Αστέρας νετρονίων - ένας εξωτικός κόσμος

Γράφει η Δρ. Αθηνά Μελή

Οι αστέρεςνετρονίων είναι αστρικά σώματα μεγέθους …μιας πόλης, με μάζα περίπου 1,4 με 2 φορές εκείνη του Ήλιου. Ένας αστέρας νετρονίων είναι μία από τις τρεις μορφές των μόνιμων τελικών υπολειμμάτων (αστρικός θάνατος) της εξέλιξης ενός αστέρα (οι άλλες δύο είναι: η μαύρη τρύπα και ο λευκός νάνος).

Οι Βάλτερ Μπάαντε και Φριτς Τσβίκι, το 1933 πρότειναν για πρώτη φορά την ύπαρξη των αστέρων νετρονίων. Αυτοί οι δύο επιστήμονες έκαναν και την πρώτη άμεση παρατήρηση ενός αστέρα στο ορατό φως με το όνομα J185635 RX-375 (όχι και τόσο εύκολο όνομα να θυμηθεί κανείς…). Ήταν το 1967 που έγινε η διάσημη ανακάλυψη της πρώτης ραδιοπηγής πάλσαρ (αγγλικά:Pulsar)(περιστρεφόμενο αστέρι νετρονίων) από την Τζόσελιν Μπελ. Τα επόμενα χρόνια έγιναν περαιτέρω ανακαλύψεις παρόμοιων σωμάτων και οι (μέχρι πρότινος θεωρητικοί) αστέρες νετρονίων που ήταν και πολύ μικροί για να μπορέσουν να παρατηρηθούν, έδειξαν ότι οι θεωρητικές τους ιδιότητες αντιστοιχούσαν με τις παρατηρούμενες ιδιότητες των ραδιοπηγών πάλσαρ. Αυτό ως παρατηρησιακή επιβεβαίωση λοιπόν, λειτούργησε έτσι ώστε οι δύο έννοιες α) θεωρητικός αστέρας νετρονίων και β) παρατηρούμενη ραδιοπηγή πάλσαρ, να ταυτιστούν.

Πάντως, η σημερινή κατανόηση της δομής των αστέρων νετρονίων, θεωρείται άκρως εξωτική και στηρίζεται σε μαθηματικά πρότυπα (μοντέλα) θεωρητικής Φυσικής, γιατί είναι απολύτως αδύνατο να διεξαχθεί ανάλογο πείραμα στη Γη. Τα θεωρητικά μοντέλα ισχυρίζονται ότι: η επιφάνεια ενός αστέρα νετρονίων αποτελείται από κοινούς πυρήνες σε ένα στέρεο πλέγμα και μια “σούπα” ηλεκτρονίων που ρέουν ανάμεσα στα κενά του πλέγματος. Είναι πιθανό στην επιφάνεια οι πυρήνες να είναι πυρήνες σιδήρου. Εάν η θερμοκρασία στην επιφάνεια του αστέρα υπερβεί τους 10 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν, η επιφάνεια υγροποιείται. Η ατμόσφαιρα ενός αστέρα νετρονίων υπολογίζεται ότι είναι μόλις ένα μέτρο πάχος! Αμέσως μετά κανείς συναντά μια απίστευτα λεία κρούστα. Προχωρώντας προς το κέντρο του αστέρα, συναντάμε πυρήνες με συνεχώς αυξανόμενο αριθμό νετρονίων και φτάνουμε σε ένα σημείο όπου ονομάζεται στάγδην νετρονίων, οπού τα νετρόνια “στάζουν”, διαρρέουν δηλαδή από τους υπάρχοντες πυρήνες ως ελεύθερα νετρόνια μέσα σε μία υπέρρευστη εκφυλισμένη σούπα ύλης που αποτελείται κυρίως από ελεύθερα νετρόνια και αρκετά πρωτόνια και ηλεκτρόνια.

Πώς δημιουργούνται οι αστέρες νετρονίων;

Οι αστέρες νετρονίων (που είναι ξαδέρφια με τις μαύρες τρύπες, δείτε και άρθρο μαύρες τρύπες) δημιουργούνται όταν γιγαντιαία αστέρια πεθαίνουν σε μια έκρηξη (σουπερνόβα), οι πυρήνες τους καταρρέουν και τα πρωτόνια (θετικά) και ηλεκτρόνια (αρνητικά) που υπάρχουν στον πυρήνα τους λόγω της τεράστιας βαρύτητας που συμπιέζει την ύλη του αστέρα μετατρέπονται σε νετρόνια (ουδέτερα σωματίδια).

Να υπενθυμίσω εδώ ότι μέσα στους πυρήνες των ατόμων ο παράγοντας που προκαλεί την συμπίεση των σωματιδίων στον ίδιο χώρο είναι οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις. Από την άλλη μεριά, στον αστέρα νετρονίων, η τεράστια βαρύτητα είναι η δύναμη που ”πακετάρει” και καθιστά τα νετρόνια σταθερά (από την στιγμή που ξέρουμε ότι στις γήινες συνθήκες ένα ελεύθερο νετρόνιο είναι ασταθές και διασπάται κατά μέσο όρο σε μόλις μερικά λεπτά της ώρας, σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο).

Πιο συγκεκριμένα, όταν αστέρες με 4έως8ηλιακές μάζες (μια ηλιακή μάζα είναι η μονάδα μέτρησης, ίση με 2 επτάκις εκατομμύρια τόνους) “πεθαίνουν”κατά την έκρηξη ενόςσουπερνόβα, τα εξωτερικά τους στρώματα εκτοξεύονται στο διάστημα σε με υπέρλαμπρη, φαντασμαγορική έκρηξη, αφήνοντας πίσω τους ένα μικρό πολύ πυκνό πυρήνα. Ο πυρήνας αυτός στη συνέχεια συνεχίζει να καταρρέει λόγω της ισχυρής βαρύτητας, δηλαδή, η τεράστια βαρύτητα πιέζει το ίδιο το υπέρπυκνο υλικό του πυρήνα που την προκαλεί, με τόση πίεση ώστε τα υπάρχοντα πρωτόνια και ηλεκτρόνια να ενώνονται για να δημιουργήσουν νετρόνια, εξού και τοόνοματου αστέρα αυτού ως:“αστέρας νετρονίων”. Επιπλέον, η τεράστια έκρηξη του σουπερνόβα δίνει μια τέτοια ισχυρή ώθηση προκαλώντας τον πυρήνα που απέμεινε -και που θα γίνει αστέρας νετρονίων- να περιστρέφεται με εκπληκτικές ταχύτητες. Μιας και είναι πάρα πολύ μικρό αστέρι, η γωνιακή του ταχύτητα είναι εξαιρετικά υψηλή γιατί διατηρείται όλη σχεδόν η στροφορμή του μετά την έκρηξη, με βάση της Αρχής Διατήρησης της στροφορμής, και έτσι, πολλές φορές αστέρες τέτοιοι φτάνουν να περιστρέφονται μέχρι και 43.000 στροφές το λεπτό γύρω από τον άξονα τους (επιβραδυνόμενες όμως σταδιακά με την πάροδο του χρόνου).

Ιδιότητες των αστέρων νετρονίων

Υπάρχουν χιλιάδες αστέρες νετρονίων και κατά γενική παραδοχή συγκεντρώνουν τη μάζα τους μέσα σε μια διάμετρο περίπου 10-20 χιλιομέτρων, λόγω της βαρυτικής κατάρρευσης του πυρήνα τους. Είναι τόσο πυκνοί ώστε ένα και μόνο κουταλάκι του γλυκού από το υλικό τους, ζυγίζει ένα δισεκατομμύριο τόνους! Κατά μέσο όρο η βαρύτητα σε ένα αστέρι νετρονίων είναι 2 δισεκατομμύριαφορές ισχυρότερη από τη βαρύτητα στη Γη. Στην πραγματικότητα, είναι αρκετά ισχυρή ώστε να κάμψει σημαντικά την ακτινοβολία από το αστέρι μέσω μιας διαδικασίας που λειτουργεί ως φακός, γνωστή με το όνομα “βαρυτικόςφακός” επιτρέποντας στους αστρονόμους να δουν μέχρι ακόμα και την πίσω πλευρά του αστέρα (λόγω της καμπύλωσης του φωτός μέσω αυτής της διαδικασίας).

Ορισμένοι αστέρες νετρονίων - οι οποίοι όπως είπαμε περιστρέφονται με ασύλληπτες ταχύτητες- σχηματίζουν πίδακες από υλικόπου ρέει προς ταέξω σχεδόνμετην ταχύτητα του φωτός. Καθώς μερικοί από τους πίδακες αυτούς προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση της γης, οι αστέρες που ταυτόχρονα περιστρέφονται ιλιγγιωδώς, φαίνονται σε εμάς που τους παρατηρούμε σαν να “αναβοσβήνουν”, όπως το φως ενός φάρου. Οι Pulsars αυτοί, όπως αναφερθήκαμε και παραπάνω, περιστρέφονται μεταξύ 0,1 και 60 φορές ανά δευτερόλεπτο, ενώ άλλοι μπορούν να φτάσουν μέχρι και στον εξωφρενικό αριθμό των 700 περιστροφών ανά δευτερόλεπτο!

Φανταστείτε δηλαδή μια σφαίρα στο μέγεθος μια μικρής πόλης να περιστρέφεται εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο γύρω από τον εαυτό της! ...Κάτι εξωτικό έως αφάνταστο, έτσι δεν είναι;

Οι περιστρεφόμενοι αυτοί αστέρες νετρονίων (pulsars) εκπέμπουν ραδιοκύματα, στο οπτικό φάσμα, ακτίνες-Χ καθώς και ακτινοβολία γάμμα, ανάλογα με το υλικό που ρέει από τους μαγνητικούς πόλους του ή την αλληλεπίδραση με το ισχυρότατο μαγνητικό πεδίο του αστέρα ή σε αλληλεπίδραση με τον σύντροφο αστέρα, όταν είναι δυαδικό σύστημα.

Η συχνότητα της εκπομπής των pulsars είναι τόσο προβλέψιμη (σαν κοσμικά ρολόγια ακριβείας) ώστε οι ερευνητές σκέφτονται να τα χρησιμοποιήσουν για την διαστημική ναυσιπλοΐα στο μέλλον, χρησιμοποιώντας τα με τον ίδιο τρόπο που χρησιμοποιούμε τα ατομικά ρολόγια σε ένα σύστημα πλοήγησης GPS.

An artist's rendering of an outburst on an ultra-magnetic neutron star, also called a magnetar is shown in this handout provided by NASA February 10, 2016.

Ένα μέσο αστέρι νετρονίων διαθέτει ισχυρότατομαγνητικό πεδίο. Για να φανταστείτε, το μαγνητικό πεδίο της Γης στην επιφάνειά της είναι περίπου 0,6 gauss, ο Ήλιος έχει κατά μέσο όρο το διπλάσιο από τη Γη, αλλά ένα αστέρι νετρονίων έχει μαγνητικό πεδίο τρισεκατομμυρίων gauss. Αστέρες (νετρονίων) βέβαια όπως οι λεγόμενοι magnetars (ελληνικά: μάγναστρα), έχουν ακόμα μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο από τους pulsars (εκατό εως μερικές χιλιάδες φορές ισχυρότερο), το οποίο τους καθιστά ως το αστρικό σώμα με το ποιο ισχυρό μαγνητικό πεδίο που γνωρίζουμε.

Τώρα, αν υποθετικά βρεθεί κάποιος κοντά σχετικά σε ένα αστέρι νετρονίων (ας πούμε στα 1000 χιλιόμετρα) το μαγνητικό πεδίο που θα ασκηθεί στον παρατηρητή, θα είναι τόσο ισχυρό που θα διαλύσει το σώμα του, γιατί θα επιδράσει στη μοριακή του δομή!

Όταν τα αστέρια ενώνονται

Όπως και τα κοινά αστέρια, έτσι και οι αστέρεςνετρονίων μπορούν να περιστρέφονται ο ένας γύρω από τον άλλο, σε δυαδικά συστήματα (ένα 5% των αστέρων νετρόνιων ανήκουν σε δυαδικά συστήματα). Αν είναι αρκετά κοντά, μπορούν να συγκρουστούν και αυτό να δημιουργήσει ένα εκρηκτικό φαινόμενο γνωστό ως Κilonova.

Μια τέτοια σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων προκάλεσε κύματα που ”ακούστηκαν” το 2017, όταν ερευνητές ανακοίνωσαν ότιανίχνευσανβαρυτικά κύματα, καθώς και φως, που προέρχονταν από αυτό το κοσμικό γεγονός της σύγκρουσης.

Η ανακάλυψη των βαρυτικών αυτών κυμάτων, λόγω της σύγκρουσης δύο αστέρων νετρονίων, παρείχε επίσης και τα πρώτα αδιάσειστα στοιχεία ότι οι συγκρούσεις τέτοιων αστέρων είναι το “εργαστάσιο” παραγωγής μεγάλου μέρους του χρυσού,τηςπλατίνας και άλλων βαριών στοιχείωντουΣύμπαντος, γιατί για πολλά χρόνια η ύπαρξη αυτών των στοιχείων ήταν μια σπαζοκεφαλιά για τους επιστήμονες. Τώρα έχουμε τις πρώτες παρατηρησιακές αποδείξεις για τέτοιες συγχωνεύσεις/συγκρούσεις αστέρων νετρονίων ως πηγές παραγωγής στοιχείων βαρύτερων από τον σίδηρο, όπως ο χρυσός και η πλατίνα.

Βέβαια ό,τι συμβαίνει κατά και μετά την σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων παραμένει ακόμα ένα μυστήριο. Παρόλα αυτά οι επιστήμονες συνεχίζουν να παρατηρούν παρόμοια φαινόμενα, η εξονυχιστική μελέτη των οποίων θα αποκαλύψει περισσότερα για τους εξωτικούς αστέρες νετρονίων, τη δομή της ύλης αλλά και τα βαρυτικά κύματα.

(Πρώτη δημοσίευση: chronographimata.gr)

Πηγές για περαιτέρω ενημέρωση: