Προσομοιώθηκε η χημεία των άστρων νετρονίων για πρώτη φορά

Πηγή: NewScientist, 22 Μαΐου 2007

Τα άστρα νετρονίων περιέχουν στρώσεις διαφορετικών χημικών ουσιών και η κάθε μία βρίσκεται σε διαφορετικό βάθος. Αυτό αποκαλύπτουν οι πρώτες λεπτομερείς προσομοιώσεις σε υπολογιστές για τη χημεία των άστρων αυτών. Εάν είναι σωστή αυτή η θεωρία για τους φλοιούς των χημικών στοιχείων, τότε αυτή θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις πάνω στην ισχύ των κυμάτων βαρύτητας που εκπέμπουν τα άστρα, και ακολούθως θα μπορούσε να εξηγήσει και την προέλευση των θεαματικών πυρηνικών εκρήξεων που φαίνονται να δρουν πάνω στις επιφάνειές τους.

Τα άστρα νετρονίων είναι απίστευτα πυκνά κατάλοιπα των εκρήξεων των σουπερνοβών, με δισεκατομμύρια τόνους ύλης να είναι συμπυκνωμένα σε κάθε κυβικό εκατοστό στους πυρήνες τους. Οι επιστήμονες τα μελετούν σαν να είναι φυσικά εργαστήρια για να μάθουν περισσότερα για τη συμπεριφορά της ύλης κάτω από ακραίες πιέσεις και θερμοκρασίες.

Ένα άστρο νετρονίων που απορροφά υλικό από ένα συνοδό άστρο έχει ένα στερεό φλοιό από βαριά στοιχεία που 'επιπλέει' πάνω από έναν ωκεανό ελαφρύτερων στοιχείων. Περιστασιακά, ο ωκεανός αυτός εκρήγνυται με ισχυρή πυρηνική έκρηξη.

Μέσα στους πυρήνες των άστρων, η πίεση είναι τόσο μεγάλη που τα μεμονωμένα άτομα χάνονται, αφήνοντας στη θέση τους ένα πυκνό υγρό νετρονίων. Περιβάλλουν δε τον πυρήνα σαν μια κρυστάλλινη κρούστα ή φλοιό, όπου εκεί η πίεση είναι αρκετά χαμηλή έτσι ώστε να μπορούν να διατηρήσουν οι ατομικοί πυρήνες την προσωπικότητά τους.

Για μερικά άστρα νετρονίων, η κρούστα αυτή είναι το πιο ακραίο στρώμα. Όμως άλλα άστρα νετρονίων αναρροφούν αργά υλικό από ένα άλλο άστρο δίπλα τους - ένα συνοδό άστρο - και αυτό το υλικό συγκεντρώνεται πάνω από την κρούστα για να σχηματίσει έναν εξωτερικό υγρό "ωκεανό" (χαμηλού ατομικού αριθμού). Μόλις δε αυτό το υλικό στο κατώτατο σημείο του ωκεανού σταθεροποιείται κάτω από την ισχυρή πίεση, προσθέτεται ένα νέο υλικό πάνω στην στερεά κρούστα.

Οι επιστήμονες προηγουμένως υπέθεταν ότι η νέα κρούστα θα είχε την ίδια χημική σύνθεση με τον υγρό 'ωκεανό'. Αλλά μια νέα μελέτη με επικεφαλής το φυσικό Charles Horowitz του πανεπιστημίου της Ινδιάνας στο Μπλούμινγκτον, προτείνει ότι κάποια μέταλλα όπως είναι ο σίδηρος σταθεροποιείται και σχηματίζει ευκολότερα τη νέα κρούστα, αφήνοντας έτσι τα ελαφρύτερα στοιχεία, όπως το οξυγόνο στο εξωτερικό στρώμα - τον ωκεανό.

Μυστήρια συγκέντρωση

Για να καταλήξουν σε αυτό το συμπέρασμα, οι ερευνητές έκαναν ένα υπολογιστικό μοντέλο του τι θα συμβεί όταν ένα μίγμα 17 στοιχείων προστεθεί στα εξωτερικά στρώματα ενός εικονικού άστρου νετρονίων.

Ο διαχωρισμός των βαρύτερων και ελαφρύτερων στοιχείων στα αστέρια αυτά μπορεί να βοηθήσει ώστε να εξηγηθεί η προέλευση των γιγαντιαίων πυρηνικών εκρήξεων που εμφανίζονται κάθε χρόνο ή σε κάθε δύο χρόνια σε μερικά άστρα νετρονίων.

Πιστεύεται ότι μια συνεχόμενη πυρηνική αντίδραση - που περιλαμβάνει τον άνθρακα - στον εξωτερικό 'ωκεανό' θα μπορούσε να εξηγήσει τις εκρήξεις. Αλλά αυτό το γεγονός θα μπορούσε να εμφανιστεί μόνο εάν το ποσοστό του άνθρακα είναι εκεί μέσα πολύ υψηλό - μεταξύ του 10% και 20%, και οι ερευνητές δεν ήταν σε θέση να εξηγήσουν πώς θα μπορούσε ο άνθρακας να έχει τέτοια συγκέντρωση.

Αν και ο άνθρακας δεν περιλήφθηκε στο θεωρητικό τους μοντέλο, η νέα εργασία των επιστημόνων υποδεικνύει ότι θα συμπεριφερόταν σαν το οξυγόνο, το οποίο έχει ένα παρόμοιο ατομικό βάρος, και παραμένει στον εξωτερικό 'ωκεανό' του άστρου νετρονίων.

"Η βαρύτερη ουσία (στοιχείο) παγώνει, αλλά ο άνθρακας δεν θέλει να γίνει στερεός, επιθυμεί να μείνει στην υγρή κατάσταση", αναφέρει ο Horowitz. "Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει πόσος άνθρακας υπήρχε στον ωκεανό για να εκραγεί."

Κυματισμοί του χωροχρόνου

Οι χημικές στιβάδες στα άστρα νετρονίων, επίσης, μπορούν να έχουν σημαντικές επιπτώσεις για το εάν τα άστρα αυτά θα εκπέμψουν ανιχνεύσιμα κύματα βαρύτητας, τους υποθετικούς κυματισμούς του χωροχρόνου που πρέπει να ανιχνευθούν ακόμα.

Τα αντικείμενα που περιστρέφονται πολύ γρήγορα και που δεν είναι τέλεια συμμετρικά - όπως είναι τα άστρα νετρονίων με υψώματα, στις επιφάνειές τους - προβλέπονται από την θεωρία ότι ακτινοβολούν ενέργεια με τα κύματα βαρύτητας. Αλλά κανένας δεν ξέρει πόσο μεγάλα είναι αυτά τα υψώματα και επομένως πόσο ισχυρά θα είναι τα κύματα που προκύπτουν.

"Μια ερώτηση που μπορείτε να υποβάλετε είναι πόσο μεγάλο ύψωμα (σαν ένα βουνό) μπορεί να έχει ένα άστρο νετρονίων, και αυτό εξαρτάται από τι αποτελείται αυτό το ύψωμα, δηλαδή τη σύνθεσή του και την ισχύ του", λέει ο Horowitz. Ο ίδιος λέει ότι η ομάδα του ερευνά τώρα αυτό το ζήτημα χρησιμοποιώντας τα νέα αποτελέσματά τους για τη σύνθεση της κρούστας (του φλοιού) των άστρων.