Η θεωρία των αστέρων νετρονίων ταιριάζει με αυτήν των BECs;
Μέρος 1ο

Άρθρο, Μάιος 2002

1. Αστέρες νετρονίων

2. BECs και αστέρες νετρονίων

Έχουν σχεδόν το ίδιο μέγεθος με μία μικρή πόλη (ακτίνα 10 km), αλλά με μάζα μεγαλύτερη από τον ήλιο. Μια κουταλιά της ύλης αυτής θα ζύγιζε δισεκατομμύρια τόνους. Στο εξωτερικό τους, τα αστέρια νετρονίων είναι εύθραυστα. Καλύπτονται από μια κρούστα πλούσια σε σίδηρο. Στο εσωτερικό τους, είναι ρευστά. Το κάθε αστέρι κρύβει μια θάλασσα από νετρόνια -- που προέρχονται από τα άτομα που συντρίβονται μετά από μια έκρηξη σουπερνοβών και περιστρέφεται εκατοντάδες φορές το κάθε δευτερόλεπτο, για να δημιουργήσει έτσι ισχυρούς κβαντικούς ανεμοστροβίλους στο εσωτερικό του. Είναι οι αστέρες νετρονίων.

Ο Τσαντρασεχάρ υπολόγισε ότι για να γίνει ένα αστέρι λευκός νάνος πρέπει η μάζα του να είναι μικρότερη από 1.4 φορές της μάζας του δικού μας ήλιου. Η ύλη του βρίσκεται σε κατάσταση πλάσματος και τα ηλεκτρόνια τότε έχοντας πολύ μικρό όγκο για να κινηθούν, αυξάνουν την κινητική τους ενέργεια επομένως την θερμοκρασία και την πίεση του πλάσματος. Η πίεση αυτή που λέγεται πίεση Fermi είναι ικανή στους λευκούς νάνους να εξουδετερώσει την βαρυτική κατάρρευση.

Αν η μάζα του αστέρος είναι M > 1.4 Μ ήλιου), καταρρέει ακόμη περισσότερο, αποβάλλοντας το αέριο περίβλημα του. Τα άστρα αυτά αφού έχουν εξαντλήσει τα πυρηνικά τους καύσιμα, συνεχίζεται η συρρίκνωση λόγω αυξημένης βαρύτητας και οι πυρήνες σχεδόν εφάπτονται μεταξύ τους, μην αφήνοντας χώρο για τα ηλεκτρόνια. Γιατί τότε η πίεση Fermi των εκφυλισμένων ηλεκτρονίων δεν είναι αρκετή για να σταματήσει την βαρυτική κατάρρευση του αστέρα. Εξωθούνται λοιπόν τα ηλεκτρόνια μέσα στους πυρήνες όπου αντιδρούν με τα πρωτόνια και σχηματίζουν νετρόνια και νετρίνα: p+e --->n+ν.

Τα νετρίνα επειδή αλληλεπιδρούν με ασθενείς αλληλεπιδράσεις, διαφεύγπυν από τον αστέρα, η μάζα του οποίου αποτελείται πλέον από νετρόνια. Στην επιφάνεια τους συναντούμε όμως και φορτισμένα σωματίδια.

Τα νετρόνια, με σπιν 1/2, είναι φερμιόνια που ασκούν πιέσεις προς τα έξω, λόγω της απαγορευτικής αρχής του Pauli/ Η πίεση αυτή των εκφυλισμένων νετρονίων συγκρατεί το αστέρι από την περαιτέρω βαρυτική κατάρρευση. O Wolfgang Pauli που διατύπωσε την ομώνυμη αρχή του στα 1924, αναφέρει ότι δύο φερμιόνια δεν μπορούν να βρεθούν στην ίδια ενεργειακή κατάσταση, άρα δύο νετρόνια δεν μπορούν να έλθουν πάρα πολύ κοντά και γι' αυτό αντιτίθεται στην βαρύτητα.

Η τυπική συχνότητα περιστροφής αυτών των αστέρων είναι 3.000 στροφές/δευτερόλεπτο. Αν τη συγκρίνουμε με του ήλιου που έχει περίοδο Τ=25 ημέρες, καταλαβαίνει κάποιος τον ιλιγγιώδη ρυθμό περιστροφής. Αυτό όμως έχει κι άλλη συνέπεια. Ενώ στον ήλιο το μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια του είναι περίπου 2 Gauss, στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων είναι 10¹⁰ Gauss λόγω της διατήρησης του αριθμού των μαγνητικών γραμμών.

Δεξιά: Έτσι φαντάστηκε ένας καλλιτέχνης ένα μαγνητισμένο αστέρι νετρονίων στο διάστημα.

Αστέρες νετρονίων πιστεύουμε ότι είναι οι λεγόμενοι πάλσαρ (pulsars) που ανακαλύφθηκαν το 1967 από μια ομάδα Άγγλων αστρονόμων με επικεφαλής τον A. Hewish, που πήρε και το βραβείο Νόμπελ το 1974, και κύρια βοηθό την Joselyn Bell.

Αυτά εκπέμπουν μια ακτίνα ακτινοβολίας καθώς περιστρέφονται και εκπέμπουν περιοδικά ραδιοσήματα με σταθερή συχνότητα και περιόδους που κυμαίνονται από 0.03 έως 3 sec.

Το φαινόμενο αυτό μοιάζει με έναν φάρο: βλέπουμε μια λάμψη των ακτίνων ή ραδιο-κυμάτων κάθε φορά που πλησιάζει κοντά η ακτίνα.  Οι παλμοί φθάνουν σε χρονικά διαστήματα τόσο εντυπωσιακά κανονικά που συναγωνίζονται ακόμη και τα ατομικά ρολόγια.  Μάλιστα όταν οι Jocelyn   Bell και A. Hewish ανακάλυψαν τα πάλσαρς, νόμιζαν ότι ήταν κάποιο ευφυή σήμα από εξωγήινους!

Ένας σπουδαίος pulsar είναι αυτός του νεφελώματος του Καρκίνου (Crab Nebula), ο πάλσαρ του Taylor και ο ταχύς πάλσαρ PSR 1937 +214. O πάλσαρ του νεφελώματος του Καρκίνου βρίσκεται εκεί που έγινε το 1054 μ.Χ. η έκρηξη σουπερνόβα.

Η αυξομείωση των περιόδων του πάλσαρ του Taylor θεωρείται ότι οφείλεται στα κύματα βαρύτητας, κάνοντας έτσι έμμεση την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων που προβλέπεται από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Ο ταχύς πάλσαρ λέγεται έτσι λόγω της τρομακτικής συχνότητας του. Κάνει 642 περιστροφές το δευτερόλεπτο, ενώ η κινητική του ενέργεια υπολογίζεται σε 10⁵¹ erg, μια ενέργεια που συγκρίνεται με αυτήν που ελευθερώνεται σε μια έκρηξη σούπερνοβα.

Η περιοδικότητα του ραδιοφωνικού σήματος των πάλσαρ (αστέρες νετρονίων) οφείλεται στο εξής φαινόμενο. Τα φορτισμένα σωματίδια της επιφάνειας του αστέρα επιταχύνονται από το ισχυρότατο μαγνητικό πεδίο γράφοντας κυκλικές τροχιές με πολύ μεγάλη γωνιακή ταχύτητα γύρω από την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Η ενέργεια που ακτινοβολούν εκπέμπεται κατά την διεύθυνση του άξονα του μαγνητικού διπόλου. Η ακτινοβολία αυτή διεγείρει τα ραδιοτηλεσκόπια της Γης,   όταν αυτά βρεθούν στην ίδια κατεύθυνση με τον μαγνητικό άξονα. Λόγω δε της περιστροφής του αστέρα τα ραδιοτηλεσκόπια διεγείρονται μια φορά κάθε περιστροφή του αστέρα.

Αν ένα αστέρι νετρονίων είναι σε κοντινή τροχιά γύρω από ένα  σύντροφο - αστέρι μπορεί να συλλάβει ύλη που ρέει μακρυά από το συντροφικό του άστρο. Αυτή η σύλληψη της ύλης θα σχηματίσει ένα δίσκο γύρω από το άστρο νετρονίων, από το οποίο η ύλη αφού περιστραφεί θα πέσει πάνω στο άστρο νετρονίων.

Η ύλη καθώς πέφτει θα κερδίσει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας καθώς επιταχύνεται. Η περισσότερη ενέργεια θα ακτινοβοληθεί με τη μορφή ακτίνων-Χ.   Το μαγνητικό πεδίο του αστέρος νετρονίων μπορεί να κάνει την ύλη αυτή σαν ένα χωνί προς τη μεριά των μαγνητικών πόλων, έτσι ώστε η ενέργεια που ελευθερώνεται να συγκεντρώνεται σε μια στήλη ή σαν σημείο θερμής ύλης. Καθώς  το άστρο νετρονίων περιστρέφεται, η θερμή περιοχή κινείται εντός και εκτός του οπτικού πεδίου και παράγει παλμούς ακτίνων-Χ.