Αστέρες νετρονίων και συμπυκνωμένη ύλη κατά Bose-Einstein
Μέρος 2ο

Άρθρο, Μάιος 2002

1. Αστέρες νετρονίων

2. BECs και αστέρες νετρονίων

Τα αστέρια νετρονίων αλλά και τα πιό συγγενή αστέρια οι λευκοί νάνοι και οι μαύρες τρύπες, είναι ακραίες μορφές της ύλης, τις οποίες πολλοί επιστήμονες θα ήθελαν να είχαν στο εργαστήριό τους. Αλλά πώς; Οι ερευνητές που πειραματίζονται σε μια νέα μορφή που καλείται συμπυκνωμένη ύλη  Bose-Einstein μπορεί να έχουν βρεί έναν τρόπο.

Τα συμπυκνώματα Bose-Einstein (BECs) είναι κύματα ύλης που διαμορφώνονται όταν πολύ ψυχρά άτομα συγχωνεύονται για να γίνουν μια ενιαία "κβαντομηχανική σταγόνα." Περιέχουν περίπου δέκα εκατομμύρια άτομα σε ένα σταγονίδιο μήκους 0.1 mm. Οι φυσικοί Eric Cornell (NIST), Carl Wieman (Πανεπιστήμιο του Κολοράντο) και Βολφγκαγκ Ketterle (MIT) -- οι οποίοι μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ του 2001 στη φυσική -- δημιούργησαν τα πρώτα από τα ψυχρά αέρια αυτά το 1995.

Για πολλούς λόγους, τα αστέρια νετρονίων και τα BECs είναι ανόμοια. Τα BECs είναι 100.000 φορές λιγότερο πυκνά από τον αέρα, και είναι πιό ψυχρά από το διαστρικό διάστημα. Τα αστέρια νετρονίων, αφ' ετέρου, ζυγίζουν περίπου 100 εκατομμύρια τόνους ανά κυβικό εκατοστόμετρο, και το εσωτερικό τους είναι 100 φορές θερμότερο από τον πυρήνα του ήλιου

Έτσι λοιπόν η ερώτηση είναι, τι κοινά στοιχεία έχουν; Η απάντηση είναι απρόσμενη. Και τα δύο είναι υπερρευστά -- δηλαδή είναι υγρά που ρέουν χωρίς τριβή ή όπως λέγεται ιξώδες.

Αριστερά: Υπερευστά περιστρέφονται γύρω από τις κβαντοποιημένες γραμμές δίνης. Εδώ οι γραμμές δίνης είναι οι κίτρινες στήλες. Η ροή κυκλοφορίας γύρω από αυτές υποδεικνύεται από τα βέλη.

Ίσως το πιό γνωστό παράδειγμα ενός υπερρευστού είναι το ήλιο-4 όταν  ψύχεται σε θερμοκρασίες λιγότερο από 2.2^o K (-271^o C). Εάν κρατήσεται στο χέρι σας ένα καλά μονωμένο φλυτζάνι τέτοιου ηλίου και περιστρέφεται αργά-αργά το φλυτζάνι, το εσωτερικό ήλιο δεν θα περιστρεφόταν με αυτό.

Ακόμη τα υπερρευστά μπορούν να περιστραφούν. Και τότε, παράξενα πράγματα συμβαίνουν. Τα υπερρευστά δεν μπορούν να στραφούν όπως ένα άκαμπτο σώμα -- αλλά στροβιλίζονται. Οι φυσικοί λένε ότι "η στροφή (curl) του πεδίου της ταχύτητας" πρέπει να είναι μηδέν.

Αυτή η βασική φυσική ισχύει για τα BECs αλλά και για τα αστέρια   νετρονίων.

Το 2001, μετά από τα παρόμοια πειράματα του 1999 από τους ερευνητές στο Κολοράντο και στη Γαλλία, οι Ketterle και οι συνάδελφοί του στο MIT αποφάσισαν να περιστρέψουν ένα συμπύκνωμα BEC και να δουν τι θα συνέβαινε. Ο Ketterle λέει ότι δεν είχε τα αστέρια νετρονίων στο μυαλό όταν έκανε το πείραμα αλλά μόνο τα BEC γιατί είναι μια νέα μορφή της ύλης και ήθελε με την περιστροφή των BEC, να τα αναγκάσουν να αποκαλύψουν τις ιδιότητές τους. Η εξομοίωση του εσωτερικού του παράξενου αστεριού των νετρονίων επρόκειτο να είναι ένα ξαφνικό υποπροϊόν.

Η ομάδα του Ketterle λοιπόν φώτισε με μια περιστρεφόμενη ακτίνα λέιζερ το συμπύκνωμα, το οποίο βρισκόταν μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Ξαφνικά,   εμφανίστηκε μια κανονική σειρά δινών.

Κατωτέρω: Οι σειρές δινών που σχηματίζονται κατά την περιστροφή των BEC μοιάζουν με τα εσωτερικά των αστεριών νετρονίων.

Όπως θυμάται ο Ketterle ήταν μια συναρπαστική εμπειρία όταν είδαν εκείνες τις δίνες. Οι ερευνητές είχαν δει τέτοιες δίνες από πριν (στο υγρό ήλιο και στο BEC) αλλά ποτέ τόσο πολλές αμέσως. Η διάταξη των κβαντικών ανεμοστροβίλων ήταν ακριβώς το είδος της θύελλας, που οι αστρονόμοι είχαν από καιρό υποψιαστεί ότι μπορεί να στροβιλιζόταν μέσα στα αστέρια των νετρονίων.

Κανένας δεν έχει δει ποτέ τις υπέρρευστες δίνες μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων, αλλά έχουμε μια καλή αιτία να θεωρήσουμε ότι υπάρχουν: Πολλά αστέρια νετρονίων είναι όπως είπαμε πάλσαρς . Μερικές φορές, εν τούτοις, τα pulsars δυσλειτουργούν,   όπως ένα φτηνό ρολόι που αρχίζει ξαφνικά να τρέχει πάρα πολύ γρήγορα. Οι δυσλειτουργίες οφείλονται πιθανώς στις υπέρρευστες δίνες που σχηματίζονται ή που αποσυντίθενται μέσα στα αστέρια, ή ίσως δίνες που πέφτουν πάνω στην κρούστα του αστεριού.

Οι δίνες που στροβιλίζονται στα BEC προσφέρουν στους επιστήμονες μια ευκαιρία να μελετήσουν τέτοιες διαδικασίες από πρώτο χέρι -- χωρίς να πάνε σε ένα απόμακρο αστέρι.

Οι δυνατότητες δεν τελειώνουν όμως εδώ: Εάν τα συμπυκνωμένα άτομα που βρίσκονται στο BEC, ελκύουν το ένα το άλλο, τότε ολόκληρο το συμπύκνωμα μπορεί να καταρρεύσει. Οι φυσικοί μάλιστα βεβαιώνουν ότι η φυσική είναι η ίδια με αυτήν ενός καταρρέοντας αστεριού νετρονίων. Είναι ένας τρόπος, ίσως, να πραγματοποιηθεί ένα μικροσκοπικό αστέρι νετρονίων σε μια μικρή κενή αίθουσα. Ήδη οι ερευνητές μαθαίνουν να κάνουν κατάρρευση BECs σε πραγματικά πειράματα.

Είναι γνωστό ότι τα BECs σχηματίζονται με την βοήθεια των μαγνητικών παγίδων. Ο Carl Wieman και οι συνάδελφοι του στα εργαστήρια του NIST έχουν ανακαλύψει ότι τα άτομα μέσα στα BECs μπορούν να ελκύσουν ή να απωθήσουν το ένα το άλλο σε "συντονισμό" με το μαγνητικό πεδίο στο οποίο εκτίθεται το συμπύκνωμα. Το 2001, δοκίμασαν και τα δύο: Κατ' αρχάς, έκαναν ένα αυτο-απωθητικό BEC. Όπως αναμενόταν διαστάλθηκε ήπια,  Κατόπιν, έκαναν ένα απαλό αυτο-ελκυστικό BEC. Άρχισε τότε να στενεύει -- και πάλι ως αναμένετο -- αλλά κατόπιν έκανε κάτι που δεν το περίμενε κανένας.

Εξερράγη!

Κατωτέρω: Ένα Bosenova -- που θεωρείται από τους πειραματιστές "η πιο πuκνή έκρηξη που έγινε ποτέ".

Πολλά από τα άτομα του συμπυκνώματος BEC πετάχθηκαν προς τα έξω, μερικά δημιούργησαν σφαιρικούς φλοιούς σαν κοχύλια, άλλα στενούς πίδακες. Μερικά από αυτά που πετάχθηκαν εξαφανίστηκαν εντελώς -- ένα διαρκές μυστήριο. Μερικά παρέμειναν στο κέντρο σαν ένας μικρότερος πυρήνας στη θέση του αρχικού συμπυκνώματος.

Σε έναν αστροφυσικό, αυτό ακούγεται εντυπωσιακά, μοιάζει με μια έκρηξη σουπερνοβών. Πράγματι, ο Wieman και οι υπόλοιποί το ονόμασαν "Bosenova" (από τις λέξεις Bose και Nova). Στην πραγματικότητα, η έκρηξη ελευθέρωσε αρκετή ενέργεια για να αυξήσει τη θερμοκρασία του συμπυκνώματος μόνο 200 δισεκατομμυριοστά του ενός βαθμού. Μια πραγματική σουπερνόβα θα ήταν 10⁷⁵ φορές πιό ισχυρή. Εδώ φυσικά τα δύο αντικείμενα δεν μοιάζουν.

Εάν οι ερευνητές τελικά κάνουν μικροσκοπικά αστέρια νετρονίων, μπορεί να μάθουν να κάνουν και λευκούς νάνους και μαύρες τρύπες επίσης. Τέτοια μικρο-αστέρια δεν θέτουν κανέναν κίνδυνο για τη Γη. Είναι απλά πάρα πολύ μικρά και η βαρύτητά τους πάρα πολύ ασθενής για να "καταπιούν" τα αντικείμενα από γύρω τους.

Αλλά τέτοια αντικείμενα αναμφισβήτητα θα ήταν δημοφιλή μεταξύ των φυσικών και των αστρονόμων.