المُسْتَعِرُ الأعظم (Supernova سوبرنوفا) هووقع فلكي يحدث خلال المراحل التطورية الأخيرة لحياة نجم ضخم، حيث يحدث انفجار نجمي هائل يقذف فيهِ النجم بغلافهِ في الفضاء عند نهاية عمره، ويؤدي ذلك إلى تكون سحابة كروية حول النجم، وبراقة للغاية (شديدة البريق) من البلازما، وسرعان ما تنتشر طاقة الانفجار في الفضاء وتتحول إلى أجسام غير مرئية في غضون أسابيع أوأشهر، أما مركز النجم فينهار على نفسه نحوالمركز مكوناً إما قزما أبيضا أويتحول إلى نجم نيوتروني ويعتمد ذلك على كتلة النجم، وأما إذا زادت كتلة النجم عن نحو20 كتلة شمسية فإنه قد يتحول إلى ثقب أسود بدون حتى ينفجر في صورة مستعر أعظم.

وهناك طريقان محتملان لهذه النهاية: إما حتى نجماً ضخماً تفوق كتلتهثمانية كتل شمسيّة ينتهي عند انتهاء عملية الإندماج النووي فيه بسبب نفاذ الوقود النووي فجأة، وتتغلب قوى الجاذبية فينهار النجم نحوالداخل تحت تأثير قوة ثنطقته وهوالمستعر الأعظم من النّمط الثّاني، والطريق الآخر المحتمل حتى يقوم قزم أبيض بالتقاط مادة إضافية من نجم مجاور إلى ان يصل إلى كتلة حرجة هي حد شاندراسيخار فيخضع لعملية انفجار نووي حراري وهوالمستعر الأعظم من النّمط الأوّل، وفي كلتا الحالتين فإن انفجار المستعر الأعظم يقذف بالطبقة الخارجية من مادة النجم بقوة هائلة في الفضاء ويتبقى قزم أبيض أونجم نيوتروني، والحد الفاصل بين التطورين هو1.4 كتلة شمسية فإذا كانت كتلة النجم أكبر من 1.4 كتلة شمسية فإن النجم يمر بفترة المستعر الأعظم ويتبقى منه نجماً نيوترونياً.

حياة النجوم

توضح الصور من اليسار إلى اليمين مراحل حياة عمر النجم: بعدما يستهلك النجم وقوده من الهيدروجين والهيليوم بالاندماج النووي الذي ينتج عناصر أثقل، يستمد طاقته من اندماج العناصر الخفيفة مثل الكربون والأكسجين والسيليكون ويتم تحويلها إلى عنصر الحديد Fe والنيكل Ni. فعندها ينتهي جميع ما له من رصيد من الوقود لاستمرار التفاعل النووي.

وذلك لأن اندماج عنصر الحديد لا ينتج الطاقة الكافية لاستمرار التفاعلات الاندماجية، وتتغلب قوى الجاذبية على الضغط المتولد في باطن النجم ويتقلص النجم وينهار على نفسه نحوالمركز الذي يهجرز فيه الحديد، ويؤدي هذا الانهيار إلى ازدياد هائل في درجة حرارة المكونات التي تتفاعل منتجة نيوترونات ونيوترينوات بغزارة مما تتسبب في انفجار بصورة مستعر أعظم. وتتفاعل النيوترونات مع العناصر المتأينة في الغلاف المتناثر مكونة عناصر أثقل من عنصر الحديد، أي حتى تخليق العناصر الأثقل من الحديد (أنظر الجدول الدوري) متعلق بحدوث المستعر الأعظم الذي يعمل على إنتاج تلك العناصر الثقيلة وصولاً إلى اليورانيوم.

إذا رجعنا إلى تكوين المجموعة الشمسية نجدها خلفت انفجار نجم أكبر كثيراً من الشمس في صورة مستعر أعظم II ومن العناصر التي نشرها ذلك النجم الكبير بالإضافة إلى الهيدروجين الذي يتواجد في سحابات عظمي في الفضاء تكونت الشمس وتوابعها من الكواكب على مر بلايين السنين تحت تأثير الجاذبية، أي حتى تكون المجموعة الشمسية منذ 4.6 بليون سنة إنما يعتبر الجيل الثاني أوالثالث من النجوم حيث تكون الجيل الأول منها نحو600 مليون سنة بعد الانفجار العظيم قبل نحو13.7 مليار سنة، وتوضح الصورة في أقصى اليمين حالة النجم المنفجر بعد انفجاره كمستعر أعظم، إذ لا يصدر منه سوى نيوترينوات.

وقد وقع أعظم وقع من هذا النوع في مجرة درب التبانة في عام 1054م حيث ابتكر سحابة ضخمةً من الغاز سميت سديم السرطان (أنظر أعلاه).

ومن خلال دراسة المستعرات تم اكتشاف ظاهرة عجيبة وهي حتى سرعة دوران النجوم البعيدة عن مركز المجرة في مداراتها حول مركز المجرة أقل من سرعة دوران النجوم القريبة من المركز، ولكن تبين بالمراقبة الدقيقة حتى سرعة دورانها عند المركز أقل من السرعة المحسوبة طبقاً لمعادلات نيوتن الخاصة بالجاذبية. ولهذا يعتقد الفهماء حتى السبب هووجود مادة مظلمة في المجرة أومن الممكن يحتاج تفسير ذلك إدخال تعديل على نظرية نيوتن حول الجاذبية الكونية.

تصنيف المستعرات العظمى

كمحاولة لفهم حدوث المستعرات العظمى يصنفهم الفلكيون بحسب أطياف الامتصاص القادمة والتي تشكل بصمات تعهدنا بالعناصر الكيميائية المكونة لها. وأول علامة يستخدمونها هي وجود الهيدروجين في المستعر الأعظم من عدمه. فإذا عثر في طيف المستعر الأعظم خطا من مجموعة خطوط بالمر للهيدروجين في نطاق الضوء المرئي من الطيف فيصنفه الفلكيون على أنه مستعر أعظم II، وإلا فيصنفونه على أنه من نوع مستعر أعظم I (نستخدم هنا أحيانا التسمية مستعر أعظم 1).

ويوجد لذلك النوعين تصنيفات فرعية تعتمد على وجود خطوط عناصر أخرى في أطياف المستعرات العظمى، وكذلك حسب أشكال المنحنيات الضوئية لها، أي تغير السطوع الظاهري مع الزمن وقت الانفجار.

ويصنف المستعر الأعظم II بحسب نوع أطيافها. فبينما يُظهر معظمهم خط انبعاث عريض يشير إلى تمدد بسرعات تصل إلى عدة آلاف كيلومتر في الثانية فيبين بعضهم الآخر خطوطا غير عريضة. وتسمى هذه المستعرات العظمى، نوع IIn وهي تعني نوع 2 'narrow'. كما توجد بعض المستعرات العظمى التي لا تبين الصفات المعهودة ولذلك يطلق عليها الفهماء التسمية "الغريبة" peculiar, واختصارها 'pec'.

وتظهر بعض المستعرات العظمى مثل SN 1987K وSN 1993J كما لوكانت تغير من تصنيفها : فهي تبين خطوط الهيدروجين في فترة مبكرة من الانفجار، ثم يخلفها أطياف الهيليوم وتستمر لعدة أسابيع أوأشهر. وتستخدم التسمية مستعر أعظم، نوع 2 بي لتمييز صفات مشهجرة بين النوعين :مستعر أعظم II ومستعر أعظم 1 ب.

تفاصيل التصنيفات

قسم الفلكيون المستعر الاعظم إلى تصنيفين طبقا لخطوط العناصر الكيميائية المتنوعة التي تظهر في أطيافها. العنصر الأول لهذا التقسيم هووجود أوغياب طيف الهيدروجين. فإذا كان طيف المستعر الاعظم يحتوي على خط هيدروجين، يصنف نوع ثاني Type II، وما عدا ذلك فهومن النوع الأول Type I. بين تلك المجموعتين، هناك مجاميع فرعية تصنف طبقا لوجود خطوط أخرى وشكل المنحنى الضوء الصادر من السوبرنوفا.

النوع الأول I

ويكون هذا النوع خال من عنصر الهيدروجين

تصنيف La :

وهويمثل كثافة في عنصر السيليكون وضعف في الهيليوم، ويكون هذا التصنيف غالبا للنجوم البيضاء القزمة والتي تقوم بجذب مواد وعناصر من نجم قريب منها أومرافق لها.

تصنيف Lb :

وهويمثل كثافة في عنصر السيليكون وضعف في عنصر الهيليوم، وهوناتج في الغالب عن نجوم عملاقة قد استنفذت وقودها في داخل النجم. ومن الممكن حتىقد يكون قد وقع ذلك بسبب فقد النجم لغلافة المحيط به نتيجة الرياح النجمية الضخمة أونتيجة تفاعل جذبي بين النجم وأي نجم قريب منه.

تصنيف Lc :

طيف يوجد به عنصر السيليكون وضعف في عنصر الهيليوم، وهوفي الغالب ناتج عن نجوم عملاقة قد استنفذت وقودها الموجود في داخلها.

النجوم الأكبر من الشمس تتطور في ظروف أكثر تعقيدا، إذ حتى في مركز الشمس يتحول عنصر الهيدروجين إلى الهيليوم ويصدر الطاقة التي تعمل على تسخين باطن الشمس، وتزيد الضغط في الداخل الذي يمنع طبقات الشمس من الانهيار، أما عنصر الهيليوم الذي ينتج في قلب الشمس فهويتجمع هناك حيث حتى درجات الحرارة في القلب ليست عالية بما فيه الكفاية لتتسبب في انشطاره.

في النهاية وعندماقد يكون عنصر الهيدروجين في القلب قد قارب على الانتهاء، يبدأ الاندماج النووي بالتباطؤ وتبدأ الجاذبية بالعمل على تقلص المركز. ويحمل هذا الانكماش درجة الحرارة حتى تصل إلى درجة حرارة تسمح باندماج ذرات عنصر الهيليوم، ويحدث ذلك في ال 10 % الأخيرة من عمر النجم حيث يتحول عنصر الهيليوم إلى عنصر الكربون. وفي النجوم ذات الكتلة الأقل منعشرة أضعاف كتلة الشمس فإن عنصر الكربون الذي ابتكر بتفاعل عنصر الهيليوم لا يندمج، ويبرد النجم بشكل تدريجي إلى حتى يصبح قزما أبيضا. والنجوم القزمة البيضاء، إذا عثر قربهم نجم، قد يساعد ذلك على انفجار النجم مكونا سوبرنوفا من نوع Ia.

النوع الثاني II

في حالة النجم الأكبر بكثير (كتلة أكبر منتسعة أضعاف الكتلة الشمسية)، تكون فيه الكفاية من عنصري الهيدروجين والهيليوم لتوليد درجات الحرارة والضغط التي يحتاجها الهيليوم في قلب النجم لبدء الاندماج النووي لتكوين عناصر أثقل مثل الكربون عن طريق تفاعل ألفا الثلاثي، كما تتولد عناصر أخرى متوسطة الكتلة مثل الأكسجين والنيون والسيليكون حول القلب في طبقات كطبقات البصلة. فبينما الأنوية الذرية الأثقل تتوزع بشكل تدريجي إلى المركز، ويحيطها من الخارج طبقة من الهيدروجين. ويهجرز السيليكون في المركز ويندمج هوالآخر مكونا الحديد-56. ويتسم الحديد بضعف إنتاجه الطاقة بالاندماج النووي. فيمر النجم بفترة لتوقف التفاعلات النووية في قلبه ويبدأ في التقلص، عندئذ تنهار الطبقات العليا للنجم على القلب بشدة. وعند توقف تقلص قلب النجم وتكبر كثافته بشدة ويكون في طريقه ليكون نجما نيوترونيا ترتد الطبقات العليا مكونة موجة ضاغطة إلى الخارج، ثم يصيبها وابل شديد من النيوترينوات الناشئة من التحام الإلكترونات والبروتونات في القلب مكونة نيوترونات، فتعمل النيوترينوات على تفجير الطبقات العليا في هيئة مستعر أعظم. ويتبقى القلب عاريا بدون غلاف في هيئة نجم نيوتروني.

المستعر الأعظم Ia

ينشأ المستعر الأعظم من نوع Ia طبقاً للنموذج المتفق عليه حالياً في أنظمة النجوم المحتوية على نجمين. ويكون واحد منهما قد وصل إلى فترة قزم أبيض بينماقد يكون الثاني في فترة عملاق أحمر. فيجذب القزم الأبيض غازاً من غلاف العملاق الأحمر مما يتسبب في حدوث عدة انفجارات يتحول خلالها الهيدروجين المنجذب والغاز إلى نواتج اندماجية. ويظل القزم الأبيض يكتسب مادة من جاره حتي تصل كتلته إلى حد شاندراسيخار ويتعداها فيبطأ في التقلص تحت تأثير جاذبيته.

وبخلاف قلب النجم المتكون من الحديد في حالة مستعر أعظم II فيحتوي القزم الأبيض على كميات كبيرة من الكربون القابلة للاندماج وهذا يؤدي إلى تقلص للقزم ويبدأ تحوله إلى نجم نيوتروني. ولكن سرعان ما يشتعل الاندماج في قلب القزم ويسبب انفجار. ولذلك تسمى تلك الظاهرة انفجار مستعر أعظم نووي حراري.

ويكون انفجار المستعر الأعظم دائما بقوة معينة حيث تتكون أولاً كتلة حرجة بالإضافة إلى تكوين العناصر في القزم الأبيض. ولذلك يُستخدم المستعر أعظم Ia "كشمعة عيارية" لدى الفلكيين لقياس بُعد المستعرات العظمى عنا.

وعند انفجار مستعر أعظم Ia لن يتبقى جسم مركزي بعد الانفجار حيث تنتشر جميع مادة القزم في الفضاء. أما العملاق الأحمر المجاور فإنه يقفز من مكانه على إثر انفجار جاره ويكتسب سرعة كبيرة في الابتعاد ولذلك يسمى أحيانا النجم الهارب أوالنجم المنفلت Runaway star. فبعد انفجار قرينه يصبح النجم الهارب لا رباط له.

المنحنى الضوئي

يبين الشكل المنحنى الضوئي للمستعر الأعظم SN 2006gy الذي انفجر في المجرة حتى جي سي 1260 جي إبسيلون وشوهد يوم 18 سبتمبر 2006 ويقارنه بالمنحنيات الضوئية المميزة للنوع I وII من المستعرات العظمى . ويقدر الفهماء بُعد ذلك المستعر الاعظم عنا بنحو240 مليون سنة ضوئية.

الشكل المعتاد للمنحنى الضوئي للمستعر الأعظم، نوع 1أ هوالذي تقل قدر سطوعه خطيا مع الزمن. أما نوع المستعرات العظمى II فيتميز قدر سطوعها بالبقاء متساويا لفترة زمنية طويلة قبل شروعه في الانخفاض (المحور الأفقي يبين عدد الأيام).

وفي يومستة أبريل 2007 شوهد المستعر الأعظم SN 2007bi وقام برصده مرصد كيك حيث استطاع تسجيل تغير سطوعه عبر مدة سنة، ويقدر الفهماء بأن هذا المستعر الأعظم يبعد عنا نحو1.7 مليار سنة ضوئية، ويبدوأنه أكبر من الشمس كتلة 200 مرة، وتبدومعدنيته ضعيفة. ويتميز بسطوع شديد استمر على درجة عالية لمدة طويلة، كما اكتشفت فيه خطوط السيليكون وإشعاعات التحلل بالنشاط الإشعاعي للنيكل.

طاقة انفجار مستعر أعظم

طبقاً لنموذج انفجار المستعرات نوع 1 ب و1 سي ومستعر أعظم II تسمى تلك الأنواع مستعرات عظمى متقلصة القلب، ويكمن الاختلاف الرئيسي بين المستعر أعظم، نوع 1أ والمستعرات العظمى متقلصة القلب في مصدر الطاقة الصادرة قرب قمة المنحنى الضوئي، فنوع مستعر أعظم متقلص القلب ناشئ عن انفجار نجم ضخم وصلت حالة تمدد طبقاته الخارجية إلى حد تصبح فيه تلك الطبقات شفافة للضوء مع استمرار تمددها. وهي تستخلص طاقتها للإشعاع عند قمة المنحنى الضوئي من الموجة التصادمية التي تعمل على تسخين وتشتيت مكونات الغلاف.

ومن جهة أخرى تكون أسلاف النجوم المتفجرة كمستعر اعظم نوع 1أ أجراماً متكتلة كثيفة جداً، أصغر من الشمس حجماً ولكن كتلتها أكبر من كتلة الشمس كثيراً، وهذه لا تصل أغلفتها إلى حالة شفافة إلا بعد حتى تتمدد بدرجة عالية. فيستهلك ازدياد الحرارة الناشئ عن الانفجار في تمدد وتشتت المادة الخارجية من دون حتى تنفذ منها في شكل ضوء مرئي. فالطاقة الصادرة من انفجار مستعر أعظم نوع 1أقد يكون معظمها أشعة تحلل أنوية الذرات المتكونة (تخليق العناصر) خلال الانفجار، وهي بصفة أساسية أشعة تحلل النيكل-56 (نصف العمر لهستة أيام)، ومن تحلل نواتجه من الكوبلت -56 (ونصف عمرة 77 يوم). واما أشعة غاما الصادرة خلال تلك التحللات فإنها تـُمتص من المواد المشتتة من الانفجار، وتعمل على تسخينها إلى حد انها تصدر ضوءا مرئيا.

وبعد تمدد المواد المشتتة من مستعر أعظم متقلص القلب وتبرد، فيبدأ إصدار اشعاعات التحلل الإشعاعي يغلب في الأطياف وهوالذي يؤدي إلى اصدارات في نطاق الضوء المرئي أيضاً. وقد يصدر مستعر اعظم نوع 1أ بين 0.5 - 1 كتلة شمسية من النيكل-56. بينما لا يزيد مقدار الطاقة التي يصدرها مستعر أعظم متقلص القلب عن 0.1 كتلة شمسية من عنصر النيكل-56.

أجرام عظيمة التماسك

يعتمد هيئة الجرم الناتج عن الانفجار على كتلته، حيث لا تتناثر وتتشتت جميع مادة الأغلفة الخارجية للنجم خلال الانفجار في صورة مستعر أعظم. ويكوّن الغاز المتبقي قرصا دوارا حول قلب النجم المتقلص، والذي يصبح من النيوترونات. كما تتحلل المواد المنهارة عليه هي الأخرى إلى نيوترونات ن بذلك يتكون نجم نيوتروني.

فإذا كانت كتلة النجم المنهار على نفسه أكبر من نحوثلاثة كتلة شمسية فقد تتغلب قوى الجاذبية على الضغط الناتج عن مبدأ استبعاد باولي، وهوضغط يعمل على تنافر النيوترونات عن بعضها البعض (أنظر مادة منفطرة). عندئذ يتقلص النجم إلى حتى يصل إلى تكوين ثقب أسود، عظيم الجاذبية، لا تستطيع إشارات الخروج منه ولا ضوء. وتدل بعض الشواهد الفلكية أنه من الممكن أيضا تكوين أجرام أكثر كثافة من كثافة النجوم النيوترونية وهي تسمى نجوم كواركات وهي أجرام تتكون من كواركات.

وتدور النجوم النيوترونية حول محورها بسرعة فائقة قد تصل إلى 1000 دورة في الثانية، وتنتج هذه عن الانكماش العظيم لمادة النجم وتقلصه في كرة مركزية صغيرة جدا طبقا لقانون انحفاظ الزخم الزاوي.

ينتج عن هذا الدوران الفائق السرعة للنجم النيوتروني أونجم الكواركات مجالا مغناطيسيا يتفاعل مع جسيمات الغاز المطرودة ويصدر إشارات كهرومغناطيسية يمكن مشاهدتها من الأرض. وتسمى تلك النجوم النيوترونية نجوم نباضة، حيث تصلنا منها نبضات كهرومغناطيسية منتظمة جدا في دورتها بمعدل 100 أو1000 نبضة في الثانية، وهي ناتجة عن دوران تلك الاجرام شديدة التماسك حول محورها بهذا المعدل، فهي تشبه ضوء فنار الموانيئ الذي يرشد السفن في البحار.

تسريع الأشعة الكونية المجرية

قدم أول مرشد مباشر على أنه يتم تسريع الأشعة الكونية المجرية ضمن بقايا السوبرنوفا من قبل تلسكوب فيرمي، اتىت النتائج من الاستفادة من أربع سنوات من البيانات التي تم جمعها بواسطة التلسكوب لرصد بقايا اثنين من السوبرنوفا - IC 443 وW44 - الموجدتان داخل مجرتنا. الملاحظات تتفق تماماً مع تنبؤات تحلل بايونات محايدة (neutral pion decay).

الأشعة الكونية هي جسيمات نشطة للغاية، في الأغلب بروتونات تنتقل عبر الفضاء، ومعظمها من خارج النظام الشمسي. وثمة تفسير بأن الاشعة المنتجة في مجرة درب التبانة - هي التي تأتي من بقايا السوبرنوفا (SNRs)، ولكن حتى الآن لم يكن هناك أي مرشد قاطع، يثبت العلاقة التي تربطهما.

عندما يتحول نجم إلي سوبر نوفا، وفقاً لفرضية أشعة الكونية SNR،فإن تسارع البروتونات بسبب المجالات المغناطيسية وموجة الصدمة حتى الحصول على ما يكفي من الطاقة للهروب وتصبح الأشعة الكونية أولية، هذه البروتونات النشطة تصطدم أحيانا مع البروتونات الأخرى - في السحب بين النجوم، على سبيل المثال - لإنتاج البيون المحايد، الذي يتحلل على الفور تقريباً إلى فوتونين من أشعة غاما، بالتقاط أشعة غاما ومقارنة النتائج المتحصل عليها عن طريق الحاسوب توصل الفهماء إلي تأكيد هذه الفرضية.

اقرا أيضا