มหานวดาราประเภท 1เอ

มหานวดาราประเภท 1เอ เป็นประเภทย่อยของซากดาวแปรแสงประเภทหนึ่งที่เกิดจากการระเบิดอย่างรุนแรงของดาวแคระขาว ดาวแคระขาวนี้เป็นซากดาวฤกษ์ซึ่งสิ้นสุดอายุขัยแล้ว และไม่สามารถสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นได้อีกต่อไป อย่างไรก็ดี ดาวแคระขาวที่ยังมีคาร์บอน-ออกซิเจนอยู่อาจสามารถทำปฏิกิริยาฟิวชั่นต่อไปได้อีก ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมาหากอุณหภูมิของมันสูงมากพอ

ในทางกายภาพแล้ว ดาวแคระขาวที่มีการอัตราหมุนรอบตัวเองต่ำ จะมีมวลจำกัดที่ต่ำกว่าขีดจำกัดจันทรสิกขา คือ ประมาณ 1.38 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ นี่คือขีดจำกัดมวลมากที่สุดซึ่งแรงดันสภาพซ้อนสถานะของอิเล็กตรอนยังสามารถรองรับได้ หากพ้นจากขีดจำกัดมวลนี้ ดาวแคระขาวจะเริ่มยุบตัว ถ้าดาวแคระขาวเริ่มสะสมมวลจากดาวคู่ของมัน เชื่อกันว่าแกนกลางจะมีอุณหภูมิสูงจนสามารถเริ่มการฟิวชั่นคาร์บอนได้เมื่อถึงขีดจำกัด ถ้าดาวแคระขาวรวมตัวเข้ากับดาวฤกษ์อื่น (เป็นเหตุการณ์ที่พบน้อยมาก) มันก็จะมีมวลสูงกว่าขีดจำกัดและเริ่มยุบตัวลง ซึ่งก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจนเกินขีดจำกัดการจุดระเบิดของนิวเคลียร์ฟิวชั่นเช่นเดียวกัน ภายในเวลาไม่กี่วินาทีหลังจากเริ่มกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่น เศษสสารของดาวแคระขาวจะทำปฏิกิริยาภาวะความร้อนเฉียบพลัน ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานออกมามากพอ (1–2 × 10 จูล) ในการทำให้ดาวระเบิดออกกลายเป็นมหานวดาราได้

มหานวดาราประเภทนี้จะให้ความส่องสว่างสูงสุดค่อนข้างคงที่ เพราะมวลของดาวแคระขาวที่ระเบิดด้วยกลไกการพอกพูนมวลนั้นเป็นมวลที่สม่ำเสมอ การที่ค่านี้ค่อนข้างเสถียรทำให้เรานิยมนำการระเบิดนี้ไปใช้เป็นเทียนมาตรฐาน เพื่อใช้วัดระยะห่างของดาราจักรแม่ของมัน เนื่องจากความส่องสว่างปรากฏของมหานวดาราจะขึ้นอยู่กับระยะห่างเป็นหลัก

มหานวดาราประเภท 1เอ เป็นประเภทย่อยตามการจัดประเภทมหานวดาราแบบมินคอฟสกี-ชวิกกี ซึ่งคิดค้นขึ้นโดยนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน รูดอล์ฟ มินคอฟสกีและฟริตซ์ ชวิกกี มหานวดาราประเภทนี้เกิดขึ้นได้จากหลายวิธี แต่ก็มีกลไกพื้นฐานร่วมกันอยู่ส่วนหนึ่ง เมื่อดาวแคระขาวคาร์บอน-ออกซิเจนซึ่งหมุนรอบตัวเองอย่างช้า ๆ พอกพูนมวลสารจากดาวคู่ของมัน มันไม่สามารถเพิ่มมวลจนเกินขีดจำกัดจันทรสิกขาที่ราว 1.38 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ได้ หากเกินกว่านั้น มันจะไม่สามารถรองรับน้ำหนักของตัวเองโดยอาศัยแรงดันสภาพซ้อนสถานะของอิเล็กตรอนได้ และจะเริ่มยุบตัวลง หากไม่เกิดกระบวนการชดเชยแรง ดาวแคระขาวจะยุบตัวลงกลายไปเป็นดาวนิวตรอน ดังเช่นที่เกิดขึ้นทั่วไปกับดาวแคระขาวซึ่งมีส่วนประกอบของแมกนีเซียม นีออน และออกซิเจนเป็นหลัก

อย่างไรก็ตาม มุมมองปัจจุบันในหมู่นักดาราศาสตร์ผู้ออกแบบแบบจำลองการระเบิดมหานวดาราประเภท 1เอ คือ ขีดจำกัดนี้ไม่สามารถบรรลุได้เลยในความเป็นจริง ดังนั้น การยุบตัวจึงไม่เคยเกิดขึ้น ทว่ากลับเกิดแรงดันและความหนาแน่นเพิ่มขึ้นแทน อันเนื่องมาจากน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นทำให้อุณหภูมิที่แกนกลางเพิ่มสูงขึ้น และเมื่อดาวแคระขาวเข้าใกล้ราว 1% ของขีดจำกัด จะทำให้เกิดช่วงการพาความร้อน ซึ่งกินเวลาอย่างน้อย 1,000 ปี ในบางจุดของระยะคุกรุ่นนี้ การเผาไหม้เองก็จะเกิดขึ้น โดยได้รับพลังงานจากการฟิวชั่นคาร์บอน รายละเอียดของการจุดระเบิดยังคงไม่เป็นที่ทราบกัน รวมไปถึงตำแหน่งและจำนวนของจุดที่เริ่มมีไฟเกิดขึ้น การฟิวชั่นออกซิเจนเริ่มต้นขึ้นไม่นานหลังจากนั้น แต่เชื้อเพลิงนี้ไม่ถูกเผาผลาญโดยสมบูรณ์เท่ากับคาร์บอน

เมื่อการฟิวชั่นเริ่มต้นขึ้น อุณหภูมิของดาวแคระขาวจะเริ่มสูงขึ้น ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักซึ่งมีแรงดันความร้อนจะขยายตัวและเย็นตัวลงเพื่อชดเชยและปรับสมดุลกับพลังงานความร้อนที่เพิ่มสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม แรงดันที่เสื่อมลงจะไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดาวแคระขาวไม่สามารถควบคุมกระบวนการเผาไหม้เหมือนกับดาวฤกษ์ทั่วไป และไม่มั่นคงต่อปฏิกิริยาฟิวชั่นเฉียบพลันได้ ไฟจะถูกเร่งให้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นส่วนที่เกิดขึ้นจากความไม่เสถียรเรย์ลี-เทย์เลอร์ และปฏิกิริยากับความปั่นป่วน ปัจจุบันนี้ ยังคงเป็นที่โต้เถียงกันว่าไฟดังกล่าวเปลี่ยนไปเป็นการระเบิดเหนือเสียง (detonation) จากการเผาไหม้ใต้เสียง (deflagration) หรือไม่

หากไม่สนใจรายละเอียดที่ชัดเจนของการเผาไหม้นิวเคลียร์ ก็เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าเศษชิ้นส่วนจำนวนมากของคาร์บอนและออกซิเจนในดาวแคระขาวจะถูกเผาไหม้กลายเป็นธาตุที่หนักกว่าภายในระยะเวลาไม่กี่วินาที ทำให้อุณหภูมิภายในดาวเพิ่มขึ้นไปถึงหลายพันล้านองศา พลังงานที่ถูกปลดปล่อยจากการเผาไหม้นิวเคลียร์ความร้อน (1-2 × 10 จูล) นี้มากเกินพอที่จะสลายพลังงานยึดเหนี่ยวโน้มถ่วงของดาว ซึ่งก็คือ อนุภาคทั้งหมดซึ่งประกอบขึ้นเป็นดาวแคระขาวจะมีพลังงานจลน์มากพอที่จะเคลื่อนที่หนีออกจากกัน ดาวจะระเบิดอย่างรุนแรงและปลดปล่อยคลื่นกระแทกซึ่งมีความเร็วระหว่าง 5-20,000 กิโลเมตรต่อวินาที หรือราว 3% ของความเร็วแสง พลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมาในการระเบิดจะทำให้ความสว่างเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความส่องสว่างสัมบูรณ์ที่มองเห็นได้ของมหานวดาราประเภท 1เอ อยู่ที่ M = -19.3 (สว่างกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 5 พันล้านเท่า) โดยมีความแปรปรวนเล็กน้อย ซากมหานวดาราจะอยู่กับดาวคู่ของมันหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับปริมาณของมวลที่ถูกดีดออกมา

ทฤษฎีของมหานวดาราประเภทนี้คล้ายคลึงกับทฤษฎีของโนวา เพียงแต่ดาวแคระขาวจะพอกพูนสสารช้ากว่ามากและไม่ถึงขีดจำกัดจันทรสิกขา ในกรณีของโนวา สสารที่ถูกดึงดูดเข้ามาด้วยแรงโน้มถ่วงจะก่อให้เกิดฟิวชั่นไฮโดรเจนการระเบิดที่พื้นผิวซึ่งจะไม่ส่งผลกระทบต่อดาวแคระขาว มหานวดาราประเภทนี้แตกต่างจากมหานวดาราประเภทแกนสลาย ซึ่งเกิดขึ้นจากการระเบิดอย่างรุนแรงของพื้นผิวชั้นนอกของดาวมวลมากเมื่อแกนของมันเกิดการระเบิด

แบบจำลองหนึ่งที่อธิบายการก่อตัวของมหานวดาราประเภทนี้ คือ ระบบดาวคู่ที่กระชับแน่น ระบบดาวคู่ต้นกำเนิดประกอบด้วยดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก ซึ่งดาวฤกษ์หลักมีมวลมากกว่าดาวฤกษ์รอง และด้วยความที่มีมวลมากกว่า ดาวฤกษ์หลักจะวิวัฒนาการกลายเป็นแขนงดาวยักษ์อะซิมโทติกก่อนคู่ของมัน โดยผิวห่อหุ้มของดาวจะขยายตัวอย่างมาก หากดาวฤกษ์ทั้งสองใช้ผิวห่อหุ้มร่วมกันแล้ว ระบบดาวคู่จะสูญเสียมวลไปเป็นจำนวนมาก ซึ่งทำให้โมเมนตัมเชิงมุม รัศมีวงโคจร และคาบของการโคจรลดลง หลังจากดาวฤกษ์หลักเสื่อมสลายไปเป็นดาวแคระขาว ดาวฤกษ์รองจะวิวัฒนาการไปเป็นดาวยักษ์แดงและเข้าสู่ขั้นการพอกพูนมวลให้แก่ดาวหลัก ระหว่างช่วงเวลาสุดท้ายซึ่งใช้ผิวห่อหุ้มร่วมกันนี้ ดาวฤกษ์ทั้งสองจะหมุนเข้ามาใกล้กันมากขึ้นเนื่องจากสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมไป วงโคจรที่เกิดขึ้นนี้อาจมีคาบที่สั้นเพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น หากการพอกพูนมวลดำเนินไปได้นานพอ ดาวแคระขาวอาจมีมวลถึงขีดจำกัดจันทรสิกขาได้

รูปแบบที่สองที่เป็นไปได้น้อยกว่า คือกลไกสำหรับจุดระเบิดมหานวดาราประเภท 1เอ เกิดจากการรวมตัวของดาวแคระขาวสองดวงที่มีมวลรวมกันแล้วมากกว่าขีดจำกัดจันทราสิกขา (เรียกว่า ดาวแคระขาวมวลซูเปอร์จันทราสิกขา) ในกรณีเช่นนี้ มวลทั้งหมดจะไม่อยู่ใต้ขีดจำกัดจันทรสิกขา นี่เป็นคำอธิบายหนึ่งในหลายๆ ข้อที่พยายามอธิบายถึงต้นกำเนิดดาวฤกษ์มวลมาก (2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ซึ่งทำให้เกิดมหานวดารา SN 2003fg

คาดกันว่าดาวโดดเดี่ยวในดาราจักรทางช้างเผือกจะเกิดการชนกันขึ้นหนึ่งครั้งทุก ๆ 10-10 ปี ซึ่งเกิดน้อยครั้งกว่าการเกิดโนวามาก อย่างไรก็ตาม ในบริเวณใจกลางอันหนาแน่นของกระจุกดาวทรงกลมมีการชนกันบ่อยครั้งกว่ามาก (ดูเปรียบเทียบกับ ดาวแปลกพวกสีน้ำเงิน) กรณีที่น่าจะเกิดขึ้น ได้แก่ การชนกันในระบบดาวคู่ หรือระหว่างระบบดาวคู่สองระบบซึ่งมีดาวแคระขาวอยู่ในระบบ การชนดังกล่าวสามารถกลายมาเป็นระบบดาวคู่ที่กระชับแน่นระบบเดียวซึ่งมีดาวแคระขาวสองดวง วงโคจรของพวกมันจะค่อย ๆ เสื่อมลงและรวมตัวเข้าด้วยกันผ่านพื้นผิวห่อหุ้มที่ใช้ร่วมกัน

ดาวแคระขาวสามารถพอกพูนมวลจากดาวคู่ชนิดอื่นๆ ได้ด้วยเช่นกัน ซึ่งรวมไปถึงดาวยักษ์เล็ก หรือแม้กระทั่งดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก (ถ้าวงโคจรอยู่ใกล้กันมากพอ) กระบวนการวิวัฒนาการแท้จริงในระยะการพอกพูนมวลนี้ยังคงไม่แน่นอน ซึ่งอาจขึ้นอยู่กับอัตราการพอกพูนมวลและการถ่ายเทโมเมนตัมเชิงมุมไปให้กับคู่ดาวแคระขาว

มหานวดาราประเภท 1เอ แตกต่างจากมหานวดาราประเภทอื่น เพราะมันเกิดขึ้นทั่วไปในดาราจักรทุกประเภทรวมถึงดาราจักรรี พวกมันไม่แสดงว่าจะเกิดขึ้นในบริเวณก่อตัวของดาวฤกษ์ในปัจจุบันแต่อย่างใด เนื่องจากดาวแคระขาวเกิดขึ้นในระยะสุดท้ายของช่วงวิวัฒนาการดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก ระบบดาวที่อยู่มานานแสนนานนี้จึงอาจเดินทางมาไกลจากบริเวณที่ก่อตัวขึ้นแต่ดั้งเดิมมาก หลังจากนั้นระบบดาวคู่อันกระชับแน่นอาจใช้เวลาอีกหลายล้านปีในขั้นตอนการถ่ายเทมวล (ซึ่งมีความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดการระเบิดโนวา) ก่อนที่เงื่อนไขจะเหมาะสมกับการเกิดมหานวดาราประเภท 1เอ ขึ้น

มหานวดาราประเภท 1เอ มีกราฟแสง (กราฟของความสว่างเทียบกับเวลาหลังจากการระเบิด) ที่มีลักษณะพิเศษ เมื่อใกล้ช่วงเวลาที่มีความสว่างมากที่สุด สเปกตรัมจะประกอบด้วยเส้นของธาตุมวลปานกลางตั้งแต่ออกซิเจนถึงแคลเซียม ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของพื้นผิวชั้นนอกของดาวฤกษ์ หลายเดือนหลังจากการระเบิด เมื่อพื้นผิวชั้นนอกขยายตัวไปจนถึงจุดโปร่งแสง สเปกตรัมจะถูกกลบโดยแสงที่ปลดปล่อยมาจากแหล่งกำเนิดใกล้กับแกนของดาว ธาตุหนักจะถูกสังเคราะห์ขึ้นระหว่างการระเบิด ไอโซโทปที่สำคัญส่วนใหญ่ใกล้เคียงกับเหล็ก (หรือธาตุไอร์ออนพีก) การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี นิกเกิล-56 ตลอดจนถึงโคบอลต์-56 และเหล็ก-56 ผลิตโปรตอนพลังงานสูงซึ่งกลืนกินปริมาณพลังงานที่ผลิตได้ของสสารแตกกระจายที่ช่วงกลางถึงช่วงปลาย

ความคล้ายคลึงกันของความสว่างสัมบูรณ์ของมหานวดาราประเภท 1เอ เกือบทั้งหมดที่รู้จักได้นำไปสู่การใช้เป็นเทียนมาตรฐานลำดับรองในการศึกษาดาราศาสตร์ระหว่างดาราจักรในดาราศาสตร์ดาราจักรนอกระบบ เหตุที่กราฟความสว่างเหล่านี้สอดคล้องกันยังคงเป็นปริศนา ในปี ค.ศ. 1998 การสังเกตมหานวดาราประเภท 1เอ ที่อยู่ห่างไกลบ่งชี้ถึงผลที่ไม่คาดฝันว่าเอกภพดูเหมือนจะขยายตัวด้วยความเร่ง

จากทฤษฎีฟิสิกส์ดาวฤกษ์ที่กล่าวว่าดาวแคระขาวทุกดวงมีมวลไม่เกินขีดจำกัดจันทรสิกขาและเกิดเป็นมหานวดาราประเภท 1เอ เมื่อดาวแคระขาวมีมวลถึงขีดจำกัดจันทรสิกขา ซึ่งหมายความว่า ดาวแคระขาวก่อนเกิดมหานวดาราจะมีมวลเท่ากัน และจะได้ว่ามหานวดาราประเภทนี้จะมีความสว่างสัมบูรณ์เท่ากันด้วย จากสมบัติดังกล่าว ทำให้นักจักรวาลวิทยาสามารถใช้มหานวดาราประเภท 1เอ ในการวัดระยะห่างระหว่างดาราจักรได้

แต่ต่อมา นักวิทยาศาสตร์พบว่ามีมหานวดาราประเภท 1เอ บางดวงมีความสว่างมากผิดปกติ ซึ่งน่าจะเป็นไปได้ว่าดาวแคระขาวก่อนเกิดมหานวดารามีมวลสูงกว่าขีดจำกัดจันทรสิกขา โดยนักวิทยาศาสตร์พบมหานวดาราแบบนี้มาแล้ว 4 ดวงนับตั้งแต่ พ.ศ. 2546 และได้ให้ชื่ออย่างไม่เป็นทางการว่า "ซูเปอร์จันทรา" ริชาร์ด สเกลโซ จากมหาวิทยาลัยเยล ได้ระบุถึงมวลดาวแคระขาวที่เป็นต้นกำเนิดมหานวดารา SN 2007if ว่ามีมวล 2.1 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และยังค้นพบด้วยว่าความสว่างนั้นมาจากชั้นแก๊สที่สาดออกมาก่อนและหลังการระเบิดด้วย

มหานวดาราประเภท Ib และ Ic เป็นการระเบิดของดาวฤกษ์ที่เกิดจากการที่แกนของดาวมวลมากยุบตัวลงที่ได้สูญเสียไฮโดรเจนและฮีเลียมที่ผิวชั้นนอกของดาวฤกษ์ผ่านทางลมหรือการถ่ายโอนมวลไปให้ดาวคู่ของมัน เส้นสเปกตรัมของมหานวดาราทั้งประเภทย่อยนี้จะขาดธาตุซิลิกอนที่ความยาวคลื่น 635.5 นาโนเมตร มหานวดาราประเภท 1เอ จะให้เส้นสเปกตรัมของธาตุเหล็กเป็นส่วนใหญ่ ในขณะที่มหานวดาราประเภท Ib และ Ic จะประกอบด้วยหลายธาตุ เช่น ออกซิเจน แคลเซียม และแมกนีเซียม

ดาวฤกษ์ที่จะเกิดมหานวดาราประเภท II ได้นั้นจะเกิดการยุบตัวของแกนของดาวฤกษ์มวลอย่างน้อย 9 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ มหานวดาราประเภท II จะมีเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนที่เรียกว่า อนุกรมบาลเมอร์ ซึ่งแตกต่างจากมหานวดาราประเภท I อัตราความสว่างที่ลดลงหลังเกิดมหานวดาราเกิดขึ้นช้ากว่ามากเมื่อเทียบกับมหานวดาราประเภท 1เอ