap tömegének 20-szorosa, akkor a robbanás középpontjában egy neutroncsillag jön létre, amelynek elképzelhetetlenül óriási a sűrűsége, ugyanis az anyaga egy csupán 10 km sugarú gömbben zsúfolódik össze. Egy kávéskanálnyi neutroncsillag-anyagnak annyi a súlya, mint az összes földi jármű (több millió autó, busz és vonat) teljes súlya (Swinton, 2006). A perdületmegmaradás miatt (minél kisebb a sugár, annál gyorsabb a forgás) a neutroncsillagok nagyon gyorsan forognak (többszáz fordulatot tesznek meg másodpercenként), ennek következtében a mágneses pólusok rádióhullámokat bocsátanak ki, ilyenkor beszélünk pulzárokról.

A neutroncsillagnál vagy pulzárnál is különlegesebb maradvány a feketelyuk, amely akkor születhet, amikor egy, a Napnál 20-szor nagyobb tömegű csillag II. típusú szupernóvaként robban fel. Amikor egy ilyen nagy tömegű csillag hal meg, a neutroncsillag létrejöttével nem áll meg a gravitációs összeroppanás – ehelyett egy igen különleges objektum jön létre, amelynek elméletileg nulla a térfogata és végtelenül nagy a sűrűsége. A fekelyukat és közeli környezetét csak akkor lenne képes bármi elhagyni, ha a sebessége meghaladná a fénysebességet. A hatalmas gravitációs vonzás miatt a fény sem tud kilépni a feketelyukból – innen származik az elnevezése is.

A neutroncsillag és a feketelyuk esetében gyakran meg tudjuk figyelni a csillag gázfelhőjének a maradványát, amely a szupernóva-robbanás során szakadt le a csillagról. Az egyik ilyen érdekes objektum a Rák-köd: ez egy i.e.5500-ban történt szupernóva-robbanás maradványa, amelyet 1054-ben kínai csillagászok figyeltek meg. A többi maradványhoz hasonlóan többezer év alatt ez is szét fog oszlani a csillagok közötti térben.

A szupernóvák segítenek

Egy közeli galaxisban még jó távcső nélkül is könnyű észrevenni egy szupernóvát. Először i.u.185-ben számoltak be kínai csillagászok szupernóvára utaló megfigyelésről. Amikor körülbelül 800 évvel később Kínában észlelték a Rák-köd kialakulását, a ‘vendég-csillag’ olyan fényes volt, hogy heteken keresztül teljes nappali világosságban is látható volt.

Az egyes szupernóva-robbanások maximális fényessége nagyon hasonló egymáshoz (‘standard gyertyáknak’ nevezzük őket), mivel a felrobbanó tömegek is hasonlóak. Ha összehasonlítjuk a feltételezett fényességet a megfigyelt fényességgel, ki tudjuk számítani, hogy milyen messze van az a galaxis, amelyben a szupernóva-robbanás történt. Ez a technika nagyon fontos a ‘kozmikus távolságlétra’ elkészítésében: ez a legjobb módszer a messzi galaxisok távolságának meghatározására. És természetesen ennek a segítségével meg tudjuk figyelni a Világegyetem korai történetét: amikor mi észreveszünk egy távoli katasztrófát, akkor már a csillag régen halott.

A csillagászok természetesen nemcsak azt akarják tudni, hogy milyen messze van az a galaxis, amelyben a szupernóva található, hanem magát a szupernóvát is szeretnék jellemezni. Ehhez két közvetett módszert használnak: a fotometriát és a spektroszkópiát. A fotometria segítségével meghatározzák a szupernóva fényességének csökkenését az idő függvényében, valamint a maximális fényességet: ezt a technikát használják arra, hogy kiszámítsák a messzi galaxisok távolságát. A spektroszkópia a jellemző hullámhosszak alapján határozza meg a szupernóva elemi összetételét. A csillagászok általában mindkét módszert alkalmazzák a haldokló csillagok fizikai tulajdonságainak, például a tömegének, a hőmérsékletének és a fényességének meghatározására.

Közeli szupernóvák?

Az eddig megfigyelt szupernóvák messze voltak a Földtől, de mi lenne, ha valamelyik közeli csillagból lenne szupernóva? Szerencsére meglehetősen ritkán keletkeznek szupernóvák: egy olyan spirálgalaxisban, mint a Tejútrendszer, 50 – 100 évente ragyog fel egy. 1572-ben és 1604-ben észleltek szupernóvákat, azonban az óriás méretű és nagy sűrűségű porfelhők eltakarhatják a galaxisunk távoli részében megtörténő szupernóva-robbanásokat. A legutóbb észlelt és aránylag közeli szupernóva az SN 1987A volt, amely a Tejútrendszert kísérő egyik legkisebb törpegalaxisban, a Nagy Magellán-felhőben villant fel, körülbelül 160 000 fényévnyire (ld. a képet); a robbanást szabad szemmel is lehetett  látni. A csillagászok sokkal távolabbi galaxisokban évente többszáz  szupernóva-robbanást észlelnek, néha ugyanabban a galaxisban egyszerre kettőt isw1.

A kép az SN 2002bo és az SN 2002cv helyét mutatja az NGC 3190 spirál galaxisban
Az ESO szíves hozzájárulásával

Szerencsére a közvetlen szomszédságunkban (12 fényévnél közelebb) nincs olyan csillag, amely szupernóvává alakulhatna a belátható jövőben. A csillagászok azonban megfigyeltek olyan távoli csillagokat, amelyeknél fennáll a lehetősége annak, hogy szupernóva váljon belőlük. A legvalószinűbb jelölt az Orion csillagkép bal vállánál található Betelgeuse vörös szuperóriás csillag, amely azonban körülbelül 450 fényévre van tőlünk. Úgy gondoljuk, hogy egy szupernóva-robbanás akkor jelenhet komoly veszélyt a földi életre, ha az 100 fényév távolságon belül történik. A Betelgeuse-nál nagyobb hatással lehet a Földre az IK Pegasi felrobbanása – ez egy tőlünk 150 fényév távolságban lévő kettős-csillag, amelynek az egyik tagja fehér törpe, a másik pedig egy öregedő normál csillag. A Betelgeuse bármikor felrobbanhat – holnap vagy ezer év múlva, az IK Pegasit azonban csak a következő néhány millió évben érheti utol a végzete.

A robbanás hatása a Földre

Fényes, kompakt felhő
(SNR 0543-689), egy szupernóva
-robbanás maradványa

Az ESO szíves hozzájárulásával
Az SN 1987A a nagy Magellán
felhőben (nyílllal jelölve)

Az ESO szíves hozzájárulásával

Milyen hatással lehet a Földre egy közeli szupernóva-robbanás? A szupernóvák hatalmas mennyiségű gamma-sugárzást és részecskéket, például protonokat és elektronokat bocsátanak ki. Ezeknek nagy az energiájuk és ezért tönkretehetik a Föld légkörét azáltal, hogy csökkkentik az ózon-molekulák éa atomos oxigén mennyiségét. A nitrogén molekulák (N2) a gamma sugárzás hatására elbomlanak és belőlük nitrogén-monoxid (NO) és egyéb nitrogén-oxid (NOx) molekulák képződhetnek, amelyek katalizálják az ózon-molekulák lebomlását.

A védő ózonréteg nélkül a Nap által kibocsátott ultraibolya-sugárzás gyengítetlenül érné el a Föld felszínét és károsítaná a fitoplanktonokat (mikroszkopikus növények, amelyek a felszíni vízrétegekben élnek). A fitoplanktonok a tápláléklánc alapját képezik, ezért a pusztulásuk a többi élőlényre is komoly hatással lenne. A nagyenergiájú sugárzás a nagy-dózisú Röntgen-sugárzásnál is nagyobb mértékben  károsítaná az élőlények sejtjeit is, ami miatt több esetben alakulna ki rákos megbetegedés illetve genetikai mutáció. Egy másik következményként veszélyes mértékben megnövekedhetne a légkörben a radioaktív izotópok mennyisége is.

Egy szupernóva-robbanás okozhatta a hatalmas Ordovicium-szilur kihalást körülbelül 450 millió évvel ezelőtt. Ekkor a tengerben élő fajoknak több mint a fele eltűnt, úgy gondolják, hogy ez volt a második legnagyobb méretű fajkihalás a Földön. A hatalmas pusztulást részben a fitoplankton pusztulása, részben pedig a földi átlaghőmérséklet csökkenése okozhatta, amely azért következett be, mert a levegő opálossá vált a keletkezett nitrogén-dioxidtól (NO2).

Az is lehetséges, hogy mindössze 2,8 millió évvel ezelőtt is történt egy közeli szupernóva-robbanás. A robbanás során a haldokló csillag nagy mennyiségű radioaktív anyagot bocsátott ki, amely lerakódott a Föld felszínén. Megtaláltak néhány jellemző radioaktív izotópot, például a vas-60-at azokban a mintákban, amelyeket a tengerfenéken elvégzett mély-fúrással nyertek. Ezeknek az izotópoknak a jelenléte a szupernóva robbanást bizonyíthatja, de még vitatkoznak a kérdésről. Erősebb bizonyíték egy időben és térben is közeli szupernóva-robbanás mellett a Helyi buborék, amely egy 300 fényév átmérőjű képződmény a csillagközi anyagban. Ebben helyezkedik el a Naprendszerünk is. Ezt a buborékot szupernóva-robbanások hozták létre, amelyek kifelé lökték a ritka csillagközi anyagot.

Szupernóvákból születtün

Szerencsére a szupernóva-robbanásoknak jótékony hatásuk is van. Valószínűleg mi is egy közeli szupernóva-robbanásnak köszönhetjük a létezésünket. A szupernóvából kiinduló lökéshullám össszepréselte a környező csillagközi anyagot – egy atomokból és molekulákból álló, hatalmas kiterjedésű de ritka porfelhőt – és ezzel elindította a csillagképződés folyamatát. Így talán egy szupernóva okozhatta annak a hatalmas felhőnek az összetömörülését is, amelyből a Naprendszer született.

Ezenkívül, a szupernóvák hamujából keletkeztek az emberek és minden, a legkisebb baktréiumoktól a hatalmas hegyekig. Egy normál csillag könnyű elemeket állít elő, egy óriáscsillagban azonban elegendően magas a hőmérséklet és nagy a nyomás ahhoz, hogy nehezebb elemek atommagjai keletkezzenek (további részleteket a következő cikkben találhatnak: Boffin & Pierce-Price, 2007; Rebusco et al., 2007). Ezek az elemek a szupernóva-robbanások során jönnek létre és szóródnak szét a csillagközi térben, belekerülnek a formálódó csillagok és bolygók anyagába, és lehetővé teszik az élet létrejöttét. Bizonyos értelemben mi a szupernóvák gyermekei vagyunk.

A szupernóvák alakították a Világmindenség történetét és a miénket is. Ők teremtették meg a Földön az életfeltételeket azzal, hogy sokféle elemet hoztak létre, befolyásolták az evolúciót azáltal, hogy fajok tömeges kihalását okozták. Ma pedig a szupernóvák tanulmányozásával jobban megismerhetjük a Világegyetemet és önmagunkat.

EFDA Háttéranyag

Az Európai Fúziófejlesztési Egyezményhez (EFDA) tartozó, fúziós kutatásokat végző kutatóintézetek (pl a JET) gyakran tartanak előadásokat és intézménylátogatásokat iskolások számára is. Az egyes kutatóintézetekre vonatkozó részletek megtalálhatók az EFDA honlapjánw2. Az EIROforumw3 keretében az EFDA részvesz a Science in School, a Science on Stagew4 festival és egyéb ismeretterjesztő és oktatási programok szervezésében

Az EFDA a középiskolások számára ‘Energy, Powering Your World’ (Energia, amely működteti a világod) címmel egy 60-oldalas kiadványt készített, amely bevezetés nyújt az energia világába. Ebben főként arról van szó, hogy hogyan használunk energiát a mindennapjainkban, honnana nyerjük azt, és hogyan elégíthetjük ki az energia-igényünket a jövőben.

Ha szeretne egy ingyenes példányt ebből a kiadványból, amely angol, holland, spanyol, francia, német és olasz nyelven érhető el, küldjön egy e-mailt a következő címre: aline.duermaier@efda.org. A levél tartalmazza az ön nevét, postacímét és a kért példányszámot (maximum 5). A kiadvány le is tölthető az EFDA honlapjáról

EFDA kiadvány a középiskolások számára

Az EFDA számos egyéb oktatási anyagot készített, pl. CD-ROM-ot ‘Fusion, an energy option for the future’ (Fúzió, a jövő egyik energia-termelési lehetősége) címmel, posztert a fúzióról, mindkettő megrendelhető az EFDA honlapjáról. A honlapon alapszintű és magasabb szintű ismereteket találhatunk a fúzióról.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Institution

EUROfusion

License

CC-BY-NC-ND