Οι Αστέρες νετρονίων και Πάλσαρς

Οι Αστέρες νετρονίων και Πάλσαρς

του Κωνσταντίνου Αθ. Οικονόμου, δασκάλου –συγγραφέα

Ένας αστέρας νετρονίων είναι μία από τις τρεις μορφές των τελικών υπολειμμάτων της εξέλιξης ενός αστέρα. Είναι, θα λέγαμε, είδος «αστρικού πτώματος» (τα άλλα δύο είναι ο λευκός νάνος και η μαύρη τρύπα). Ο αστέρας νετρονίων σχηματίζεται από τη βαρυτική κατάρρευση ενός αστέρα μεγάλης μάζας μετά από έκρηξη υπερκαινοφανούς. Οι αστέρες νετρονίων είναι πολύ μικροί για ουράνια ανίχνευση, αλλά βρέθηκε ότι οι θεωρητικές τους ιδιότητες αντιστοιχούν με τις παρατηρούμενες ιδιότητες των ραδιοπηγών πάλσαρ, που ανακάλυψαν οι [ραδιο]αστρονόμοι το 1967, και έκτοτε ταυτίσθηκαν με αυτές. Ο μέσος αστέρας νετρονίων έχει μεν μάζα ίση με 1,5-2 ηλιακές μάζες, αλλά η ακτίνα του κυμαίνεται από μόλις 10 ως 20 χλμ! Επομένως ο όγκος του είναι τρισεκατομμύρια φορές μικρότερος του ηλιακού [έτσι η πυκνότητα της ύλης του διαμορφώνεται από 80.000.000.000.000 (80 τρις) έως 2.000.000.000.000.000 (δύο τετράκις εκατομ.) γραμμάρια/κ.ε.!. Αλλιώς, το περιεχόμενο ενός κουταλιού του γλυκού από υλικό τέτοιων αστέρων θα ζύγιζε τουλάχιστον 80 εκατομ. τόνους!]. 

Τέτοιες όμως τάξεις μεγεθών της πυκνότητας συναντώνται μέσα στους πυρήνες των ατόμων. Όμως, αυτό πραγματικά συμβαίνει στο εσωτερικό του αστέρα νετρονίων. Πρωτόνια και νετρόνια βρίσκονται σε επαφή, ενώ όλο το ουράνιο σώμα μπορεί να θεωρηθεί ένας τεράστιος ατομικός πυρήνας και τα περισσότερα ηλεκτρόνια ενώνονται με τα πρωτόνια, αλληλοεξουδετερωνόμενα, και μετατρέπονται σε νετρόνια, από όπου και το όνομα «αστέρας νετρονίων». Καθώς οι κεντρικές περιοχές ενός αστέρα μεγάλης μάζας συμπιέζονται σε μία έκρηξη υπερκαινοφανούς, και καταρρέουν βαρυτικά σε αστέρα νετρονίων, διατηρούν όλη σχεδόν τη στροφορμή τους με βάση την Αρχή Διατηρήσεως της Στροφορμής. Επειδή η τελική διάμετρος είναι πάρα πολύ μικρή, η ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται ο αστέρας νετρονίων είναι εξαιρετικά υψηλή, φθάνοντας τις δεκάδες περιστροφές/sec. Ιλιγγιώδης, όμως, είναι και η ένταση του βαρυτικού πεδίου στην επιφάνειά του, 200 δισεκατομμύρια ως 3 τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερη από αυτή στη γήινη επιφάνεια! Εξαιτίας αυτής της βαρύτητας η ταχύτητα διαφυγής φτάνει στο μισό περίπου της ταχύτητας του φωτός. Τέλος, επειδή και το μαγνητικό πεδίο «παγώνει» μέσα στην καταρρέουσα ιονισμένη ύλη, η μαγνητική επαγωγή του στην επιφάνεια φθάνει τα 100 εκατομμύρια Τέσλα, περίπου 5 τρισεκατομμύρια φορές αυτή του γήινου μαγνητικού πεδίου!

 Η ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ: Η κατανόηση της δομής των αστέρων νετρονίων στηρίζεται σε μαθηματικά πρότυπα Θεωρητικής Φυσικής, αφού είναι αδύνατο να διεξαχθεί ανάλογο πείραμα πάνω στη Γη. Η ύλη στην επιφάνεια του αστέρα πρέπει να αποτελείται από συνηθισμένους πυρήνες και ηλεκτρόνια διάφορων στοιχείων. Η “περίπου” ατμόσφαιρα έχει πάχος ενός μέτρου(!) και εφάπτεται σε ένα στερεό «φλοιό». Προς το εσωτερικό, θα υπάρχουν πυρήνες με μεγάλους αριθμούς νετρονίων και πέρα από κάποιο σημείο και ελεύθερα νετρόνια. Τα νετρόνια, όπως και τα πρωτόνια με τα ηλεκτρόνια εμποδίζονται να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση στον ίδιο χώρο [η λεγόμενη Απαγορευτική Αρχή], πράγμα που ανεβάζει πολύ την κινητική τους ενέργεια και επομένως και την πίεση. Μέσα στους πυρήνες των ατόμων ο παράγοντας που προκαλεί τη συμπίεση στον ίδιο χώρο είναι η ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση, ενώ στον αστέρα νετρονίων είναι η βαρύτητα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα νετρόνια καθίστανται σταθερά. Στο εσωτερικό του αστέρα νετρονίων ωστόσο, οι ενέργειες είναι ακόμα υψηλότερες, εξαιτίας της βαρυτικής συμπίεσης. Για το λόγο αυτό, τα νετρόνια «διαρρέουν» έξω από τους ατομικούς πυρήνες κυκλοφορώντας ελεύθερα και τότε τα πρωτόνια καθίστανται ασταθή: ενώνονται με τα ηλεκτρόνια που συνωθούνται γύρω τους και δημιουργούν νετρόνια. Η ακριβής φύση της υπέρπυκνης ύλης στην κεντρική περιοχή δεν είναι ακόμα γνωστή. Ίσως, το κέντρο ενός αστέρα νετρονίων θα μπορούσε να περιέχει ένα υπερρευστό μίγμα νετρονίων με λίγα πρωτόνια και ηλεκτρόνια, ή ίσως περιλαμβάνει επίσης άλλα στοιχειώδη σωματίδια υψηλής ενέργειας [όπως πιόνια, καόνια ή ύλη κουάρκ]. Μέχρι τώρα οι παρατηρήσεις δεν δίνουν ενδείξεις, αλλά ούτε και αντενδείξεις για αυτές τις πιθανότητες. Επειδή οι αστέρες νετρονίων είναι πολύ μικροί, μόλις που μπορούν να ανιχνευθούν οι κοντινότεροι, και αυτοί μόνο στις ακτίνες Χ, από διαστημικές αποστολές [όπως ο ROSAT]. Αυτό όμως δεν μας διαφωτίζει σχετικώς με τη θερμοκρασία τους, επειδή η λεπτή ατμόσφαιρά τους μπορεί να είναι εξαιρετικά αδιαφανής σε τόσο ισχυρά μαγνητικά πεδία. Επομένως οι ανιχνευτές των ακτίνων Χ δεν «βλέπουν» την επιφάνεια αλλά την ατμόσφαιρα, και συνεπώς αγνοούν τη θερμοκρασία επιφανείας.

 ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ: Το 1932 ανακαλύφθηκε το νετρόνιο ως στοιχειώδες σωμάτιο [Τζ. Τσάντγουικ]. Το επόμενο έτος προτάθηκε η ύπαρξη των αστέρων νετρονίων [Μπάαντε-Τσβίκυ]. Αναζητώντας μια εξήγηση για τις εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων προτάθηκε ότι ένα τέτοιο σώμα σχηματίζεται διότι η απελευθέρωση της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας επαρκεί για να τροφοδοτήσει με ενέργεια μια τέτοια μεγαλειώδη έκρηξη. Πράγματι, αν τα εσωτερικά στρώματα αστέρα μεγάλης μάζας πριν τη βαρυτική κατάρρευση περιέχουν 3 ηλιακές μάζες, τότε μπορεί να δημιουργηθεί αστέρας νετρονίων μάζας 2 ηλιακών μαζών. Η υπόλοιπη μάζα αντιστοιχεί στη βαρυτική ενέργεια με βάση την περίφημη σχέση E=mc² και «ξοδεύτηκε» ως ενέργεια της εκρήξεως. Το 1967 η φοιτήτρια Τζ. Μπέλ ανακάλυψε το πρώτο πάλσαρ1 και εκτότε χρειάσθηκαν λίγα μόνο χρόνια ώσπου να ταυτιστεί αυτό ως ταχέως περιστρεφόμενος, αστέρας νετρονίων. Η πηγή της ενέργειας των παλμών ραδιοκυμάτων ενός πάλσαρ είναι, τις περισσότερες φορές, η κινητική ενέργεια περιστροφής του αστέρα νετρονίων. Το 1971 ομάδα αστρονόμων ανακάλυψε παρόμοιας συχνότητας παλμούς (ένας ανά 4,8 δευτερόλεπτα) σε πηγή ακτίνων X στον αστερισμό Κενταύρου [Cen X-3]. Την ερμήνευσαν ως προερχόμενη από υπέρθερμο αστέρα νετρονίων. Η πηγή της ενέργειας σ' αυτόν είναι βαρυτική, αποτέλεσμα της πρόσπτωσης νέας ύλης πάνω στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων από έναν κοντινό αστέρα ή το διαστρικό χώρο.

 ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗ: Οι αστέρες νετρονίων περιστρέφονται ταχύτατα μετά τη δημιουργία τους εξαιτίας της Αρχής Διατηρήσεως της Στροφορμής. Ο μέσος νεογέννητος αστέρας νετρονίων περιστρέφεται πάνω από 10 φορές το δευτερόλεπτο! Καθώς οι αιώνες περνούν, επιβραδύνεται η κίνησή του και η περιστροφική ενέργεια μετατρέπεται σε ραδιοκύματα με τη μεσολάβηση του μαγνητικού πεδίου, με μηχανισμό ακόμη άγνωστο. Αν όμως ο αστέρας ανήκει σε διπλό αστρικό σύστημα και δέχεται ύλη που αποσπά από το συνοδό αστέρα, μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την περιστροφή του, καθώς η νέα ύλη σχηματίζει γύρω του ένα ταχύτατα περιστρεφόμενο δίσκο προσαύξησης. Δημιουργούνται έτσι οι λεγόμενοι "millisecond pulsars" με εκατοντάδες στροφές/sec. Ο ταχύτερα περιστρεφόμενος γνωστός αστέρας νετρονίων είναι, εν έτει 2013, ο [XTE J1739-285], με 1122 στροφές/sec. [Ο πρώτος εντοπίστηκε το 1982 με τη βοήθεια του γιγάντιου ραδιοτηλεσκοπίου του Αrecibο στο Πουέρτο Ρίκο και φέρει την ονομασία ΡSR 1937+21. Αυτός εκτελεί μία πλήρη περιστροφή γύρω από τον άξονά του μόλις σε 1,557 χιλιοστά του δευτερολέπτου(!), ενώ το πλέον εντυπωσιακό γεγονός είναι η μη επιβράδυνση της κίνησής του με την πάροδο του χρόνου]. Οι αστέρες νετρονίων ξεπερνούν σε ακρίβεια και τα τελειότερα ρολόγια. Παρότι η γενική τάση είναι η επιβράδυνση της περιστροφής, σε ορισμένες περιπτώσεις σημειώνεται μια σχεδόν στιγμιαία και απροσδόκητη επιτάχυνση. Αυτά τα επιταχυντικά γεγονότα ονομάζονται "glitches" (λέξη που σημαίνει «κολλήματα» ή «κλοτσήματα») και το καθένα μπορεί να μεταβάλει ανεπαίσθητα την περίοδο του αστέρα. Λίγες ημέρες αργότερα, ο αστέρας επαναλαμβάνει την κανονική του επιβράδυνση. Μία εξήγηση για τα glitches είναι ότι για κάποιο λόγο το υπερρευστό εσωτερικό και ο φλοιός υφίστανται μία σύζευξη και, καθώς το εσωτερικό περιστρεφόταν με σταθερή ταχύτητα κατά το προηγούμενο χρονικό διάστημα, ενώ ο φλοιός επιβραδυνόταν από το μαγνητικό πεδίο, αυτή η σύζευξη επιταχύνει τον φλοιό και άρα την παρατηρήσιμη περίοδο.

 ……………………………………………….

 1. Από τη λέξη pulse=παλμός, προέρχεται και η ονομασία τους: pulsar=PULSating stAR=παλλόμενος αστέρας, ενώ καταγράφονται με το σύμβολο PSR ακολουθούμενο με την ορθή αναφορά τους εκφρασμένη σε χρόνο δευτερολέπτων. H κανονικότητα της εκπομπής ακτινοβολίας από τα άστρα αυτά, οδήγησε αρχικά στην εξέταση του ενδεχόμενου να πρόκειται για προσπάθειες εξωγήινων να επικοινωνήσουν με άλλους πολιτισμούς [αιώνιο “όνειρο” μερίδας αστρονόμων].

 ………………………………………..

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: Το αντίστοιχο λήμμα της αγγλόγλωσσης Wikipedia.

 Βασιλείου Ν. Μανιμάνη, «Τι συμβαίνει στο εσωτερικό ενός άστρου νετρονίων;», Περισκόπιο της Επιστήμης, τεύχος 310, Δεκέμβριος 2006.