Ανίχνευση της βαρυτικής επίδρασης στην ακτινοβολία των αστέρων νετρονίων

Από την ιστοσελίδα του UniSci, 10 Ιουνίου 2002

Με το διαστημικό παρατηρητήριο των ακτίνων-X Chandra της NASA, οι αστρονόμοι έχουν ανιχνεύσει χαρακτηριστικά γνωρίσματα που μπορούν να είναι τα πρώτα άμεσα στοιχεία της επίδρασης της βαρύτητας στην ακτινοβολία από ένα αστέρι νετρονίων.

Αυτή η εύρεση, εάν επιβεβαιωθεί, θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να μετρήσουν το πεδίο βαρύτητας των αστέρων νετρονίων και να καθορίσουν εάν περιέχουν τις εξωτικές μορφές της ύλης που δεν φαίνονται πάνω στη Γη.

Μια ομάδα που καθοδηγήθηκε από τον George Pavlov του Πολειτιακού Πανεπιστημίου Penn,  παρατήρησε ένα αστέρι νετρονίων, που ονομάστηκε 1E 1207.4-5209, στο κέντρο των κατάλοιπων ενός σουπερνόβα, περίπου 7.000 έτη φωτός από τη Γη. Τα συμπεράσματα παρουσιάστηκαν την προηγούμενη εβδομάδα στη συνεδρίαση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας στην Αλμπικέρκη, του Νέου Μεξικού.

Η ομάδα του Pavlov βρήκε δύο εμβυθίσεις στο διάγραμμα, που είναι τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα απορρόφησης, στο φάσμα των ακτίνων-Χ από το αστέρι. Εάν αυτές οι εμβυθίσεις οφείλονται στην απορρόφηση των ακτίνων-Χ κοντά στο αστέρι από τα ιόντα του ηλίου μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αυτές τότε δείχνουν ότι το πεδίο βαρύτητας μειώνει τις ενέργειες των ακτίνων-X που ξεφεύγουν από σημεία πλησίον της επιφάνειας ενός αστέρος νετρονίων.

"Αυτή η ερμηνεία είναι σύμφωνη με τα στοιχεία", λέει ο Pavlov, "αλλά τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα μπορούν να είναι ένα μίγμα πολλών άλλων χαρακτηριστικών γνωρισμάτων.   Είναι αναγκαίες ακριβέστερες μετρήσεις, κατά προτίμηση με το φασματόμετρο του Chandra".

"Αυτά τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα απορρόφησης μπορούν να είναι τα πρώτα στοιχεία της επίδρασης της βαρύτητας στην ακτινοβολία κοντά στην επιφάνεια ενός απομονωμένου αστέρος νετρονίων", είπε ο Pavlov. "Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό επειδή θα μας επιτρέψει να θέσουμε όρια στον τύπο της ύλης που περιλαμβάνει αυτό το αστέρι".

Αστέρια νετρονίων

Τα αστέρια νετρονίων διαμορφώνονται όταν τελειώνουν τα καύσιμα στα αστέρια μεγάλης μάζας και οι πυρήνες τους καταρρέουν. Τότε εμφανίζεται μια έκρηξη σουπερνόβα και ο καταρρέων πυρήνας συμπιέζεται σε ένα πολύ θερμό αντικείμενο περίπου 20 km σε έκταση, με μια λεπτή ατμόσφαιρα από υδρογόνο και ενδεχομένως βαρύτερα ιόντα σε ένα βαρυτικό πεδίο 100 δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από τη Γη.

Αυτά τα αντικείμενα, που έχουν μια πυκνότητα τέτοια ώστε ένα κουταλάκι να ζυγίζει 1 δισεκατομμύριο τόνους, ονομάζονται αστέρια νετρονίων επειδή πιθανόν να αποτελούνται κυρίως από νετρόνια. Αν και οι αστέρες νετρονίων έχουν μελετηθεί εκτενώς για περισσότερο από τρεις δεκαετίες, η ακριβής φύση των αστέρων νετρονίων είναι ακόμα άγνωστη.

"Δεν είμαστε ακόμα και βέβαιοι ότι οι αστέρες νετρονίων αποτελούνται από νετρόνια", είπε ο Divas Sanwal, επίσης του Penn, και επικεφαλής του εγγράφου που περιγράφει τα αποτελέσματα της ομάδας. "Θα μπορούσαν να αποτελούνται κατά ένα μεγάλο μέρος από υποατομικά σωματίδια τα λεγόμενα πιόνια ή καόνια, ή ακόμα και από ελεύθερα κουάρκ".

Το κλειδί για να στενέψει το εύρος των πιθανοτήτων είναι να μετρηθεί η δύναμη της βαρύτητας στην επιφάνεια ενός τέτοιυ αστέρος νετρονίων, με το να παρατηρήσουμε τα φαινόμενα του στις ακτίνες-X από πολύ κοντά στην επιφάνεια του αστεριού.

Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν της Γενικής Σχετικότητας, η έλξη των φωτονίων από το πεδίο βαρύτητας ενός αστέρος οδηγεί σε μια χαμηλότερη ενέργεια το φωτόνιο, και ένα πιό μεγάλο μήκος κύματος της ακτινοβολίας του, όταν ανιχνεύεται από έναν απόμακρο παρατηρητή. Η μέτρηση αυτής της βαρυτικής μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift) σχετίζει τη μάζα με την ακτίνα του αστεριού, και θα εξετάσει τις θεωρίες για τις διάφορες πιθανές μορφές της πυκνής ύλης.

Η ομάδα, που περιλαμβάνει επίσης τους Slava Zavlin του Ινστιτούτου Max Plank για την Εξωγήινη Φυσική στη Γερμανία και Marcus Teter του Penn, εξέτασε διάφορες πιθανές εξηγήσεις για τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα απορρόφησης που παρατηρήθηκαν από το αντικείμενο 1E 1207. Η ισχύς και η ενέργεια όμως των ακτίνων X από αυτά τα γνωρίσματα,  καθιστούν απίθανο ότι αυτές οι απορροφήσεις οφείλονται στο ενδιάμεσο διαστρικό υλικό ή στα ηλεκτρόνια ή σε ιόντα που περιστρέφονται μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο.

Η πλέον πιθανή υπόθεση, ολοκληρώνουν οι επιστήμονες, είναι ότι τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα οφείλονται στην απορρόφηση από τα ιόντα ηλίου σε ένα μαγνητικό πεδίο εκατό τρισεκατομμύρια φορές εντονότερο από το Γήινο μαγνητικό πεδίο. Σε αυτήν την περίπτωση, η βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό μειώνει την ενέργεια των ακτίνων X κατά 17%.

Ο Pavlov και οι συνάδελφοί του παρατήρησαν το αντικείμενο 1E 1027 δύο φορές με το προηγμένο φασματόμετρο απεικόνισης CCD του Chandra, στις 5 και πάλι στις 6 Ιανουαρίου του 2000, κάθε φορά για περίπου 60.000 δευτερόλεπτα.

Το όργανο ACIS φτιάχθηκε για τη NASA από το MIT κάτω από την καθοδήγηση του Gordon Garmire. Η NASA διαχειρίζεται το πρόγραμμα του Chandra για το Γραφείο της Διαστημικής Επιστήμης στην πολιτεία Ουάσιγκτον.