Είδαμε στο άρθρο Ο κύκλος της ζωής του Ήλιου τον τρόπο με τον οποίο ένα άστρο σαν τον Ήλιο ολοκληρώνει τον κύκλο της ζωής του, εκτινάσσοντας τις εξωτερικές του στοιβάδες στο Διάστημα και αποκαλύπτοντας έτσι τον υπέρθερμο πυρήνα του που έχει συμπιεστεί σε έναν λευκό νάνο.

Αφού όμως οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στο εσωτερικό του έχουν «σβήσει» για πάντα, πού οφείλεται η εσωτερική του πίεση, η οποία αντιστέκεται στην κατάρρευσή του; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα δόθηκε με την ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας στη διάρκεια της δεκαετίας του 1920, όταν αποδείχτηκε ότι η ύλη σε τέτοιες καταστάσεις υπερυψηλής πυκνότητας μπορούσε πραγματικά να αντισταθεί στην περαιτέρω βαρυτική κατάρρευση. Αυτό οφείλεται στην Απαγορευτική Αρχή του Pauli, σύμφωνα με την οποία δεν μπορούν περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια να καταλαμβάνουν την ίδια ενεργειακή κατάσταση. Υπενθυμίζουμε εδώ, ότι εξαιτίας των μεγάλων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των άστρων, τα ηλεκτρόνια έχουν αποχωριστεί πλήρως από τους ατομικούς τους πυρήνες.

Οι τεράστιες, δηλαδή, πιέσεις που επικρατούν τώρα στο εσωτερικό του λευκού νάνου, έχουν μετατρέψει την ύλη που εμπεριέχει σε μία «εκφυλισμένη», όπως ονομάζεται, κατάσταση, η οποία «απαγορεύει» στα ελεύθερα ηλεκτρόνια να πλησιάσουν το ένα το άλλο, περισσότερο απ’ όσο τους το «επιτρέπει» η αρχή του Pauli. Έτσι, το νέφος αυτό των ηλεκτρονίων δεν μπορεί να συμπιεστεί και να περιοριστεί πέρα από έναν ορισμένο όγκο, γι’ αυτό και τα ελεύθερα, «εκφυλισμένα» ηλεκτρόνια εξαναγκάζονται να καταλάβουν όλο και υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις, γεγονός που τα ωθεί να κινούνται με όλο και μεγαλύτερες ταχύτητες. Έτσι, λοιπόν, τα ηλεκτρόνια αυτά ασκούν μία ισχυρότατη πίεση που αντιστέκεται σε οποιαδήποτε περαιτέρω συμπίεση του λευκού νάνου. Επομένως, η τελική βαρυτική κατάρρευση του λευκού νάνου, ενός μακροσκοπικού σώματος, εμποδίζεται από την εκφυλισμένη πίεση των ηλεκτρονίων, μία δηλαδή από τις βασικές αρχές της κβαντομηχανικής, που κυβερνούν το μικρόκοσμο.

Εντέλει, ακτινοβολώντας συνεχώς θερμότητα στο Διάστημα (αλλά με πολύ βραδύ ρυθμό δεδομένης της μικρής του επιφάνειας), η θερμοκρασία του λευκού νάνου θα μειώνεται όλο και πιο πολύ, ώσπου, εκατοντάδες δισ. χρόνια αργότερα, θα μετατραπεί σε έναν παγωμένο μαύρο νάνο.

Σε διπλά συστήματα άστρων, ωστόσο, τα οποία αποτελούνται από έναν λευκό νάνο και από ένα άλλο άστρο, η τελική «μοίρα» του λευκού νάνου είναι διαφορετική, γιατί, όπως απέδειξε ο Ινδός αστροφυσικός Sabrahmanyan Chandrasehkar, κι αυτή ακόμη η εκφυλισμένη πίεση των ηλεκτρονίων δεν είναι πάντα ικανή να σταματήσει την κατάρρευσή του. Χρησιμοποιώντας την ειδική θεωρία της σχετικότητας και την κβαντική φυσική, ο  Chandrasehkar απέδειξε ότι, εάν η μάζα του λευκού νάνου υπερβεί με κάποιον τρόπο τις 1,4 ηλιακές μάζες (το όριο Chandrasehkar), η εκφυλισμένη πίεση των ηλεκτρονίων αδυνατεί πλέον να «σώσει» τον λευκό νάνο από την περαιτέρω βαρυτική του κατάρρευση.

Σε αυτά αστρικά συστήματα, λοιπόν, το βαρυτικό πεδίο του λευκού νάνου απορροφά ύλη από τις εξωτερικές στοιβάδες του γειτονικού του άστρου, η οποία στροβιλίζεται γύρω του και εντέλει εναποτίθεται σε όλο και μεγαλύτερες ποσότητες στην επιφάνειά του, αυξάνοντας την μάζα του διαρκώς. Εάν αυτή η διαρκής προσθήκη ύλης «σπρώξει» την μάζα του λευκού νάνου πάνω από το όριο Chandrasehkar, η εσωτερική του πίεση δεν θα επαρκεί πλέον, ώστε να αντισταθεί στην βαρύτητα. Ο λευκός νάνος θα καταρρεύσει τότε βαρυτικά, αυξάνοντας την πυκνότητα και την θερμοκρασία του σε ακραία επίπεδα, και δίνοντας έτσι το έναυσμα για μία «εκρηκτική» περίοδο πυρηνοσύνθεσης, στην διάρκεια της οποίας συντήκονται ραγδαία όλο και βαρύτερα στοιχεία. Ο λευκός νάνος, δηλαδή, μετατρέπεται σ’ έναν ανεξέλεγκτο θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, που εντέλει εκρήγνυται με πρωτοφανή βιαιότητα και καταστρέφεται ολοκληρωτικά σε μία εκτυφλωτική έκρηξη υπερκαινοφανούς τύπου Ia, η φωτεινότητα της οποίας συναγωνίζεται την φωτεινότητα του γαλαξία που την φιλοξενεί.

 

Φωτογραφία: Καλλιτεχνική αναπαράσταση λευκού νάνου σε διπλό αστρικό σύστημα Credit: NASA/CXC/M.Weiss

π