Όλα τα άστρα, όπως ακριβώς και οι άνθρωποι, γεννιούνται, εξελίσσονται και πεθαίνουν. Ο θάνατός τους όμως, οδηγεί στη γένεση άλλων αστρικών αντικειμένων, όπως είναι οι λευκοί νάνοι, οι αστέρες νετρονίων και οι μαύρες τρύπες. Η ενέργεια που εκλύουν τα άστρα οφείλεται στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης στον πυρήνα τους, οι οποίες μετατρέπουν αρχικά το υδρογόνο σε ήλιο και εν συνεχεία αυτό στα βαρύτερα στοιχεία, ακολουθώντας σε γενικές γραμμές τη σειρά με την οποία αυτά εμφανίζονται στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Πότε θα σταματήσουν οι πυρηνικές αυτές αντιδράσεις και σε τι είδους αστρικό υπόλειμμα θα οδηγήσει ο θάνατος του αρχικού άστρου εξαρτάται από την αρχική του μάζα. Έτσι, άστρα με αρχική μάζα μικρότερη των οκτώ περίπου ηλιακών μαζών μετατρέπονται σε λευκούς νάνους, ενώ μάζες αρκετά μεγαλύτερες από αυτό το όριο καταρρέουν και καταλήγουν σε μαύρες τρύπες. Εάν η μάζα του αρχικού άστρου βρίσκεται περίπου στο ενδιάμεσο αυτών των δύο οριακών καταστάσεων, το αστρικό υπόλειμμα θα είναι ένας αστέρας νετρονίων.
Οι πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό κάθε άστρου θεωρητικά μπορούν να συνεχιστούν μέχρι τη στιγμή που ο πυρήνας του θα έχει εξ ολοκλήρου μετατραπεί σε σίδηρο, οπότε και σταματούν αφού δεν είναι πλέον ενεργειακά εφικτό να συντηχθούν άτομα σιδήρου σε βαρύτερα στοιχεία. Αυτό ακριβώς συμβαίνει και με τους αστέρες νετρονίων. Καθώς οι πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης αρχίζουν να παράγουν σίδηρο, η συσσώρευση σιδήρου στον πυρήνα του άστρου αυξάνει μέχρι τη στιγμή που φτάνει τις 1.4 περίπου ηλιακές μάζες. Σε αυτό το όριο η εσωτερική πίεση, που ασκούν τα ηλεκτρόνια, δεν μπορεί πλέον να αντισταθεί στη δύναμη της βαρύτητας, η οποία τείνει να το συρρικνώσει και το άστρο καταρρέει βαρυτικά. Καθώς ο πυρήνας του άστρου συνεχίζει να συρρικνώνεται, η θερμοκρασία και η πυκνότητά του αυξάνουν υπερβολικά και τα άτομα σιδήρου αρχίζουν να «συνθλίβονται» εξαναγκάζοντας τα ηλεκτρόνιά τους να εισχωρήσουν μέσα στους ατομικούς πυρήνες. Εκεί αντιδρούν με τα πρωτόνια σχηματίζοντας έτσι μια συμπαγή μάζα από νετρόνια, που αποτελούν το νεογέννητο αστέρα νετρονίων. Σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο η κατάρρευση του πυρήνα ολοκληρώνεται και η θερμοκρασία εκτοξεύεται σε 100 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου.
Αστέρας νετρονίων.
Η κατάρρευση του πυρήνα συνοδεύεται και από την κατάρρευση της εξωτερικής αστρικής στιβάδας που τον περικλείει, η οποία όμως, προσκρούοντας επάνω στον υπέρπυκνο πυρήνα, που έχει σχηματιστεί, αναπηδά προς τα πίσω δημιουργώντας ένα κρουστικό κύμα, τον προπομπό της κολοσσιαίας αστρικής έκρηξης που επίκειται. Το κρουστικό αυτό κύμα διασχίζει τις εξωτερικές στιβάδες του άστρου, τις οποίες και θερμαίνει σε θερμοκρασίες δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, ξεκινώντας μια νέα σειρά εκρηκτικής πυρηνικής καύσης, ικανής αυτήν τη φορά να συντήξει στοιχεία βαρύτερα και από το σίδηρο. Η αστρική ύλη, που ήταν προηγουμένως συγκεντρωμένη στις εξωτερικές στιβάδες του άστρου, εκτινάσσεται τώρα στο διάστημα με ταχύτητες που φτάνουν τα δεκάδες εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα με αποτέλεσμα μια εντυπωσιακή έκρηξη υπερκαινοφανούς ή σουπερνόβα. Το αρχικό άστρο έχει πλέον εξαφανιστεί. Τη θέση του έχει πάρει ένας υπέρπυκνος αστέρας νετρονίων στο κέντρο ενός ταχύτατα διαστελλόμενου αέριου περιβλήματος, που με την πάροδο του χρόνου σχηματίζει εκπληκτικής ομορφιάς νεφελώματα όπως αυτό του Καρκίνου. Οι αστέρες νετρονίων, που θα σχηματιστούν κατά αυτόν τον τρόπο, έχουν συνήθως μάζα που τυπικά κυμαίνεται μεταξύ 1,4 και 3,3 ηλιακές μάζες, συγκεντρωμένη όμως σε μια ακτίνα που μόλις φτάνει τα 10 με 20 χιλιόμετρα, δηλαδή 35 με 70 χιλιάδες φορές μικρότερη από αυτήν του Ηλίου. Για αυτόν το λόγο η πυκνότητά του είναι τόσο μεγάλη, ώστε ένα κουταλάκι του γλυκού από τα υλικά του θα ζύγιζε στη Γη ένα δισεκατομμύριο τόνους. Οι περισσότεροι από τους νεογέννητους αστέρες νετρονίων περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους συμπληρώνοντας από δέκα έως εκατό περιστροφές το δευτερόλεπτο, ενώ το μαγνητικό τους πεδίο είναι τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από αυτό της Γης.
Περιστροφή αστέρων νετρονίων.
PSR J1748-2446ad
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 με την περιστροφική ενέργεια να μετατρέπεται σε ραδιοκύματα με τη μεσολάβηση του μαγνητικού πεδίου, με μηχανισμό που επίσης είναι άγνωστος στις λεπτομέρειες, π.χ. πώς παράγεται σύμφωνη ακτινοβολία. Αν όμως ο αστέρας ανήκει σε διπλό αστρικό σύστημα και δέχεται ύλη που αποσπά από τον συνοδό, μπορεί να επιταχύνει σημαντικά την περιστροφή του, καθώς η νέα ύλη σχηματίζει γύρω του ένα ταχύτατα περιστρεφόμενο δίσκο προσαυξήσεως. Δημιουργούνται έτσι οι λεγόμενοι "millisecond pulsars" με εκατοντάδες στροφές ανά δευτερόλεπτο. Ο ταχύτερα περιστρεφόμενος αστέρας νετρονίων που είναι γνωστός αυτή τη στιγμή είναι ο PSR J1748-2446ad, με 1122 στροφές το δευτερόλεπτο. Σε συνηθισμένους αστέρες νετρονίων, οι τεράστιες φυγόκεντρες δυνάμεις που αναπτύσσονται εξαιτίας της ιλιγγιώδους περιστροφής στο πλαίσιο αναφοράς του σώματος είναι αρκετά ισχυρές ώστε να δώσουν στο άστρο ένα ελαφρώς πεπλατυσμένο σχήμα, όπως συμβαίνει με τη Γη ή τον πλανήτη Δία, και αυτό παρά το τρομακτικό βαρυτικό πεδίο του αστέρα. Οι αστέρες νετρονίων διαθέτουν βαρυτικά πεδία 100 δισεκατ. φορές ισχυρότερα από αυτό της Γης και εξίσου ισχυρότατα μαγνητικά πεδία της τάξης των 1012 Gauss, μέσα στα οποία βρίσκονται εγκλωβισμένα φορτισμένα σωματίδια, ηλεκτρόνια και ιόντα. Τα σωματίδια αυτά συμπαρασύρονται κατά την περιστροφική κίνηση των αστέρων νετρονίων και εξαιτίας των τεραστίων επιταχύνσεων που αποκτούν εκπέμπουν ακτινοβολία συγχρότρου που έχει σχήμα λεπτού κώνου, εφάπτεται στις τροχιές τους και διαδίδεται προς μία μόνο κατεύθυνση. Με τον τρόπο αυτό οι πάλσαρς δρουν σαν κοσμικοί φάροι σαρώνοντας συνεχώς με μια ταχύτατα περιστρεφόμενη δέσμη ακτινοβολίας τον ουρανό, η οποία στα γήινα παρατηρητήρια γίνεται αντιληπτή με τη μορφή περιοδικών παλμών.
Ιστορία.
Το 1932 ο Τζέιμς Τσάντγουικ ανακάλυψε το νετρόνιο ως στοιχειώδες σωμάτιο. Το 1933 οι Βάλτερ Μπάαντε και Φριτς Τσβίκυ πρότειναν για πρώτη φορά την ύπαρξη των αστέρων νετρονίων: Αναζητώντας μια εξήγηση για τις εκρήξεις υπερκαινοφανών, πρότειναν ότι ένα τέτοιο σώμα σχηματίζεται τότε, ισχυριζόμενοι ορθώς ότι η απελευθέρωση της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας επαρκεί για να τροφοδοτήσει με ενέργεια μια τέτοια μεγαλειώδη έκρηξη. Πράγματι, αν τα εσωτερικά στρώματα αστέρα μεγάλης μάζας αμέσως πριν τη βαρυτική κατάρρευση περιέχουν (π.χ.) 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.
Τζόσελυν Μπελ
Το 1967, η Τζόσελυν Μπελ ανακάλυψε το πρώτο πάλσαρ και από τότε χρειάσθηκαν λίγα μόνο χρόνια ώσπου να ερμηνευθεί ως μεμονωμένος, ταχέως περιστρεφόμενος, αστέρας νετρονίων. Η πηγή της ενέργειας των παλμών ραδιοκυμάτων ενός πάλσαρ είναι η κινητική ενέργεια περιστροφής του αστέρα νετρονίων, τουλάχιστον στις περισσότερες περιπτώσεις. Το 1971 οι Riccardo Giacconi, Herbert Gursky, Ed Kellogg, R. Levinson, E. Schreier και H. Tananbaum ανακάλυψαν παρόμοιας συχνότητας παλμούς (ένας ανά 4,8 δευτερόλεπτα) σε πηγή ακτίνων X στον αστερισμό Κένταυρο, την Cen X-3. Την ερμήνευσαν ως προερχόμενη από υπέρθερμο αστέρα νετρονίων. Η πηγή της ενέργειας εδώ είναι βαρυτική, αποτέλεσμα της προσπτώσεως νέας ύλης πάνω στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων από ένα συνοδό αστέρα ή από τον διαστρικό χώρο.
Φυσικά μεγέθη και ιδιότητες.
Ο αστέρας νετρονίων είναι πολύ ζεστό αστέρι και υποστηρίζεται από περαιτέρω κατάρρευση λόγω της κβαντικής πίεσης εκφυλισμού που οφείλεται στην απαγορευτική αρχή του Pauli. Αυτή η αρχή δηλώνει ότι δεν υπάρχουν δύο νετρόνια (ή οποιαδήποτε άλλα σωματίδια φερμιόνια) που μπορούν να καταλάβουν την ίδια θέση και την ίδια κβαντική κατάσταση ταυτόχρονα. Με όλη την μάζα τους συσκευασμένη σε μια σφαίρα στο μέγεθος μιας μικρής πόλης, τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια τους συνθλίβονται μαζί σε νετρόνια. Ένα τυπικός αστέρας νετρονίων έχει μάζα μεταξύ 1.35 και περίπου 2,0 ηλιακές μάζες,με αντίστοιχη ακτίνα να κυμαίνεται από 10 ως 20 χιλιόμετρα. Αντίθετα,η ακτίνα του Ήλιου είναι περίπου 60.000 φορές μεγαλύτερη από την ακτίνα του αστέρα νετρονίων. Τα αστέρια νετρονίων έχουν συνολική πυκνότητα 3,7×1017 με 5,9×1017 kg/m3 (2,6×1014 με 4,1×1014 φορές την πυκνότητα του Ήλιου), η οποία συγκρίνεται κατά προσέγγιση με την πυκνότητα ενός ατομικού πυρήνα των 3×1017 kg/m3. Ο αστέρας νετρονίων είναι πολύ μικρός για να ανιχνεύεται στον ουρανό ως αστέρι.
Αυτή η τεράστια πυκνότητα κάνει τον αστέρα νετρονίων ένα ιδανικό φυσικό "εργαστήριο" για τη μελέτη της πιο έντονης και πιο εξωτικής κατάστασης της ύλης που είναι γνωστή για τη φυσική. Στριμωγμένος σε αυτό το μεγέθους, ο αρχικός αστέρας συμπιέζεται υπερβολικά σε πολύ χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Το θεωρητικό ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο του αστέρα νετρονίων μπορεί να είναι περίπου 100 τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Τα αστέρια νετρονίων είναι επίσης υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγοί. Αν και τα εργαστήρια μας μπορούν να παράγουν υπεραγωγιμότητα σε περίπου 100 βαθμούς Κέλβιν, οι αστέρες νετρονίων πιστεύεται ότι μπορούν να γίνουν υπεραγώγιμοι σε περίπου 100 εκατομμύρια βαθμούς Κ.
Νεφέλωμα του Καρκίνου.
Η περίοδος των παλμών τους κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 4,3 δευτερολέπτων και 33 χιλιοστών του δευτερολέπτου, ενώ η διάρκεια ενός ξεχωριστού παλμού ανέρχεται κατά κανόνα στο 1/10 έως το 1/100 της παλμικής περιόδου. Σήμερα είναι γνωστοί 550 περίπου πάλσαρς, πολλοί από τους οποίους εκτός από τα ραδιοκύματα εκπέμπουν και ακτινοβολίες άλλων συχνοτήτων, όπως ακτίνες Χ, υπέρυθρη και υπεριώδη ακτινοβολία και μάλιστα με την ίδια περίοδο. Υπάρχουν, όμως, μόνο δύο πάλσαρς που εκπέμπουν ακτινοβολία στο μήκος κύματος του ορατού φωτός, ο πάλσαρ που βρίσκεται στο κέντρο του νεφελώματος του Καρκίνου (ανακαλύφθηκε το 1968) και ο πάλσαρ στον αστερισμό του Ιστίου (ανακαλύφθηκε το 1977), ο οποίος είναι όμως πάρα πολύ αμυδρός με λαμπρότητα που φθάνει μόλις το 26ο μέγεθος.
Παρατηρήσεις:
Τα αστέρια νετρονίων έχουν τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία στο σύμπαν.
Ενας ασρτέρας νετρονίων μπορεί να είναι πολλές φορές πιο πυκνός και από ένα ατομικό πυρήνα.
Τα άστέρια νετρονίων μπορούν να μεταφέρουν ένα απίστευτο ποσό μάζας σε ένα σχετικά μικρό μέγεθος.
Σε ένα αστέρι νετρονίων, μια μάζα στο μέγεθος του ήλιου μας θα ταίριαζε στην περιοχή μιας πόλης.
Συμπαγείς αστέρες διαμέτρου 10-20 χλμ. και πυκνότητας περ. 1015 g/cm3
Διαθέτουν βαρυτικά πεδία 100 δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερα από αυτό της Γης και εξίσου ισχυρότατα μαγνητικά πεδία της τάξης των 1012 Gauss
Ονομασία pulsar.
Βγαίνει από την αγγλική λέξη pulse που σημαινει παλμός. pulsar = PULSating stAR (Παλλόμενα ραδιοαστερια).
Mιλιπάλσαρ.
Οι αστρονόμοι, όμως, έχουν ανακαλύψει ένα νέο είδος πάλσαρ, το οποίο εξαιτίας της ταχύτατης περιστροφής του, που μπορεί να φτάνει ακόμα και τις χίλιες περιστροφές το δευτερόλεπτο, έχει ονομαστεί μιλιπάλσαρ (millipulsar). Για να σας δώσουμε μια ιδέα του πόσο γρήγορη είναι αυτή η περιστροφή, αρκεί να λάβουμε υπόψη ότι ένας πάλσαρ με ακτίνα 15 χιλιομέτρων, που συμπληρώνει 500 περιστροφές το δευτερόλεπτο, περιστρέφεται με ταχύτητα η οποία αγγίζει το 16% της ταχύτητας του φωτός, δηλαδή 48.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο!
Σφαιρωτό σμήνος αστέρων Terzan 5. Περιέχει 34 Mιλιπάλσαρ.
Σύμφωνα με τους αστροφυσικούς, οι μιλιπάλσαρ σχηματίζονται συνήθως σε διπλά αστρικά συστήματα, όταν ο αστέρας νετρονίων του συστήματος αρχίζει να απορροφά ύλη από το άστρο-συνοδό του, το οποίο είναι συνήθως ένας ερυθρός γίγαντας. Σύμφωνα με την επικρατέστερη θεωρία, ύλη από τον ερυθρό γίγαντα προσκρούει στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων και μεταφέρει ενέργεια, η οποία αυξάνει την ταχύτητα περιστροφής του. Θεωρητικά, εάν δεν υπήρχε κάποιος μηχανισμός πέδησης, η ταχύτητα περιστροφής ενός μιλιπάλσαρ θα μπορούσε να υπερβεί και τις 1.000 έως 3.000 περιστροφές το δευτερόλεπτο, γεγονός που θα προκαλούσε το κατακερματισμό του. Από ό,τι φαίνεται όμως, όταν η ταχύτητα περιστροφής του τείνει να υπερβεί αυτό το όριο, ενεργοποιείται μια δικλείδα ασφαλείας, που «φρενάρει» την περαιτέρω επιτάχυνση του άστρου. Τη δικλείδα ασφαλείας την παρέχει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και δεν είναι άλλη από την έκλυση βαρυτικών κυμάτων, την ύπαρξη των οποίων προέβλεψε ο Αϊνστάιν το 1916. Φαίνεται, με άλλα λόγια, ότι η «κινητήρια μηχανή» των μιλιπάλσαρ είναι εφοδιασμένη με το δικό της «κόφτη στροφών», ο οποίος ενεργοποιείται όταν η ταχύτητα περιστροφής του πλησιάζει το «κόκκινο», διαχέοντας βαρυτικά κύματα στο διάστημα και ξαλαφρώνοντας έτσι το μιλιπάλσαρ από το πλεόνασμα της ενέργειας, που συνεχίζει να του προσδίδει η αδιάκοπη απορρόφηση ύλης από το άστρο-συνοδό του.
Οι ήχοι των αστέρων νετρονίων.
Στο παρακάτω βίντεο θα βρείτε ηχογραφήσεις από την εκπομπή γνωστών pulsar. Η κάθε διαταραχή στον ήχο προκύπτει την στιγμή που το άστρο περιστρέφεται ταχύτατα, στέλνοντας προς το μέρος μας ακτινοβολία, που γίνεται αντιληπτή με τη μορφή περιοδικών παλμών.
