Vilken är den farligaste, brutalaste, våldsammaste och mest dramatiska händelsen som över huvud taget kan hända? Nej, det involverar inte att låna bilen åt din adertonåring som nyss har fått körkort – ta det lugnt nu bara.
Nej, det våldsammaste som kan inträffa, är en supernova. När en jättestjärna kommer till slutet av sitt liv och exploderar.
Skulle en supernova gå av stapeln här i solens grannskap i rymden, typ i vårt astronomiska postnummer, då skulle ingen ha roligt längre. Den skulle blåsa bort jordens atmosfär och sterilisera vår planet totalt. Alla tiders massutdöende.
Lyckligtvis så har vi inga potentiella kandidater till blivande supernovor inom ett farligt avstånd från jorden. Den närmaste potentiella supernovan är Betelgeuse, den har faktiskt sjungit på sista versen ett bra tag nu. Den ligger på dryga 600 ljusårs avstånd.
Men vad innebär det sedan då Betelgeuse brinner av? Vad innebär det överhuvudtaget när en stjärna dör i form av en supernova? Hur ofta sker sådant? Kan vår sol en dag bli en supernova? Det här och mycket mer ska vi fundera kring i veckans Kvanthopp.
Johannes Kepler ser stjärnor
Tidigt under 1600-talet sågs många oroväckande tecken i skyn över Europa. 1603 inträffade, för första gången på 800 år, en konjunktion mellan planeterna Jupiter och Saturnus. Följande år, på hösten 1604, stod planeterna fortfarande nära varandra i stjärnbilden Ormbäraren och fick då sällskap på himlen av planeten Mars.
Mitt i den här illavarslande ansamlingen av planeter flammade plötsligt en ny stjärna upp, en supernova, den 9 oktober 1604. Under de första dagarna lyste den så starkt att den var synlig dagtid, innan den långsamt falnade bort. En kort tid var den nya stjärnan hur som helst ljusstarkare än Sirius, natthimlens ljusaste stjärna.
Och nu var fan lös. Några astrologer förkunnade att världens undergång var nära, andra tolkade det som att det turkiska imperiet skulle gå under eller att stjärnan förebådade ankomsten av en stor konung.
Dokumenterandet av händelsen tillskrivs ofta den tyske astronomen Johannes Kepler, men det var hans tjeckiske elev och kollega Jan Brunowski som såg supernovan först. Han underrättade sedan Kepler om saken.
Kepler tog raskt tag i saken och skrev en bok om fenomenet, De Stella nova in pede Serpentarii, ”Om den nya stjärnan i Ormbärarens fot”. Johannes Kepler trodde alltså att han hade observerat en ny stjärnas födelse. Idag vet vi att vad han egentligen såg, var en gammal stjärnas våldsamma död.
Men trots att vi har vetat vad supernovor är sedan 1930-talet, så har namnet hur som helst fastnat. ”Nova” i ”supernova” betyder ju ”ny” på latin, i bemärkelsen ny stjärna.
Och 1604 års supernova, den som Kepler beskrev i sin bok, kallas fortfarande för Keplers stjärna. Nebulosan den lämnade efter sig går fortfarande att observera, cirka 20 000 ljusår bort.
Det säger någonting om hur sällsynta de här händelserna är, att sedan Keplers stjärna 1604 har vi, såvitt vi vet, inte haft flera supernovor i vår galax, som alltså hyser mellan 200 och 400 miljarder stjärnor.
Kan det hända vår sol?
I andra galaxer har vi ju däremot observerat supernovor, bland annat i vår granngalax Andromeda. Och helt nu i dagarna har en ny supernova observerats i den så kallade Vindsnurregalaxen, SN 2023ixf är katalognumret för den. Den ligger på hela tjugoen miljoner ljusårs avstånd och supernovan i fråga kan inte ses med blotta ögat, men har du ett vanligt litet amatörteleskop – passa på.
Men okej. En supernova är sannolikt den mest våldsamma, enskilda händelsen som går att tänka sig. De inträffar när riktigt stora stjärnor får slut på bränslet i kärnan och exploderar.
”Ja men, vår egen sol är ju en stjärna, kan den bli en supernova”? Nej, det kan den inte, den är på tok för liten för det. Solen skulle behöva ha en åtta gånger större massa för att kunna bli till en supernova vid slutet av sitt liv.
Vi kan ju dröja kvar vid den här tanken en stund, bara som en tankelek. Hur skulle det se ut härifrån jorden, om solen gjorde en supernova? Derek Muller från YouTubekanalen Veritasium har en kul liten liknelse för att illustrera det här.
Tänk dig, säger Muller, att du hissar upp en stor vätebomb, en kärnstridsspets alltså, några centimeter från dina ögon, och låter den explodera.
Den explosionen skulle ändå, för dina ögon, vara en miljard gånger ljussvagare än solen, om den skulle explodera som en supernova. Säger alltså Derek Muller. Och då ska vi tänka på att solen ju faktiskt ligger 150 miljoner kilometer från jorden. Det här säger någonting om hur häftiga händelser vi har att göra med.
En supernova lyser, för en kort tid, starkare än en hel galax. Starkare än hundratals miljarder stjärnor.
Supernova: Så funkar det
Och hur går det då till, vilken är själva mekanismen bakom en sådan här explosion? Tja, då måste vi ta en titt på hur en stjärna som solen producerar sin energi, sitt ljus och sin värme som vi får njuta av så här om somrarna.
Och man kan i princip säga att det handlar om ett ställningskrig mellan två mäktiga krafter. Elden i solens inre, och tyngdkraften som trycker på utifrån.
En stjärna, som solen, är alltså i praktiken en väldig fusionsreaktor. I det enorma trycket och temperaturen som råder inuti dess kärna, slås väteatomer ihop till heliumatomer, och det frigör stora mängder energi. Det här har fått stjärnan att svälla upp till ett stort klot av rasande, superhet plasma.
Man kan säga att en stjärna hålls uppblåst av sitt eget ljus, av fotonerna som fusionskraften i stjärnans hjärta ger upphov till. Och om fusionsreaktionerna inuti kärnan saktar ned, vilket händer inuti vår sol med jämna mellanrum, då sjunker temperaturen och det utåtriktade trycket. Gravitationen, alltså tyngdkraften, tar nu över showen och börjar pressa ihop stjärnan.
Det ökade trycket från gravitationen får än en gång temperaturen i kärnan att stiga, vilket sätter fart på fusionsreaktionerna. Och snart är det fullt tryck i ångpannan igen, så att säga. Balansen är återställd.
Men den här leken kan inte pågå hur länge som helst. En stjärna har, när det kommer till kritan, en begränsad mängd bränsle att spela med. Solen, till exempel, förbrukar cirka fem miljarder kilogram – fem miljoner ton – av sitt vätebränsle varje sekund.
Och solen är alltså inte en värst stor stjärna, den är väl ungefär medelvikt. Det finns stjärnor som är tiotals gånger mer massiva än solen. Rent intuitivt kunde man ju tro att jaha, de är större, de innehåller mer bränsle. Så de måste leva mycket längre. Men så är det inte.
Rymdens rockstjärnor
Ju större en stjärna är, desto fortare tuggar den upp sitt kärnbränsle. Stjärnor är på det sättet lite som rockstjärnor. De riktigt stora stjärnorna, av Freddie Mercury och Elvis Presley-kalibern, bränner på riktigt sina ljus i bägge ändar. Och så går det som det går sedan. Live fast, die young.
En stjärna som är tjugo gånger mer massiv än vår sol, gör av med hela sitt väteförråd på bara ynka tio miljoner år. Vilket är ingenting i det här sammanhanget. Som sagt, vår sol som inte riktigt är en stjärna av stadion-kaliber, har bränsle kvar för uppemot fem miljarder år till.
Men låt oss alltså kolla in en riktig superstjärna, en Marilyn Monroe-klassens stjärna, som närmar sig slutet på sitt liv. Vätebränslet i kärnan, som den pressar ihop till helium, börjar vara på upphällningen. Fusionsprocessen i kärnan saktar in och tyngdkraften börjar krama om stjärnan med ett dödsgrepp.
Och ser man på! Det ökande trycket utifrån sätter än en gång sprutt på den desperata kärnan. I brist på vätebränsle tager stjärnan vad den haver, liksom. Och vad den har, är restprodukterna från den förra fusionscykeln: helium.
Så stjärnan börjar nu slå ihop helium till kol. I samband med det här stiger temperaturen från kanske tjugo miljoner till tvåhundra miljoner grader Kelvin.
Den döende jättestjärnan har tillräckligt med helium för att hålla fyr under pannan i en miljon år eller så, vilket inte är mycket. I Ozzy Osbourne-termer skulle det här väl motsvara tio gram kokain eller så.
Och precis som drogerna bara gör rockstjärnans dödsspiral brantare, barkar det också utför för den riktiga stjärnan. Den börjar nu slå ihop ännu en omgång fusionsrester, kol den här gången, till neon. Det här räcker för ynka tusen år eller så. Det går fort nu.
När kolet tar slut börjar stjärnan fusionera neonet till syre, det här håller den igång i några enstaka år – slutet börjar närma sig. Syret fusionerar stjärnan sedan i sin tur till kisel, vilket förlänger partajet med några få månader.
Järnet, superstjärnornas bane
Temperaturen i stjärnans hjärta har nu stigit till hårresande 2,5 miljarder grader, vilket är hett nog för att fusionera kiselresterna till nickel, som i sin tur degraderas till järn.
Här och nu, på tröskeln till sin oundvikliga och våldsamma död, finner sig den enorma superstjärnan med en kanonkula av järn mitt i hjärtat. En kula som den själv har skjutit dit. Och det överlever stjärnan inte.
Den här järnkulan i stjärnans hjärta är bara några tusen kilometer eller så tvärs över, och för att fortsätta showen borde stjärnan lyckas använda järnet som fusionsbränsle. Men det kan den inte, hur stor den än är. Järn är ändhållplatsen för all fusion, för alla stjärnor.
Järn är det stabilaste av alla grundämnen. Det krävs ohyggliga mängder energi både för att fusionera det till ännu tyngre grundämnen, och till att spjälka det till lättare komponenter. I och för sig det går att tillverka tyngre grundämnen än järn, det finns ju bevisligen gott om sådana. Grejen är bara att en stjärna inte kan göra det. Att fusionera järn kräver mer energi än själva processen frigör, så den affären lämnar ingenting kvar åt stjärnan att lysa med.
Alla kedjor av både fusion och fission slutar förr eller senare med – järn. Och det är som sagt här som vår döende jättestjärna nu står. Med ett hjärta av kompakt järn, som bara växer.
När järnklumpen i stjärnans hjärta har uppnått en massa på cirka 1,4 gånger vår sols massa, en gräns som kallas Chandrasekhargränsen, blir trycket från stjärnans tyngdkraft så enormt att någonting fullständigt knasigt händer. Kvantmekaniken lägger sig i leken.
När elektronerna i stjärnans järnhjärta blir tillräckligt trängda, får de slut på utrymme att röra på sig. Så de blir tvingade in på sin lägsta möjliga energinivå. Det här leder till att de blir absorberade av protonerna i atomkärnorna. Det här betyder att protonerna förvandlas till neutroner.
I samma process händer också någonting annat. En mängd neutriner skapas. Det här är viktigt, håll det i tankarna, vi kommer till det snart.
En stjärnas brustna hjärta
Men nu går det alltså undan med fart. Stjärnans innersta kollapsar, plötsligt och brutalt, in i sig självt. Raset sker med ungefär en fjärdedel av ljusets hastighet. Vad som har varit en boll av kompakt järn, tre tusen kilometer i diameter, faller samman till en ännu kompaktare boll av rena neutroner, bara cirka trettio kilometer tvärs över. I princip är den nu en så kallad neutronstjärna.
Och nu, när stjärnan har förlorat allt det utåtriktade trycket, när boilern har fallit samman, liksom, då rasar också stjärnans yttre lager samman. De kollapsar också inåt med tjugofem procent av ljusets hastighet. Allt det fallande bråtet från stjärnans avlägsna övre regioner kraschar in i den lilla neutronstjärnan – och studsar. Som ingen superboll någonsin har studsat.
Och när likdelarna från en död superstjärna flyger utåt åt alla håll och kanter, med en hastighet som mäts i hyfsade andelar av ljushastigheten, då skapas en enorm, supervåldsam chockvåg som rör sig utåt från händelsens mitt med en obegriplig kraft.
Men hur brutalt det här än låter, så är det här inte ännu själva supernovan. För att den ska bli ett faktum krävs en insats från de redan nämnda neutrinerna, som uppstod när elektronerna och protonerna i kärnan gick samman.
Neutrinerna skulle egentligen kräva ett helt Kvanthopp helt för sig själva. Men låt oss bara säga att neutrinon är en elementarpartikel som tillhör familjen leptoner och som saknar elektrisk laddning. Neutrinon är universums överlägset talrikaste enskilda partikel. Solen sprutar till exempel ur sig en massa neutriner hela tiden, som uppstår i samband med vätefusionen i dess kärna.
Neutrinon, partikelfamiljens introvert
Tidigare trodde man att neutrinon saknade massa, liksom fotonen, alltså ljuspartikeln, men vi vet nu att neutrinon har en pytte-pytteliten massa. Och de kan beskrivas som lite av partikelfamiljens introverter. De vill ha så lite med resten av universum att göra som möjligt. De reagerar genom gravitationen och den svaga växelverkan, men också det gör de ogärna och otroligt sällan.
Just nu genomborras din kropp av hundra biljoner neutriner – det är samma som hundra tusen miljarder neutriner – varje sekund! Men du märker såklart inte av det, för neutrinerna går varken att se eller känna. Du är mycket tunnare än luft för dem. Hela jorden är det, de facto.
För att få ens en fifty-fifty chans att fånga upp en enda neutrino, skulle du behöva en vägg av kompakt bly som är ett ljusår tjock.
”Nå vad har det här med en supernova att göra, kom till saken nu då!”
Jo, som jag nämnde, när elektronerna och protonerna i den döende jättestjärnans hjärta kläms samman till neutroner, frigörs alltså en helt galen mängd neutriner. Omkring 10^58. Det är en så stor siffra att den inte går att föreställa sig.
Och när en sådan här mängd neutriner plötsligt skjuts ut ur den döende stjärnans hjärta med nära ljusets hastighet, då blir det alla tiders rusning.
Som sagt så reagerar neutriner nästan aldrig med vanlig materia, de flyger bara igenom alltsammans som om det inte fanns där, men kärnan av en stjärna i färd med att bli supernova, den har en helt vansinnigt stor densitet. Sisådär tio biljoner gånger kompaktare än bly. Det här är tillräckligt kompakt för att stoppa en liten men tillräckligt stor mängd av neutrinerna, och absorbera energin som de bär på.
Och det är sist och slutligen det här som gör att stjärnan blir supernova. En liten partikel, miljontals gånger mindre massiv än en elektron, som nästan inte interagerar alls med vanlig materia, ger upphov till de största och häftigaste explosionerna i universum.
Och det är för övrigt nu som alla de där tyngre grundämnena skapas, de som är tyngre än järn. Stjärnan orkade inte smida dem under sitt liv, men i sitt våldsamma dödsögonblick skapar stjärnan även dem.
Neutrinerna förvarnar astronomerna
Bara omkring en hundradel av en procent av all energi som en supernova frigör, är i form av elektromagnetisk strålning. Inklusive ljuset som vi kan se med våra ögon. Ändå lyser en supernova starkare än en hel galax, åtminstone för en stund.
Lite mer, omkring en procent av supernovans energi består av kinetisk energi, alltså rörelse-energi. Men allt annat är neutriner. Och neutriner är följaktligen det första vi kan se här på jorden, av en supernova i färd med att brinna av. Eftersom de kan penetrera allt annat bråte i sin väg och passera ut ur supernovan före själva chockvågen.
Så när astronomerna registrerar en skur med neutriner från en fjärran galax, då vet de att de har några timmar på sig att rikta sina teleskop åt det hållet för att hinna fånga själva ljusblixten.
Här ska kanske påpekas att alla jättestjärnor dör inte som supernovor, vissa blir till svarta hål – men det är en annan story. I vår galax Vintergatan inträffar i genomsnitt bara en eller två supernovor per sekel.
En av de mest spektakulära supernovorna i historisk tid var den som inträffade år 1054, som kinesiska astronomer dokumenterade. Den låg på 6 500 ljusårs avstånd, hyfsat nära, med andra ord – Vintergatan är alltså 100 000 ljusår tvärs över. Där den inträffade ligger idag den så kallade Krabbnebulosan, ett glödande moln av radioaktiv gas, 11 ljusår tvärsöver.
Men hur är det då med potentiella supernovor som ligger så nära jorden att de skulle kunna ställa till med trubbel för oss? Och då snackar vi mer eller mindre om total ödeläggelse av jorden och utplånandet av allt liv på den.
Jätten Betelgeuse närmar sig slutet
Nå, lyckligtvis har vi inga sådana inom ett farligt avstånd. Jättestjärnan Betelgeuse, den sjunde ljusstarkaste stjärnan på natthimlen, ligger drygt 600 ljusår härifrån. Den sjunger på sista versen just nu. Den kan flyga i luften typ imorgon, eller om tusen år. Ingen vet. Men lyckligtvis ligger Betelgeuse juuuust tillräckligt långt borta för att vi ska vara på säkra sidan.
Men en häftig ljusshow kommer det att bli. Betelgeuse kommer under några veckor att skina starkare än fullmånen.
Okej, men helt hypotetiskt – grejen är ju att stjärnor rör på sig. I genomsnitt passerar en annan stjärna inom ett ljusårs avstånd från solen varje halv miljon år eller så. Det här är mycket närmare än vår nuvarande närmaste stjärngranne, Proxima Centauri, som ligger drygt fyra ljusår bort.
Om en stjärna stor nog att bli till en supernova – minst åtta gånger solens massa – skulle komma så nära, säg nu ett ljusår härifrån… total katastrof. Bara den kinetiska energin från chockvågen skulle räcka till för att bokstavligen blåsa bort hela jordens atmosfär. Plus all dödlig partikel- och gammastrålning.
Men någon sådan supernova kommer inte att inträffa inom vår livstid, det vet vi. Men förr eller senare. Supernovor inom en trettio ljusårs radie är supersällsynta, men de händer. I genomsnitt en gång på en och en halv miljard år eller så.
Hur det nu råkar sig, enligt en färsk studie kan supernovor vara dödliga ända upp till 150 ljusårs avstånd. Sådana är redan betydligt vanligare. Och faktum är att det finns indirekta bevis – en viss isotop av järn, järn-60 i avlagringarna – som tyder på att en supernova inträffade för 2,6 miljoner år sedan, 130 ljusår härifrån.
Våra tidiga förfäder av släktet Australopithecus såg den supernovan, men de överlevde bevisligen. En så närbelägen supernovaexplosion torde ändå ha skadat jordens ozonskikt och kan ligga bakom det massutdöendet som fossilavlagringarna från den tiden vittnar om. Omkring en tredjedel av alla stora havslevande djurarter dog ut kring den här tiden, i gränslandet mellan de geologiska epokerna pliocen och pleistocen.
Och det kommer som sagt att hända igen. Kanske till och med mycket närmare, och mycket dödligare än så. Men – inte den här sommaren. Så ut och njuta bara. Inte ens under vår egen livstid, eller våra barns. Det mesta av det eländet som hotar oss, det orsakar vi helt själva, vår vana trogen.