دلایل انفجار ستارگان و تأثیر آن بر دنیایی که می‌شناسیم

دلایل انفجار ستارگان و تأثیر آن بر دنیایی که می‌شناسیم

وقتی یک ستاره به نقطه‌ای مشخص از چرخه‌ی حیات خود می‌رسد، انفجاری به‌شدت پرانرژی در ابعادی غیرقابل‌تصور در آن روی می‌دهد که این انفجار با واژه‌ی ابرنواختر (Supernova) توصیف می‌شود. ابرنواختر غالبا باعث ایجاد درخششی کوتاه‌مدت می‌شود که می‌تواند کهکشانی با میلیاردها ستاره را روشن کند و انرژی حاصل از آن برای نابودی هر چیزی در فاصله‌ی حدود ۱۰۰ سال نوری از مرکز انفجار کافی است. ابرنواختر صرفا یک پدیده‌ی عظیم طبیعی غیرقابل‌باور و مخرب نیست بلکه مهم‌ترین نوع فرایند کیهانی است که به ایجاد مجموعه‌ای از عناصر و مواد و به‌صورت غیرمستقیم به وجود آمدن حیات منجر می‌شود.

به‌طورکلی وقتی حجم مشخصی از گاز در محلی انباشته می‌شود، جرم این محل به مقدار لازم برای ایجاد نیروی گرانش و جاذبه افزایش پیدا می‌کند که این گرانش در مرکز ابر کروی در حال رشد حاصل از تجمع گاز، بیشترین حد خود را دارد و فشار زیادی ایجاد می‌کند. وقتی فشار از حد مشخصی بیشتر می‌شود، اتم‌های هیدروژن واقع در مرکز ابر کروی، شروع به گداخت هسته‌ای (فیوژن) کرده و مانند یک راکتور حرارتی با ایجاد گرما و نور، توده گاز را به یک ستاره درخشان و گرم تبدیل می‌کنند. چرخه‌ی افزایش فشار هسته براثر گرانش و خنثی شدن این فشار توسط گداخت هسته‌ای اتم‌ها، در تمام طول عمر ستاره ادامه پیدا می‌کند و احتمالا در همین حین عناصر جدیدی نیز ایجاد می‌شوند. در این چرخه همیشه بین نیروی دفع‌کننده گداخت و نیروی گرانش ستاره، تعادل وجود دارد که این مسئله مانع فروپاشی و انفجار ستاره می‌شود.

در یک ستاره بعد از میلیاردها سال نورافشانی، نیروی دفع‌کننده حاصل از گداخت هسته‌ای به‌تدریج ضعیف می‌شود ولی نیروی گرانش با همان قدرت اولیه به متراکم کردن گازها ادامه می‌دهد. در ستاره‌های کوچک و متوسط این پدیده به سرد شدن آن‌ها منجر می‌شود و نهایتا گرانش کاملا بر نیروی گداخت هسته‌ای غلبه پیدا می‌کند. کوچک بودن این ستاره‌ها احتمال وقوع هر پدیده‌ی دیگری را تقریبا منتفی می‌کند و توده‌ی گاز صرفا به فشرده شدن ادامه می‌دهد تا نهایتا به یک جرم آسمانی سرد و بی‌خطر مشهور به کوتوله سفید (White dwarf) تبدیل شود. جرم لازم برای وقوع انفجار در اثر غلبه نیروی گرانش در یک ستاره، باید از حد مشخصی بیشتر باشد که این میزان حد چاندراسکار (Chandrasekhar) نامیده می‌شود و تقریبا ۱.۴ برابر جرم خورشید است. به همین دلیل احتمال وقوع ابرنواختر در خورشید وجود ندارد و سرمنشأ حیات در کره‌ی زمین احتمالا عاقبت با مرگی نسبتا آرام به یک کوتوله سفید سرد و متراکم تبدیل خواهد شد.

البته خاموش و سرد شدن یک ستاره و تبدیل آن به کوتوله سفید لزوما به معنای حذف احتمال وقوع ابرنواختر نیست؛ چراکه به هر شکل کوتوله سفید هنوز یک ستاره است و بر اساس قوانین فیزیک می‌تواند دوباره شعله‌ور شود. اگر یک کوتوله سفید بتواند با جذب ماده، دوباره افزایش جرم پیدا کند و از حد چاندراسکار بگذرد، در هسته آن فشار لازم برای گداخت کربن ایجاد خواهد شد و گداخت اتم کربن برخلاف هیدروژن و هلیوم، واکنشی غیرقابل‌مهار است و می‌تواند به انفجار ستاره منتهی شود.

از طرف دیگر اگر هسته‌ی کوتوله سفید، بیشتر از نئون تشکیل شده باشد، دیر یا زود افزایش جرم باعث فروپاشی و گداخت اتم نئون در آن خواهد شد که عواقب آن شباهتی به گداخت اتم هیدروژن که در آغاز به شعله‌ور شدن ستاره منجر شده بود، ندارد. این فروپاشی در هسته به یک انفجار عظیم ستاره‌ای منتهی می‌شود که این بار نتیجه‌ی آن ایجاد یک ستاره‌ی نوترونی است. این پدیده در منظومه‌های ستاره‌ای دوگانه (دو ستاره که بافاصله‌ی کمی از یکدیگر حول محوری مشترک می‌چرخند و معمولا یکی از آن‌ها کوتوله سفید است) به‌کرات اتفاق می‌افتد؛ چراکه به دلیل وجود یک ستاره‌ی دیگر در نزدیکی کوتوله سفید، افزایش جرم در آن با سهولت انجام می‌شود و با سرعت بیشتری به حد چاندارسکار می‌رسد.

با وجود امکان‌پذیر بودن حالت‌های فوق برای کوتوله‌های سفید در صورت عبور از حد چاندراسکار، در بیشتر مواقع کوتوله سفید فقط بقایای بی‌خطر یک ستاره مرده محسوب می‌شود. وقتی ستاره‌ای در زمان حیات از ۱.۴ برابر خورشید سنگین‌تر است (وجود ستاره‌هایی بسیار بزرگ‌تر از خورشید کاملا امکان‌پذیر است) چرخه‌ی حیات آن شکل دیگری دارد. یک ستاره‌ی عظیم قرمز معروف به غول سرخ (Red giant) در طول عمر خود به‌آرامی در حال سوختن است و نهایتا در مقطعی گرانش آن بر نیروی دفع‌کننده‌ی گداخت هسته غلبه می‌کند ولی این بار به دلیل جرم بسیار زیاد، نیروی گرانش به‌اندازه‌ای قدرت دارد که اگر با نیروی گداخت اتمی خنثی نشود، می‌تواند باعث فروپاشی هسته ستاره و وقوع ابرنواختر شود. ستاره‌هایی که بین ۱.۴  تا ۳ برابر خورشید جرم دارند، تقریبا با شرایطی مشابه کوتوله‌های سفید با هسته نئونی، بعد از فروپاشی هسته به ستاره نوترونی تبدیل می‌شوند.

ستاره‌های که بیشتر از ۳ برابر خورشید جرم دارند نیز چرخه‌ی مشابهی را می‌گذرانند؛ با این تفاوت که بعد از فروپاشی هسته، متراکم شدن توسط گرانش ادامه پیدا کرده و آن‌ها را به سیاهچاله تبدیل می‌کند. سیاهچاله مشهورترین جلوه از مرگ یک ستاره به شمار می‌آید ولی وقوع آن فقط در معدودی از ستاره‌ها امکان‌پذیر است. بااین‌وجود تعداد سیاهچاله‌ها در سراسر کیهان زیاد است و گفته می‌شود که در مرکز هر یک از کهکشان‌های عمده، یک سیاهچاله بسیار عظیم وجود دارد ولی در مقایسه با سایر پدیده‌های حاصل از مرگ ستاره‌ها کمتر مشاهده می‌شود.

وقوع یک ابرنواختر، دلایل دیگری نیز دارد که البته احتمال آن‌ها بسیار کم است. به‌عنوان‌مثال افزایش جرم بیشتر کوتوله‌های سفید معمولا روند کندی دارد و علاوه بر این تنها با گذشتن مقدار کمی از حد چانداراسکار دچار فروپاشی هسته و انفجار می‌شوند، ولی بعضی از آن‌ها به دلایلی مثل برخورد با اجرام آسمانی بزرگ، به‌یک‌باره چند تن افزایش وزن پیدا کرده و قبل از اینکه فرصتی برای فروپاشی هسته و انفجار داشته باشند، جرم آن‌ها از حد چانداراسکار بسیار بیشتر می‌شود. این ستاره‌ها از لحاظ نوع تشعشعات تنوع زیادی دارند و گذشته از جذابیت بی‌نظمی و غیرقابل‌پیش‌بینی بودن برای دانشمندان، در حقیقت از نحوه عملکرد و پیامدهای انفجار آن‌ها اطلاعات زیادی در دست نیست.

بد نیست بدانید که انواع مختلف ابرنواختر کاربردهای مفیدی در علم اخترشناسی دارند. به‌عنوان‌مثال ابرنواختر نوع Ia (حاصل از گداخت اتم کربن در هسته کوتوله سفید) بدون وقفه نوعی سیگنال یکنواخت به اطراف می‌فرستد که از آن می‌توان به‌عنوان یک مبنای ثابت برای اندازه‌گیری فواصل به کمک دستگاه‌های اندازه‌گیری اپتیک استفاده کرد. هرچند اخیرا دقت این روش اندکی موردتردید قرار گرفته که علت آن یافته‌های جدید در ساختار ابرنواختر نوع Ia است.

همان‌طور قبلا گفته شد؛ ابرنواختر تنها پدیده‌ای عظیم نجومی با ظاهر زیبا، مشخصات غیرمعمول و فوایدی برای اخترشناسان نیست و درواقع منبع تأمین یک سری عناصر و مواد بسیار مهم برای حیات به شمار می‌رود. در توضیحات فوق به گداخت اتم کربن به‌عنوان دلیل وقوع ابرنواختر اشاره کردیم. در حالت عادی و قبل از شروع مرگ یک ستاره، کربن سنگین‌ترین فلزی است که می‌تواند در آن تولید شود؛ ولی برای تولید فلزات سنگین‌تر مثل سدیم، سرب، طلا و اورانیوم به انرژی بیشتری نیاز است که راکتور طبیعی یک غول سرخ فروزان قادر به تأمین آن نیست؛ درحالی‌که فعل ‌و انفعالات یک ستاره در حال مرگ منبع خوبی برای تأمین انرژی موردنظر فراهم می‌کند.

اگر به‌صورت کلی به قضیه نگاه کنیم؛ هر چیزی که برای شروع و ادامه حیات به شکلی به آن وابسته هستیم، محصول آخرین نفس‌های یک ستاره‌ی در حال مرگ است. کره‌ی زمین، ستاره‌های دنباله‌دار، سیاره‌ها و هر چیزی که از عناصر سنگین ساخته شده است، بازمانده‌های ستاره‌هایی در حال مرگ هستند که توسط ابرنواختر به فضای بیکران پرتاب شده‌اند. جسم ما نیز از عناصر و مواد موجود در کره زمین تشکیل شده که روزی در کوره‌ی یک ابرنواختر ساخته و پرداخته شده‌اند. به همین دلیل است که کارل سِیگان می‌گوید ما از جنس ستاره‌ها هستیم و در نگاهی صرفا فیزیکی به حیات، تعبیری جز این به ذهن خطور نمی‌کند.