Επιστήμονες παρατηρούν τη στροβιλώδη κίνηση αερίου κοντά σε ένα άστρο νετρονίων

Από ιστοσελίδα του Καναδικού Ινστιτούτου για τη Θεωρητική Αστροφυσική, 23 Φεβρουαρίου 2004

Επιστήμονες στο Καναδικό Ίδρυμα για τη Θεωρητική Αστροφυσική (CITA) και τη NASA έχουν συλλάβει με πρωτοφανή λεπτομέρεια μια στροβιλώδη ροή αερίου, που αιωρείται λίγα χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια ενός άστρου νετρονίων, μία υπέρπυκνη σφαίρα διαμέτρου, περίπου, είκοσι χιλιομέτρων.

Οι ερευνητές David Ballantyne του Πανεπιστημίοτ του Τορόντου και Tod Strohmayer του Διαστημικού Κέντρου Πτήσεων Goddard της NASA, περιγράφουν την ανακάλυψη τους στο περιοδικό Astrophysical Journal Letters. Η παρατήρηση αυτή θα μας δώσει νέες γνώσεις για τη ροή σε ένα δίσκο προσαύξησης ενός άστρου νετρονίων (και ίσως μιας μαύρης τρύπας), που συνήθως είναι δύσκολο να μάθουμε ακόμα και με τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια.

Μια τεράστια και σπάνια έκρηξη στην επιφάνεια αυτού του άστρου νετρονίων - που εκπέμπει  σε τρεις ώρες περισσότερη ενέργεια από όσο ο ήλιος μας σε 100 χρόνια - φώτισε όλη την γύρω περιοχή του και επέτρεψε έτσι στους επιστήμονες να δουν τέτοιες λεπτομέρειες της περιοχής, που ποτέ πριν δεν είχαν αποκαλυφθεί.

Μπόρεσαν δε, να δουν ακόμα και το δακτύλιο του αερίου, που στροβιλίζεται γύρω του και τελικά ρέει προς το άστρο νετρονίων καθώς αυτός ο δακτύλιος λύγιζε από την έκρηξη και έπειτα αργά ανάκτησε την αρχική του μορφή μετά από, περίπου, 1.000 δευτερόλεπτα.

Όλα αυτά συνέβησαν κάπου 25.000 έτη φωτός από τη Γη, στο άστρο 4U 1820-30 και φωτογραφήθηκαν καρέ-καρέ μέσω του φασματογράφου του διαστημικού παρατηρητηρίου των ακτίνων X Rossi της NASA.

Ο δίσκος προσαύξησης

"Είναι η πρώτη φορά που ήμαστε σε θέση να προσέξουμε τις εσωτερικές περιοχές ενός δίσκου προσαύξησης, μόλις λίγα χιλιόμετρα από την επιφάνεια του άστρου νετρονίων και μια αλλαγή της δομής του σε πραγματικό χρόνο", λέει ο Ballantyne.

"Οι δίσκοι προσαύξησης είναι γνωστοί ότι ρέουν γύρω από πολλά αντικείμενα στο σύμπαν, από τα άστρα που σχηματίστηκαν πρόσφατα μέχρι τις γιγαντιαίες μαύρες τρύπες στα απόμακρα κβάζαρ. Λεπτομέρειες του πώς γίνεται η ροή ενός τέτοιου δίσκου θα μπορούσαν να προκύψουν συμπερασματικά μόνο μέχρι τώρα".

Ένα αστέρι νετρονίων είναι ότι απόμεινε από τον πυκνό πυρήνα μετά την έκρηξη ενός άστρου με μάζα τουλάχιστον οκτώ φορές αυτή του ήλιου. Το άστρο νετρονίων περιέχει μια μάζα ίση με αυτή του ήλιου, διαστάσεων όχι μεγαλύτερο από μια μεγάλη πόλη.

Ένας δίσκος προσαύξησης αναφέρεται στη ροή του καυτού αερίου (πλάσματος) που στροβιλίζεται γύρω από τα άστρα νετρονίων και τις μαύρες οπές, και που έλκεται από την ισχυρή βαρύτητα της περιοχής. Αυτό το αέριο προέρχεται συχνά από ένα γειτονικό αστέρι-συνοδό.

Καθώς η ύλη συντρίβεται στην επιφάνεια του άστρου νετρονίων φτιάχνεται ένα  στρώμα του υλικού 10-100 μέτρων, που αποτελείται συνήθως από ήλιο. Η σύντηξη του ηλίου προς άνθρακα και άλλα βαρύτερα στοιχεία ελευθερώνει τεράστια ενέργεια ενώ δημιουργείται μια ισχυρή έκρηξη ακτίνων-X, πολύ πιο ενεργητική από το ορατό φως. Η πυρηνική σύντηξη είναι ως γνωστόν η διαδικασία με την οποία ελευθερώνεται ενέργεια σε όλα τα άστρα. Τέτοιες εκρήξεις μπορούν να συμβούν αρκετές φορές την ημέρα σε ένα άστρο νετρονίων και να κρατήσουν για, περίπου, 10 δευτερόλεπτα.

Υπερέκρηξη ακτίνων-Χ

Οι Ballantyne και Strohmayer παρατήρησαν όχι απλώς μια έκρηξη, αλλά μια "υπερ-έκρηξη" ακτίνων-Χ. Αυτές οι εκρήξεις είναι σπανιότερες από τις συνηθισμένες, που οφείλονται στο ήλιο, ενώ ελευθερώνουν χίλιες φορές περισσότερη ενέργεια. Οι επιστήμονες λένε ότι αυτές οι υπερ-εκρήξεις προκαλούνται από μία συγκέντρωση πυρηνικής τέφρας υπό μορφή άνθρακα από τη σύντηξη του ηλίου. Οι τρέχουσες ιδέες για το θέμα αυτό προτείνουν ότι απαιτούνται πολλά χρόνια ώστε να συγκεντρωθεί η πυρηνική τέφρα του άνθρακα σε τέτοιο βαθμό ώστε να ξεκινήσει η σύντηξη.

Η υπερέκρηξη ήταν τόσο λαμπρή και είχε τόση διάρκεια, που δρούσε σαν μια κατευθυντική ακτίνα από την επιφάνεια του άστρου πάνω στην πιο εσωτερική περιοχή του δίσκου προσαύξησης. Η ακτινοβολία από την έκρηξη των ακτίνων-X προκάλεσε το φθορισμό των ατόμων του σιδήρου στο δίσκο προσαύξησης.

Ο Εξερευνητής Rossi

Ο Εξερευνητής Rossi (Rossi X-ray Timing Explorer) συνέλαβε τη χαρακτηριστική υπογραφή του φθορίζοντος σιδήρου -- δηλαδή το φάσμα του. Αυτό, στη συνέχεια, μας έδωσε πληροφορίες για τη θερμοκρασία, την ταχύτητα και τη θέση του σιδήρου γύρω από το άστρο νετρονίων.

"Ο Εξερευνητής Rossi μπορεί να παίρνει το φάσμα φθορισμού των ατόμων σιδήρου κάθε λίγα δευτερόλεπτα", εξηγεί ο Strohmayer. "Προσθέτοντας όλες αυτές τις πληροφορίες, καταλαβαίνουμε πως  παραμορφώνεται αυτός ο δίσκος προσαύξησης εξ' αιτίας της θερμοπυρηνικής έκρηξης. Η φασματική δε ανάλυση του φαινομένου με τον Rossi είναι πολύ καλύτερη, από τις πληροφορίες που θα μας έδινε μια εικόνα του Hubble".

Οι επιστήμονες, είπαν, ότι τα άστρα νετρονίων τελικά παίζουν το ρόλο ενός εργαστηρίου παρατήρησης των δίσκων προσαύξησης, οι οποίοι φαίνονται (αλλά με λιγότερη λεπτομέρεια) γύρω από κοντινές αστρικές μαύρες οπές και τους υπερβολικά απόμακρους γαλαξίες κβάζαρ. Οι αστρικές μαύρες τρύπες με δίσκους προσαύξησης δεν παράγουν εκρήξεις ακτίνων-X.

Ο Εξερευνητής Rossi μπήκε σε τροχιά το Δεκέμβριο του 1995, για να παρατηρήσει τα γρήγορα εξελισσόμενα, ενεργητικά και πολύ γρήγορα περιστρεφόμενα αντικείμενα, όπως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες, αστέρια νετρονίων και πάλσαρ που έχουν περίοδο χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Δίσκος προσαύξησης ή επαύξησης:Όταν η ύλη οδεύει προς τη μαύρη τρύπα είναι δυνατόν να σχηματίσει λόγω διατήρησης της στροφορμής, ένα περιστρεφόμενο δίσκο πριν πέσει μέσα στη μαύρη τρύπα. Τα σωματίδια της ύλης στο δίσκο έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια και κατά τη πτώση τους μέσα στη μαύρη τρύπα εκπέμπουν φωτόνια υψηλής ενέργειας.