Διονύσης Σιμόπουλος, επίτιμος διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου
Ο Διονύσης Σιμόπουλος εξηγεί τη φυσική και την ιστορία των ταχύτατα περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων.
Στις 5 Σεπτεμβρίου 2017, μία διεθνής ομάδα ερευνητών δημοσίευσε στο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal Letters τα αποτελέσματα των ερευνών που έκαναν με την βοήθεια του συμπλέγματος ραδιοτηλεσκοπίων LOFAR στην Ολλανδία (το οποίο αποτελείται από 20.000 μικρές κεραίες).
Σύμφωνα με την δημοσίευση η ομάδα αυτή ανακάλυψε ένα άστρο νετρονίων [PSR J0952-0607] το οποίο περιστρέφεται 707 φορές το δευτερόλεπτο (42.420 στροφές το λεπτό). Πρόκειται για το δεύτερο ταχύτερο πάλσαρ που έχει εντοπιστεί μέχρι τώρα και βρίσκεται σε απόσταση 3.200-5.700 ετών φωτός προς την κατεύθυνση του αστερισμού του Εξάντα στο νότιο ουράνιο ημισφαίριο.
Το άστρο αυτό περιλαμβάνει υλικά λίγο πάνω από 1,4 ηλιακές μάζες και περιφέρεται μια φορά κάθε 6,42 ώρες γύρω από ένα άστρο με μάζα 20 φορές μεγαλύτερη της μάζας του πλανήτη Δία.
Λόγω της μικρής απόστασης που χωρίζουν τα δύο αυτά μικροσκοπικά άστρα, το πάλσαρ με την τεράστια βαρυτική του έλξη αποσπά υλικά από τον «σύντροφό» του κι έτσι σιγά-σιγά η ταχύτητα περιστροφής του έχει αυξηθεί στα τωρινά επίπεδα.
Λόγω της ομοιότητάς τους μάλιστα με την γνωστή αράχνη που «καταβροχθίζει» τον σύντροφό της, αυτού του είδους τα πάλσαρ είναι γνωστά με την επωνυμία «μαύρη χήρα». Ένα δεύτερο πάλσαρ που ανακαλύφτηκε στη διάρκεια της ίδιας έρευνας [PSR J1552+5437] περιστρέφεται κι αυτό με μεγάλη ταχύτητα η οποία όμως περιορίζεται στις 412 στροφές το δευτερόλεπτο.
Το ταχύτερο πάλσαρ [PSR J1748-2446ad] που έχει εντοπιστεί μέχρι τώρα ανακαλύφτηκε το 2005 και περιστρέφεται 716 φορές το δευτερόλεπτο (42.960 στροφές το λεπτό). Το πρώτο ταχύτατα περιστρεφόμενο πάλσαρ [PSR B1937+21] με ρυθμό 641 φορές το δευτερόλεπτο ανακαλύφτηκε το 1982, ενώ έκτοτε έχουν ανακαλυφτεί 200 περίπου τέτοια πάλσαρ (millisecond pulsars).
Υπολογίζεται μάλιστα (θεωρητικά τουλάχιστον) ότι η ανώτατη ταχύτητα περιστροφής ενός πάλσαρ δεν μπορεί να υπερβεί τις 1.500 στροφές το δευτερόλεπτο, αν και στην ουσία δεν θα μπορούσαν να υπερβούν τις 1.000 στροφές λόγω της χαμένης ενέργειάς τους από την εκπομπή βαρυτικών κυμάτων.
Θα αναρωτιέστε, όμως: «τι στο καλό είναι όλα αυτά τα πάλσαρ;» Είναι άστρα, αλλά περιστρέφονται σαν σβούρες δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Σε κάθε περιστροφή τους από τους μαγνητικούς πόλους τους εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες ακτινοβολιών σαν απόκοσμοι φάροι του Διαστήματος.
Ένα τέτοιο άστρο είναι πραγματικά κάτι το αδιανόητο. Η πυκνότητά του είναι τόσο μεγάλη ώστε αν ένα κομμάτι του με μέγεθος ενός κόκκου άμμου έπεφτε πάνω στη Γη μας θα την διαπερνούσε τελείως από την μιαν άκρη στην άλλη, με την ίδια ευκολία που μια υπερθερμασμένη καυτή σιδερόβεργα διαπερνάει ένα λεπτό διαφανές φύλλο νάιλον.
Επί πλέον, αν ρίχναμε έναν απλό σπόρο σταριού πάνω σ’ ένα τέτοιο άστρο θα δημιουργούσε τόση ενέργεια όση και η ατομική βόμβα που έπεσε στη Χιροσίμα. Για να μπορέσουμε μάλιστα να πούμε ότι πλησιάσαμε κάπως την φανταστική πυκνότητα ενός τέτοιου άστρου τότε ολόκληρος ο σημερινός πληθυσμός του πλανήτη μας, έξη δηλαδή δισεκατομμύρια άνθρωποι, θά πρεπε να συμπιέζονταν στο μέγεθος μιας σταγόνας νερού. Κι όμως αυτού του είδους τα άστρα υπάρχουν αν και ανακαλύφτηκαν μόλις πρόσφατα πριν από μερικές μόλις δεκαετίες.
Τον Αύγουστο του 1967 Άγγλοι ραδιοαστρονόμοι (ο καθηγητής Α. Hewish, Νόμπελ Φυσικής 1974, και η ερευνήτρια Jocelyn S. Bell) παρατήρησαν στον ουρανό, στο μέσο σχεδόν της αποστάσεως ανάμεσα στα άστρα Βέγα στον αστερισμό της Λύρας και Αλτάιρ στον αστερισμό του Αετού, μερικούς παράξενους ραδιοπαλμούς.
Τα «Πράσινα Ανθρωπάκια»
Οι παλμοί αυτοί ήσαν τόσο απόλυτα σταθεροί ώστε στην αρχή θεωρήθηκαν ότι ήσαν τα σήματα κάποιου τεχνολογικά προηγμένου διαστημικού πολιτισμού και τους έδωσαν μάλιστα τον χαρακτηρισμό LGM (Little Green Men=Πράσινα Ανθρωπάκια).
Αργότερα όμως ανακαλύφτηκαν παρόμοια σήματα και σε άλλα σημεία τ’ ουρανού, ονομάστηκαν παλλόμενες ραδιοπηγές και έγιναν γνωστές με τη διεθνή συγκεκομμένη ονομασία τους: Πάλσαρ.
Κι όμως, η ύπαρξη των παράξενων αυτών άστρων είχε προβλεφτεί θεωρητικά από την δεκαετία ακόμη του 1930.
Σύμφωνα με τις απόψεις εκείνες, η απότομη και υπερβολικά γρήγορη βαρυτική κατάρρευση των υλικών της καρδιάς ενός γιγάντιου άστρου πρέπει να έχει σαν αποτέλεσμα την τρομαχτική συμπίεση του αστρικού κέντρου στην πυκνότητα ενός ατομικού πυρήνα. Συγχρόνως η έκρηξη και η αποβολή των εξωτερικών στρωμάτων του άστρου πρέπει να θεωρείται ένα παράλληλο και αναπόφευκτο φαινόμενο της όλης διαδικασίας της κατάρρευσης του αστρικού πυρήνα.
Μια τέτοια έκρηξη συμπιέζει τον πυρήνα του άστρου σε τέτοιο βαθμό ώστε η ύλη από την οποία αποτελείται να είναι τόσο πυκνά «πακεταρισμένη» ώστε το άστρο αυτό να μοιάζει μ’ έναν τεράστιο ατομικό πυρήνα. Και πράγματι, όταν στο τέλος της ζωής του τα υλικά που έχουν απομείνει σ’ ένα άστρο υπερβαίνουν το όριο Chandrasekhar, είναι δηλαδή πάνω από 1,4 αλλά κάτω από 3 ηλιακές μάζες, τότε το άστρο αυτό δεν πεθαίνει ως άσπρος νάνος, αλλά αντίθετα η συμπίεση των υλικών του συνεχίζεται πέρα από την πυκνότητα των άσπρων νάνων.
Κάτω από την τεράστια αυτή συμπίεση τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια των χημικών στοιχείων του άστρου συγχωνεύονται με τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια του πυρήνα με αποτέλεσμα την δημιουργία νετρονίων και νετρίνων. Και ενώ τα νετρίνα δραπετεύουν άμεσα από το άστρο, μεταφέροντας μάλιστα και αρκετή από την ενέργειά του, τα νεοσχηματισμένα νετρόνια παραμένουν εκεί και ενώνονται με τα ήδη υπάρχοντα νετρόνια των ατομικών πυρήνων.
Όλα αυτά τα νετρόνια όμως είναι τόσο σφιχτά συμπιεσμένα ώστε να ακουμπάνε σχεδόν το ένα με το άλλο. Αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης είναι η δημιουργία μιάς σφαίρας μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων.
Ποιος ήταν άραγε ο “μηχανισμός” εκείνος που επέτρεπε στα πάλσαρ να εκπέμπουν τις ραδιοακτινοβολίες τους με ρυθμό δεκάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο, και με τόση απόλυτη σταθερότητα; Την λύση έδωσε ο αστρονόμος Thomas Gold, του Πανεπιστημίου Κορνέλ, ο οποίος ταύτισε τα πάλσαρ με τα άστρα νετρονίων των θεωριών που είχαν διατυπώσει την δεκαετία του 1930 οι Robert Oppenheimer και Lev Landau.
Σύμφωνα με την άποψη του Gold η συμπίεση των υλικών του άστρου το κάνει να μικραίνει όλο και πιο πολύ. Αλλά όσο μικραίνει το άστρο τόσο μεγαλώνει ο ρυθμός της περιστροφής του σύμφωνα με τις απαιτήσεις του νόμου της διατήρησης της στροφορμής. Συμβαίνει δηλαδή ακριβώς το ίδιο που κάνει μια μπαλαρίνα, η οποία όταν μαζεύει τα απλωμένα χέρια της πλησιέστερα στο σώμα της, περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα.
Η συμπίεση όμως ενός άστρου κατά 70.000 φορές, στο μέγεθος ενός άστρου νετρονίων έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του μαγνητικού του πεδίου κατά 5 δισεκατομμύρια φορές. Έτσι τα ηλεκτρόνια που ξεφεύγουν από την επιφάνεια του άστρου λόγω της γρήγορης περιστροφής του, φυλακίζονται από το ισχυρότατο αυτό μαγνητικό πεδίο. Καθώς όμως το άστρο περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα μεγάλες ποσότητες από τα αιχμαλωτισμένα ηλεκτρόνια κατορθώνουν να διαφύγουν δραπετεύοντας από τους μαγνητικούς πόλους του άστρου.
Επειδή συνήθως οι μαγνητικοί πόλοι δεν συμπίπτουν με τους πόλους της περιστροφής ενός άστρου, η διασπορά των ηλεκτρονίων στο διάστημα εντοπίζεται μόνο με κάθε εμφάνιση των δύο μαγνητικών του πόλων. Τα διαφεύγοντα ηλεκτρόνια, λόγω της ύπαρξης του μαγνητικού πεδίου, χάνουν ενέργεια με την μορφή μικροκυμάτων, και επειδή τα μικροκύματα δεν επηρεάζονται από μαγνητικά πεδία κατορθώνουν να διασκορπιστούν σαν πίδακες ακτινοβολίας στο διάστημα.
Κάθε άστρο νετρονίων λοιπόν εκπέμπει μ’ αυτό τον τρόπο πίδακες ραδιοκυμάτων από τους μαγνητικούς του πόλους. Αλλά ένα μόνο πάλσαρ στα εκατό είναι τοποθετημένο “σωστά” σε σχέση με τη Γη, ώστε η περιστροφή των μαγνητικών του πόλων να στέλνει στη Γη μας παρατηρήσιμες ραδιοεκπομπές. Έτσι από τα 200.000 πάλσαρ που υπολογίζεται ότι υπάρχουν στον Γαλαξία μας έχουν ήδη εντοπιστεί πάνω από 1.000 εκ των οποίων τα 200 είναι ταχύτατα περιστρεφόμενα πάλσαρ (millisecond pulsars).
Επτά χρόνια μετά την ανακάλυψη των πάλσαρ και την ίδια χρονιά που ο Άντονυ Χιούις έπαιρνε το Βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη των πάλσαρ, δύο άλλοι ερευνητές, ο Τζόσεφ Τέυλορ, καθηγητής τότε στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Ράσελ Χάλσυ, ανακάλυψαν ένα ζευγάρι άστρων νετρονίων το οποίο περιφέρονταν το ένα γύρω από το άλλο.
Στις μελέτες που έκαναν οι δύο ερευνητές παρατήρησαν ότι η περίοδος της τροχιάς τους μειώνονταν γεγονός που πρέπει να οφείλονταν στην εκπομπή βαρυτικών κυμάτων. Αν και οι μεταβολές αυτές ήταν ελάχιστες, εντούτοις αντιστοιχούσαν με μεγάλη ακρίβεια στις τιμές που προβλέπει η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας.
Για την ανακάλυψή τους αυτή οι δύο ερευνητές βραβεύτηκαν με το Νόμπελ Φυσικής του 1993, αφού θεωρήθηκε ότι ο εντοπισμός του διπλού αυτού πάλσαρ πρόσθετε ένα φυσικό εργαστήριο για την μελέτη της βαρύτητας, μιας από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, και των βαρυτικών κυμάτων που σύμφωνα με την θεωρία θα έπρεπε να εκπέμπονται.
Σήμερα φυσικά η έμμεση εκείνη ένδειξη έγινε άμεση με δύο παρατηρήσεις που έγιναν η πρώτη στις 14 Σεπτεμβρίου και η δεύτερη στις 26 Δεκεμβρίου του 2015 όταν δύο Μαύρες Τρύπες συγκρούστηκαν εκπέμποντας τεράστιες ποσότητες βαρυτικών κυμάτων.
Στην πρώτη περίπτωση είχαμε την σύγκρουση δύο Μαύρων Τρυπών, η μία με μάζα 36 ηλιακών μαζών και η άλλη με 29 ηλιακές μάζες, κατά την οποία τρεις ηλιακές μάζες μετετράπησαν σε ενέργεια βαρυτικών κυμάτων η οποία ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία θα ήταν αντίστοιχη με την ενέργεια που εκπέμπουν 50 φορές όλα τα άστρα του Σύμπαντος!
Στην δεύτερη περίπτωση είχαμε την σύγκρουση, δύο μικρότερων μαύρων τρυπών (14 και 8 ηλιακών μαζών) ενώ τα υλικά μιας ολόκληρης ηλιακής μάζας είχαν μετατραπεί, σε κλάσμα του δευτερολέπτου, σε βαρυτική ενέργεια η οποία έφτασε στη Γη με την μορφή κυματισμών στο χωροχρονικό συνεχές του Σύμπαντος και η οποία αντιστοιχεί με την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας ίσης μ’ αυτήν που εκπέμπουν ένα τρισεκατομμύριο γαλαξίες σαν τον δικό μας.
Η πιθανότητα κάποιου λάθους στις παρατηρήσεις αυτές είναι μία στο εκατομμύριο, που στην ουσία αποτελεί βεβαιότητα, αν και ο Αϊνστάιν θεωρούσε την ανακάλυψη τέτοιων βαρυτικών κυμάτων μάλλον αδύνατη αφού η βαρυτική δύναμη (αλληλεπίδραση) είναι 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια φορές μικρότερης έντασης από την Ηλεκτρομαγνητική δύναμη (αλληλεπίδραση).
Ορισμένες πάντως φήμες που κυκλοφόρησαν τον περασμένο μήνα ίσως αποδειχτεί ότι είναι μία τρίτη επιβεβαίωση του εντοπισμού βαρυτικών κυμάτων, αυτή τη φορά όμως από την σύγκρουση δύο πάλσαρ αντί δύο Μαύρων Τρυπών.
Εκείνο που είναι βέβαιο όμως είναι το γεγονός ότι οι ερευνητές που πρωτοστάτησαν στη δημιουργία και την ανάπτυξη των ειδικών παρατηρητηρίων τα οποία απέδειξαν τελικά την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων (ανοίγοντάς μας έτσι ένα σπουδαίο νέο παράθυρο ανακαλύψεων για τα τεκταινόμενα στο Σύμπαν) θα είναι αυτοί που θα παραλάβουν σε δύο περίπου μήνες το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2017: ο Kip Thorne και ο Rainer Weiss.
Υπήρχε κι ένας τρίτος στην παρέα, ο Ronald Drever, με τον οποίο οι προηγούμενοι δύο είχαν μοιραστεί σχεδόν όλα τα σχετικά βραβεία το 2016. Αλλά, παρ’ όλο που ο Νίκος Καζαντζάκης έλεγε πως: “μια αστραπή η ζωή μας… αλλά προφταίνουμε,” ο Drever δυστυχώς δεν πρόφτασε, γιατί πέθανε τον περασμένο Μάρτιο.
