We are such stuff
As dreams are made on
William Shakespeare, The Tempest 4, 1
Povodom jubileja supernove 1987A
U ovim satima navršava se tačno 25 godina od kako je do Zemlje stigao signal supernove SN 1987A, prvog takvog fenomena u poslednja četiri veka, i prve supernove vidljive golim okom od kako uopšte postoji nauka u savremenom smislu te reči. U ranim jutarnjim satima 24. februara 1987, kanadski astronom Jan Šelton radio je rutinska posmatranja na opservatoriji Las Kampanas, visoko u čileanskim Andima. Jedan od njegovih asistenata, Oskar Dualde, nakratko je izašao na otvoreno, i dokono pogledao u tamno noćno nebo. Pošto je odlično poznavao raspored sazvežđa, brzo je uočio nešto veoma čudno – na rubu magličaste mrlje svetlosti poznate kao Veliki Magelanov oblak, zapravo obližnje patuljaste galaksije, nalazila se zvezda, ne posebno sjajna – približno istog sjaja (zvezdane veličine, u astronomskim terminima) kao one u Orionovom pojasu. Ono što je bilo neobično je da ona nije bila tamo prethodne noći.
Asistent je skrenuo Šeltonovu pažnju na ovu pojavu, i za par sati vesti su obletele čitav svet i praktično svi teleskopi na južnoj hemisferi su istog trenutka prekinuli svoja mesecima unapred pažljivo planirana posmatranja da bi se usmerili ka Velikom Magelanovom oblaku. Isto su učinile i satelitske opservatorije van naše atmosfere, na čelu sa Nasinim Hablovim svemirskim teleskopom. Naime, Šelton i njegov čileanski asistent, a nešto docnije i posmatrači u Zimbabveu i na Novom Zelandu, otkrili su supernovu. To je bio prvi takav objekat vidljiv golim okom od vremena Keplerove supernove u Zmijonoscu iz 1604, koja je svega pet godina prethodila Galilejevom otkriću teleskopa. Supernove toliko velikog prividnog sjaja nezamislivo su retki događaji: bilo ih je svega 4 u poslednjih hiljadu godina. U mesecima i godinama nakon tog istorijskog 24. februara, ponašanje supernove koja je dobila zvanično ime SN 1987A bilo je ispitivano do najfinijih detalja. Ovih dana, naučnici širom sveta obeležavaju četvrt veka od ovog jedinstvenog astronomskog događaja čiji ostatak i dalje predstavlja jedan od najzanimljivijih objekata na nebu. Kao što pokazuje slika dobijena uz pomoć Veoma velikog teleskopa (engl. Very Large Telescope) Evropske južne opservatorije u čileanskim Andima, materijal izbačen u eksploziji SN 1987A do danas se proširio u obliku džinovskog peščanika, velikog nekoliko svetlosnih godina!
Sada dolazimo do zaista bizarnog dela priče: supernova je zapravo bila otkrivena nekoliko sati pre Šeltona i to usred bela dana – samo što su to naučnici shvatili tek kasnije. Oko tri sata pre nego što su astronomi u Las Kampanasu videli novu zvezdu, jedan čudan događaj zabeležen je na suprotnom kraju sveta – u Kamioka rudniku cinka, duboko u planinama Japana. To je bilo mesto izvođenja dugotrajnog fizičkog eksperimenta sa vrlo ambicioznim ciljem detekcije raspada protona. Tzv. teorije velikog objedinjenja (engl. Grand Unified Theories) razvijene u rudimentarnom obliku još tokom 1970-ih predviđaju da bi protoni mogli biti slabo nestabilni, povremeno se raspadajući na pozitron i dva gama-fotona kroz jednu veoma egzotičnu vrstu radioaktivnosti, kojoj posreduje zagonetni X-bozon. Da bi otkrili raspad protona, japanski eksperimentatori su postavili rezervoar sa 2000 tona superčiste vode i instalirali visoko osetljive detektore fotona oko njega. Zadatak detektora bio je da otkriju bleskove svetlosti koji bi se mogli pripisati brzim proizvodima pojedinačnih raspada. Podzemna lokacija bila je odabrana da bi se smanjili efekti kosmičkog zračenja, koje bi inače preplavilo detektore lažnim događajima. Čitava instalacija nazvana je Kamiokande-II.
U noći 23/24. februara 1987, Kamiokande-II je iznenada registrovao 12 događaja u intervalu od tačno 13 sekundi. Istovremeno, na drugom kraju planete, sličan detektor (IMB) u rudniku soli u Ohaju zabeležio je 8 događaja, a tzv. Baksan detektor na Kavkazu zasnovan na nešto drugačijem principu (aktivna materija nije voda, nego mešavina galijuma i germanijuma u čvrstom stanju) još 5. S obzirom da je gotovo istovremeni raspad 25 protona nezamislivo malo verovatan, otprilike poput šanse da neko dobije na lutriji milion puta za redom, stvar je morala imati drugačije objašnjenje. Fizičari su ga uskoro pronašli. Njihova oprema je zasigurno registrovala uništenje protona drugim, običnijim procesom: sudarom sa visokoenergetskim neutrinima. Međutim, odakle su došli ti neutrini? Sa Sunca svakako ne, zato što su ti isti detektori regularno detektovali po par Sunčevih neutrina mesečno. U poređenju sa tim stabilnim tokom, ono što se desilo tokom tih 13 februarskih sekundi predstavljalo je pravi neutrinski cunami. Štogod bio misteriozni izvor, njegov sjaj meren u neutrinima bio je tokom tog vremena više od deset hiljada puta veći od Sunčevog.
Ne – ove sićušne čestice su došle do naših detektora iz druge galaksije. Detekcija bleska neutrina u rudniku Kamioka i od strane detektora u SAD i Rusiji u vreme pojave supernove 1987A nesumnjivo nije samo koincidencija, i poklapanje ovih događaja bilo je za naučnike ključna potvrda teorije zvezdane evolucije: blesak neutrina u trajanju od desetak sekundi je bio upravo ono što su teoretičari predvideli prilikom eksplozije supernove. Tokom tih 13 sekundi, SN1987A bila je desetak hiljada puta sjajnija od Sunca, gledano kroz neutrine, iako se Sunce nalazi tu, blizu nas, a supernova se odigrala u drugoj galaksiji! Ovaj neutrinski cunami je možda najbolji pokazatelj u kojoj meri su supernove odista spektakularni događaji.
Iako se latinska reč nova – koju je skovao Tiho de Brahe, plemić-astronom iz XVI veka sa zlatnim nosem (i otac evropske posmatračke astronomije) – ukorenila ne samo u tehničkom žargonu, već postala i deo kolokvijalnog govora, supernova SN 1987A nije predstavljala rođenje nove, već smrt veoma stare zvezde u spektakularnoj eksploziji. Veliki Magelanov oblak, u kojem se supernova pojavila, je mala galaksija udaljena oko 170 hiljada svetlosnih godina. Dovoljno je blizu Mlečnom putu da bude neka vrsta satelita naše galaksije. Magelanovi oblaci (Veliki i Mali) su vidljivi golim okom na južnoj hemisferi kao nejasne mrlje svetlosti, a da bi se videle pojedinačne zvezde u njima neophodni su veliki teleskopi. Samo nekoliko sati nakon Šeltonovog i Dualdeovog otkrića, australijski astronomi su bili u mogućnosti da identifikuju koja je od više milijardi zvezda u Velikom Magelanovom oblaku eksplodirala; oni su to postigli pregledajući starije fotografske ploče ovog dela neba. Zvezda koja je blesnula bila je superdžin tipa B3, i njen prečnik je bio oko 40 puta veći od Sunčevog, a nosila je kataloško ime Sanduleak-69 202.
Supernove se odigravaju, u proseku, stopom od dve ili tri u jednom veku u tipičnoj galaksiji poput Mlečnog Puta, i začuđeni astronomi su ih više puta zabeležili u poznatoj istoriji. Jednu od najčuvenijih istorijskih supernova zabeležili su kineski i arabljanski posmatrači 1054. godine u sazvežđu Bika. Danas, raznesena zvezda izgleda kao oblak ekspandirajućeg gasa poznat kao Maglina Rak. Najsjajnija zabeležena supernova viđena je 1006. godine u sazvežđu Vuka i posmatrali su je evropski monasi, te arapski i dalekoistočni astronomi: ona je više od tri meseca bila vidljiva i danju, bila je svetlija od punog Meseca i bacala je senku!
Eksplozija supernove SN 1987A osvetlila je svemir nevidljivim bleskom neutrina. To je bio impuls zapanjujuće snage. Svaki kvadratni centimetar Zemlje – iako je naša planeta 170 hiljada svetlosnih godina daleko od mesta eksplozije – bio je pogođen stotinama milijardi neutrina, mada su njeni stanovnici bili blaženo nesvesni da je kroz njih tokom 13 sekundi proletelo nekoliko puta 1012 čestica iz susedne galaksije. Ali, kao što smo rekli, Kamiokande, Ohajo i Baksan detektori protonskog raspada zaustavili su njih 25. Bez ove krajnje moderne opreme, neutrini bi prošli sasvim neopaženo, kao što se to desilo 1006. ili 1054. godine i još mnogo puta tokom prethodne istorije čovečanstva. Razlog zbog kojeg su neutrini u naše detektore stigli oko 3 časa pre svetlosti supernove takođe je vrlo zanimljiv: međuzvezdana i međugalaktička materija između nas i zvezde koja je eksplodirala kao supernova nije u potpunosti prozračna (mada je za mnogo redova veličine ređa od vazduha koji dišemo), tako da se svetlost kroz nju prostire za neki sićušni delić procenta sporije nego kroz vakuum. To majušno “usporenje” svetlosti dovoljno je da je neutrini – koji se takođe kreću nešto sporije od brzine c, ali se znatno slabije prelamaju u međuzvezdanoj materiji – tokom tog ogromnog puta od 170 hiljada godina akumuliraju 3 sata prednosti.
U poslednjih četvrt veka, upravo je iskustvo sa SN 1987A dalo veliki podstrek razvitku neutrinske astronomije. Tokom 2011, nakon šest godina izgradnje, počeo je sa radom monumentalni IceCube, neutrinski detektor od jednog kubnog kilometra, razvijen od strane Univerziteta Viskonsin u Medisonu (dakle jednog, doduše veoma kvalitetnog, američkog univerziteta!), a smešten na Antarktiku. Zajedno sa svoja dva manja sabrata, neutrinskim teleskopima ANTARES i KM3NeT, ovaj uređaj nagoveštava potpuno novu epohu ove dinamične naučne discipline. KM3NeT simbolično je završio svoju “pripremnu fazu” upravo 23. februara ove godine.
Eksplozija supernove (koju astronomi označavaju kao supernovu Tipa II, za razliku od Tipa I koji nastaje eksplozijom belog patuljka u dvojnom zvezdanom sistemu) ne razara u potpunosti masivnu zvezdu. Iako najveći deo materijala biva rasejan kataklizmom, implodirano jezgro koje je izazvalo ceo događaj ostaje na svom mestu. Njegova sudbina, međutim, takođe je neizvesna stvar. Ukoliko je masa jezgra prilično mala – recimo, oko jedne Sunčeve mase – tada će ono formirati loptu neutrona veličine manjeg grada. Najverovatnije će se ova “neutronska zvezda” mahnito obrtati, možda i sa čitavih 1000 obrtaja u sekundi, ili 10 procenata brzine svetlosti na površini. Ona stiče ovu vrtoglavu rotaciju stoga što implozija strahovito povećava relativno sporu rotaciju prvobitne zvezde, što je isti princip koji uzrokuje da se klizači na ledu okreću brže kada privuku ruke k sebi. Astronomi su detektovali mnoštvo ovakvih brzo rotirajućih neutronskih zvezda. Ali brzina rotacije se lagano usporava kako objekat gubi energiju. Neutronska zvezda u središtu Magline Rak, na primer, sada je usporila do 33 obrtaja u sekundi.
Ako je masa jezgra nešto veća – recimo nekoliko Sunčevih masa – ono ne može da se stabilizuje kao neutronska zvezda. Gravitaciona sila je toliko snažna da čak ni neutronska materija – najtvrđi poznati oblik materije – ne može da izdrži dalje sabijanje. Scena je tada postavljena za događaj još užasniji i katastrofalniji negoli i sama eksplozija supernove. Jezgro zvezde nastavlja da kolapsira i za manje od milisekunde stvara crnu rupu u kojoj nestaje. Kako stoje stvari, upravo se ovo odigralo u slučaju SN 1987A – naime, svi pokušaji da se otkrije neutronska zvezda u ostatku ove supernove su se pokazali neuspešni. Ukoliko je ostatak crna rupa, za očekivati je da ona ne bude vidljiva sadašnjom tehnologijom.
SN1987A je uistinu eksplodirala nešto malo nakon pojave homo sapiensa na Zemlji, a svetlost i neutrini su sve to vreme putovali do nas. Najbliže galaktičke supernove do sada zabeležene bile su i dalje kiloparsecima daleko. Međutim, tokom istorije Zemlje kao planete sigurno je bilo slučajeva da neka supernova eksplodira daleko bliže Sunčevom sistemu – recimo unutar pedesetak parseka, gde bi imala vrlo snažan uticaj na uslove na Zemlji, pa i na evoluciju života na našoj planeti. Ovo bi moglo da objasni poneka od zagonetnih epizoda masovnih izumiranja vrsta kojima je prošarana istorija zemaljske biosfere, naročito kad se uzmu u obzir i posebno zli rođaci supernovih (srećom daleko ređi) poznati kao gama-bleskovi.
Iako supernova označava smrt masivne zvezde, eksplozija poseduje i značajan stvaralački aspekat. Ogromna oslobođena energija zagreva spoljašnje slojeve zvezde tako efikasno, da su tokom kratkog vremena moguće brojne reakcije nuklearne fuzije – i to one reakcije koje apsorbuju, a ne oslobađaju energiju. Elementi teži od gvožđa, kao što su zlato, olovo ili uranijum, stvoreni su u toj konačnoj i najsnažnijoj zvezdanoj pećnici. Ovi elementi, zajedno sa lakšim, poput kiseonika i ugljenika, stvorenim tokom ranijih stadijuma zvezdane evolucije, ispaljeni su u svemir, da bi se tamo izmešali sa ostacima bezbrojnih drugih supernovih. Kroz eone, ovi teški elementi se kondenzuju u nove generacije zvezda i planeta. Bez proizvodnje i rasturanja ovih teških elemenata, ne bi moglo biti planeta poput Zemlje. Ugljenik i kiseonik neophodni za život, zlato u našim bankama, olovo na krovnim pokrivačima (nekada, nažalost, i u posuđu i benzinu), uranijumske gorive šipke u nuklearnim reaktorima – sve to duguje svoje prisustvo na Zemlji samrtnim grčevima zvezda koje su nestale mnogo pre nastanka Sunčevog sistema. Sama materija naših tela dobrim je delom sastavljena od pepela davno mrtvih zvezda.
Peščanik.net, 24.02.2012.