Η εσωτερική ζωή των αστέρων νετρονίων

Η Κασσιόπη Α είναι υπόλειμμα αρχαίου υπερκαινοφανούς. Στο κέντρο του νεφελώματος υπάρχει ένας αστέρας νετρονίων, που ο πυρήνας του ίσως περιέχει «υπερρευστό»

Οταν ένα άστρο με εικοσαπλάσιο μέγεθος από τον Ηλιο πεθαίνει με εκρηκτικό τρόπο (υπερκαινοφανής), χάνοντας τα εξωτερικά του στρώματα και παραμένει μόνο ο πυρήνας του, που έχει μάζα μία έως δυόμισι φορές μεγαλύτερη του Ηλιου, τότε μετατρέπεται στο πιο παράξενο πράγμα (με εξαίρεση ίσως τις μαύρες τρύπες), που μπορεί να φανταστεί κανείς: έναν αστέρα νετρονίων, ένα σώμα με μέγεθος όχι μεγαλύτερο από εκείνο μιας πόλης (διάμετρος μερικών δεκάδων χιλιομέτρων), αλλά απίθανη πυκνότητα. Ενα κομμάτι ύλης μεγέθους μπάλας του πινγκ-πονγκ από αυτό το άστρο θα ζύγιζε περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο τόνους! Κάτω από την επιφάνεια του άστρου, υπό τη συντριπτική πίεση της βαρύτητας, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια «λιώνουν», σχηματίζοντας μια μάζα που αποτελείται κυρίως από νετρόνια, απ' όπου και το όνομα αστέρας νετρονίων. Τουλάχιστον αυτά προβλέπει η θεωρία, χωρίς το ζήτημα να έχει λυθεί οριστικά. Οι αστρονόμοι δεν έχουν δει ποτέ από κοντά ένα τέτοιο άστρο και κανένα εργαστήριο στη Γη δεν μπορεί να δημιουργήσει κάτι που έστω και να προσεγγίζει την ίδια πυκνότητα. Ετσι η εσωτερική δομή αυτών των ουράνιων σωμάτων παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του Διαστήματος.

Παράξενη ύλη

Οι αστέρες νετρονίων είναι εκείνη η σταθερή μορφή ύλης, που έχει την υψηλότερη δυνατή πυκνότητα αλλά με εσωτερική διάταξη που δεν καταλαβαίνουμε πλήρως. Πρόκειται για την ορατή μορφή ύλης με το ισχυρότερο βαρυτικό πεδίο. Αν προστεθεί σε έναν αστέρα νετρονίων μια επιπλέον ποσότητα μάζας θα μετατραπεί σε μαύρη τρύπα, μορφή ύλης με ακόμη πιο παράξενα χαρακτηριστικά, που είναι αδύνατο να παρατηρήσει κανείς με άμεσο τρόπο (κρύβεται πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων). Οι αστέρες νετρονίων δημιουργούνται από τη βαρυτική κατάρρευση του πυρήνα του άστρου προγόνου, εφόσον είναι αρκετά μεγάλος, ενώ η περαιτέρω κατάρρευσή τους εμποδίζεται από την πίεση εκφυλισμού νετρονίων. Δεν παράγουν πια θερμότητα και ψύχονται όσο περνάει ο χρόνος, ξεκινώντας από μια αρχική θερμοκρασία περίπου ενός εκατομμυρίου βαθμών Κελσίου. Παρ' όλ' αυτά δεν είναι στάσιμα, νεκρά σώματα και μπορεί να εξελιχθούν σε μαύρες τρύπες μέσω σύγκρουσης με άλλο ουράνιο σώμα, ή πρόσληψη ύλης από άλλο σώμα (π.χ. συνοδό αστέρα). Στην περίπτωση αργής πρόσληψης ύλης εκπέμπονται ακτίνες Χ από τις περιοχές πρόσπτωσης αυτής της ύλης πάνω στους αστέρες νετρονίων. Εκτιμάται ότι υπάρχουν γύρω στα 100 εκατομμύρια αστέρες νετρονίων μέσα στον Γαλαξία μας, οι περισσότεροι από τους οποίους είναι μεγάλης ηλικίας και έχουν πια κρυώσει. Οι αστέρες νετρονίων, που εκπέμπουν μόνο θερμική ακτινοβολία, είναι σχεδόν αδύνατο να παρατηρηθούν αστρονομικά.

Υπάρχουν διάφορες αλληλοαποκλειόμενες θεωρίες για το τι συμβαίνει μέσα σε έναν αστέρα νετρονίων κάτω από την ανεπαίσθητη «ατμόσφαιρα» και τον λεπτό «φλοιό», που αποτελείται από πυρήνες ατόμων σε κρυσταλλική δομή, η οποία ενσωματώνει και ορισμένα νετρόνια και ηλεκτρόνια. Μια από τις θεωρίες για το εσωτερικό τρίτο στρώμα προτείνει ότι αποτελείται από συνήθη νετρόνια, που προκύπτουν από τη συνένωση πρωτονίων και ηλεκτρονίων και ίσως και μερικά πρωτόνια εδώ κι εκεί. Αλλες θεωρίες προτείνουν πιο παράξενα ενδεχόμενα. Ισως τα νετρόνια μέσα στους αστέρες νετρονίων να «διαλύονται» στα συστατικά τους σωματίδια, τα κουάρκ και τα γκλουόνια, τα οποία στη συνέχεια «κολυμπούν» ανεμπόδιστα, δημιουργώντας μια υπερρευστή (χωρίς τριβή) θάλασσα σωματιδίων. Είναι, επίσης, δυνατό το εσωτερικό αυτών των άστρων να περιέχει μια πιο εξωτική μορφή ύλης, τα υπερόνια, παράξενα σωματίδια, που αποτελούνται όχι από τα συνήθη «πάνω» και «κάτω» κουάρκ (αυτά δηλαδή που συναντώνται στους πυρήνες των ατόμων), αλλά από τα πιο βαριά ξαδέρφια τους, τα αποκαλούμενα «παράξενα» κουάρκ.

Κυματισμοί

Χωρίς να ανοίξουμε έναν αστέρα νετρονίων στη μέση και να κοιτάξουμε στο εσωτερικό του, δεν υπάρχει εύκολος τρόπος να μάθουμε ποια από αυτές τις θεωρίες είναι η σωστή. Αλλά τελευταία οι επιστήμονες σημειώνουν πρόοδο στη διαδικασία αναζήτησης απάντησης. Μεγάλο άλμα σημειώθηκε τον Αύγουστο του 2017, όταν επίγειες πειραματικές συσκευές (LIGO και Virgo) ανίχνευσαν βαρυτικά κύματα (κυματισμούς στο χωροχρόνο που προκλήθηκαν από την επιτάχυνση σωμάτων πολύ μεγάλης μάζας) τα οποία φαίνεται να προήλθαν από τη σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων. Αυτά τα κύματα μετέφεραν πληροφορίες για τις μάζες και τα μεγέθη των δύο άστρων ακριβώς πριν από τη σύγκρουση, τις οποίες οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν για να θέσουν νέα όρια στις ιδιότητες και τις πιθανές συνθέσεις όλων των αστέρων νετρονίων.

Στοιχεία έρχονται επίσης από τον Εξερευνητή Εσωτερικής Σύνθεσης Αστέρων Νετρονίων (NICER), ένα πείραμα που άρχισε στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, τον Ιούνη του 2017. Το NICER παρακολουθεί πάλσαρ (παλλόμενοι αστέρες), που έχουν πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, δηλαδή αστέρες νετρονίων που περιστρέφονται πολύ γρήγορα γύρω από τον άξονά τους και εκπέμπουν με σταθερή συχνότητα ηλεκτρομαγνητικές ακτίνες, όπως οι περιστρεφόμενοι φάροι της ναυσιπλοΐας εκπέμπουν φως. Η μεγάλη ταχύτητα περιστροφής είναι αποτέλεσμα της διατήρησης της στροφορμής του αρχικού άστρου (φαινόμενο ανάλογο του χορευτή που περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα καθώς συσπειρώνει τα χέρια στον κορμό του). Το ισχυρότατο μαγνητικό πεδίο (δισεκατομμύρια έως και τετράκις εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από το γήινο) κατά μία θεωρία οφείλεται στη διατήρηση της μαγνητικής ροής του αρχικού άστρου, που τώρα συμπυκνώνεται σε πολύ μικρότερο όγκο.
Οταν οι μαγνητικοί πόλοι δεν συμπίπτουν με τους πόλους, με βάση τον άξονα περιστροφής, οι ακτίνες που εκπέμπονται απ' αυτούς σαρώνουν το Διάστημα. Καθώς οι ακτίνες από τα πάλσαρ περνούν από τη Γη, τα βλέπουμε να αναβοσβήνουν με ρυθμό έως και 700 φορές το δευτερόλεπτο, όσος είναι ο ρυθμός περιστροφής του καθενός. Μέσα από αυτά και άλλα πειράματα, αρχίζει να φαίνεται ως δυνατή η προοπτική κατανόησης της μορφής της ύλης που υπάρχει μέσα στους αστέρες νετρονίων. Αν οι επιστήμονες το καταφέρουν, θα έχουν βρει μια άκρη όχι μόνο για μια κατηγορία παράξενων αντικειμένων στο σύμπαν, αλλά και για τη συμπεριφορά της ύλης και της βαρύτητας σε ακραίες περιπτώσεις πυκνότητας.

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»