Τα μάγναστρα (Magnetars)
Μέρος 1ο

Άρθρο της Χρύσας Κυβελιώτου, Robert Duncan και Christopher Thomson από το Scientific American, Μάρτιος 2005

1o, 2ο, 3ο

Μερικά άστρα έχουν τόσο έντονα μαγνητικά πεδία ώστε εκπέμπουν τόσο τεράστια ποσά μαγνητικής ενέργειας υπό μορφή παλμών και μεταβάλλουν την ίδια τη φύση του κβαντικού κενού.

Στις 5 Μαρτίου του 1979, αρκετούς μήνες μετά την κάθοδο αισθητήρων στην τοξική ατμόσφαιρα της Αφροδίτης, δύο Σοβιετικά διαστημικά οχήματα, τα Venera 11 και 12, κινούνταν σε ελλειπτικές τροχιές στο εσωτερικό μέρος του ηλιακού συστήματος. Επρόκειτο για μια πορεία ρουτίνας. Οι ενδείξεις ακτινοβολίας στα όργανα ελέγχου και των δύο αισθητήρων κυμαίνονταν γύρω στις 100 μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο. Αλλά κάποια στιγμή τα χτύπησε ένας παλμός ακτίνων γ. Σε κλάσμα του millisecond, το επίπεδο ακτινοβολίας στους μετρητές ξεπέρασε τις 200.000 μετρήσεις ανά sec. και γρήγορα βγήκε εκτός κλίμακας. 11 δευτερόλεπτα αργότερα, οι ακτίνες γ σάρωσαν τη συσκευή Helios 2 της NASA, που βρισκόταν σε τροχιά γύρω από τον ήλιο. Ένα επίπεδο μέτωπο κύματος ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας, σάρωνε το ηλιακό σύστημα. Σύντομα έφτασε στην Αφροδίτη και μπλόκαρε τους ανιχνευτές του Pioneer. Μέσα σε δευτερόλεπτα οι ακτίνες γ έφτασαν και στη Γη. Οι ανιχνευτές τριών Αμερικανικών στρατιωτικών δορυφόρων Vela, του Σοβιετικού δορυφόρου Prognoz 7, και του παρατηρητηρίου Einstein βγήκαν εκτός κλίμακας από υπερχείλιση. Τελικά, στην πορεία του προς την έξοδο του ηλιακού συστήματος το κύμα κατέκλυσε επίσης και τον διεθνή διαστημικό σταθμό μελέτης του συστήματος Ηλίου-Γης. Ο παλμός ακτίνων γ υψηλής ενέργειας, ήταν 100 φορές εντονότερος από κάθε άλλη έκρηξη ακτίνων γ που είχε ανιχνευτεί στο παρελθόν ότι προέρχεται πέρα από το ηλιακό σύστημα, και διήρκεσε ακριβώς 2 δέκατα του δευτερολέπτου. Εκείνη την εποχή κανείς δεν έδωσε σημασία. Η ζωή συνέχισε ήρεμα το ρυθμό της κάτω από την προστασία της ατμόσφαιράς μας. Ευτυχώς και τα 10 διαστημικά οχήματα διασώθηκαν από μόνιμες βλάβες. Ο σκληρός παλμός ακολουθήθηκε από μια ασθενέστερη λάμψη ακτίνων γ χαμηλότερης (μαλακής) ενέργειας, όπως και από ακτίνες Χ, οι οποία σταδιακά έσβησε και αυτή μέσα σε 3 λεπτά. Καθώς έσβηνε, το σήμα ταλαντωνόταν ελαφρά, με μια περίοδο 8 δευτερολέπτων. 14,5 ώρες αργότερα, στις 6 Μαρτίου ένας άλλος πιο ασθενικός παλμός ακτίνων Χ ήρθε από το ίδιο σημείο του ουρανού.

Κατά τα επόμενα 4 χρόνια, ο Evgeny P. Mazets του ινστιτούτου Ioffe στην Αγία Πετρούπολη, της Ρωσίας και οι συνεργάτες του, ανίχνευσαν ακόμη 16 παλμούς προερχόμενους από την ίδια κατεύθυνση. Οι παλμοί αυτοί είχαν διάφορες εντάσεις, αλλά όλοι ήταν ασθενέστεροι και βραχύτερης διάρκειας από τον παλμό της 5ης Μαρτίου. Οι αστρονόμοι δεν είχαν δει ποτέ στο παρελθόν κάτι τέτοιο. Αρχικά κατέγραψαν σε καταλόγους τους παλμούς αυτούς μαζί με όλες τις εκλάμψεις ακτίνων γ (κατάλογοι GRB), αν και οι διάφοροι παλμοί ακτίνων γ είχαν σημαντικές διαφορές μεταξύ τους. Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, ο Kevin C. Hurley του πανεπιστημίου της California στο Berkeley, αναγνώρισε ότι παρόμοια ξεσπάσματα έρχονταν και από άλλες δύο περιοχές του ουρανού. Προφανώς οι παλμοί των περιοχών αυτών επαναλαμβάνονταν, σε αντίθεση με τους GRB οι οποίοι συνέβαιναν μόνο μια φορά. Τον Ιούλιο του 1986, σ' ένα συνέδριο στην Τουλούζη της Γαλλίας, οι αστρονόμοι συμφώνησαν για τις θέσεις απ' όπου προέρχονταν οι επαναλαμβανόμενοι παλμοί και τις ονόμασαν, πηγές επαναλαμβανόμενων μαλακών ακτίνων γ (SGR). Η σούπα με το αλφάβητο της αστρονομίας είχε αποκτήσει μερικά ακόμα συστατικά. Πέρασαν άλλα 7 χρόνια και οι Duncan and Thompson επινόησαν μια εξήγηση γι αυτά τα παράξενα αντικείμενα, και μόνο το 1998 η Χρύσα Κουβελιώτου και η ομάδα της βρήκε πειστικές ενδείξεις για τις εξηγήσεις αυτές. Οι πρόσφατες παρατηρήσεις συνδέουν την θεωρία αυτή με μια άλλη ομάδα αστρονομικών αινιγμάτων, που είναι γνωστά σαν ανώμαλα πάλσαρς ακτίνων Χ (ΑΧΡ). Οι εξελίξεις αυτές οδήγησαν σε μια ριζοσπαστική ανανέωση της κατανόησής μας για ένα από τα πιο εξωτικά μέλη του ουράνιου βεστιαρίου, το άστρο νετρονίου. Τα άστρα νετρονίων είναι τα πιο πυκνά υλικά αντικείμενα που είναι γνωστά. Μέσα τους συμπυκνώνονται μάζες λίγο μεγαλύτερες από του Ήλιου, σε σφαίρες διαμέτρου μόλις 20 χιλιομέτρων. Σύμφωνα με τη μελέτη των SGR, φαίνεται ότι κάποια άστρα νετρονίων έχουν μαγνητικά πεδία τόσο έντονα, ώστε αλλάζουν ριζικά την ύλη στο εσωτερικό τους, καθώς επίσης και την κατάσταση του κβαντικού κενού που τα περιβάλλει, και οδηγούνται σε φυσικά φαινόμενα που δεν παρατηρούνται πουθενά αλλού στο Σύμπαν.

Σύνοψη για άστρα με εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία

■ Οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει λίγα άστρα με εκλάμψεις ακτίνων γ, εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες από κάθε άλλη επαναλαμβανόμενη πηγή ακτίνων γ του σύμπαντος. Οι τεράστιες ενέργειες και τα σήματα παλμών που εκπέμπονται, δείχνουν ότι πρόκειται για τα δεύτερα πιο ακραία σώματα στο σύμπαν, μετά τις μαύρες τρύπες: τα άστρα νετρονίων.

■ Αυτά τα άστρα νετρονίων έχουν τα πιο ισχυρά μαγνητικά πεδία που μετρήθηκαν ποτέ, και γι αυτό λέγονται και μάγναστρα (magnetars). Για τις εκλάμψεις τους θεωρούνται υπεύθυνες, μαγνητικές αστάθειες ανάλογες με τους γήινους σεισμούς.

■ Τα μάγναστρα παραμένουν ενεργά μόνο για περίπου 10.000 χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι εκατομμύρια από αυτά περνούν απαρατήρητα στο γαλαξία μας.

Υποτίθεται ότι κάτι τέτοιο δεν έπρεπε να συμβαίνει

Επειδή η έκρηξη του Μαρτίου του 1979 ήταν τόσο λαμπρή, οι θεωρητικοί εκείνη την εποχή πίστεψαν ότι η έκρηξη συνέβη στη περιοχή του γαλαξία μας, το πολύ μερικές εκατοντάδες έτη φωτός από τη Γη. Αν αυτό ήταν σωστό, η ένταση των ακτίνων Χ και των ακτίνων γ, θα ήταν λίγο μικρότερη από τη θεωρητική μέγιστη σταθερή λαμπρότητα που μπορεί να εκπέμψει ένα άστρο. Το μέγιστο αυτό υπολογίστηκε πρώτα από τον Άγγλο αστροφυσικό Arthur Eddington το 1926, και υπεισέρχεται από τη δύναμη της ακτινοβολίας που ρέει μέσω των θερμών εξωτερικών στρωμάτων ενός άστρου. Εάν η ακτινοβολία έχει μεγαλύτερη ένταση, θα ξεπεράσει τη βαρύτητα, και θα εκσφενδονίσει ιονισμένη ύλη και θα αποσταθεροποιήσει το άστρο. Η εκπομπή λοιπόν κάτω από το όριο του Eddington, θα μπορούσε να εξηγηθεί εύκολα. Για παράδειγμα, πολλοί θεωρητικοί πρότειναν ότι η έκρηξη προκλήθηκε από τη σύγκρουση ενός μεγάλου κομματιού ύλης, όπως λ.χ. ενός αστεροειδή ή ενός κομήτη, με ένα κοντινό άστρο νετρονίων.

Οι παρατηρήσεις όμως συγκρούονταν με την υπόθεση αυτή. Κάθε διαστημική συσκευή είχε καταγράψει το χρόνο άφιξης του αρχικού σκληρού παλμού. Αυτά τα δεδομένα επέτρεψαν στους αστρονόμους υπό την καθοδήγηση του Thomas Lytton Cline του διαστημικού κέντρου Goddard της ΝASA, να βρουν με τριγωνομετρική μέθοδο την πηγή προέλευσης των ακτίνων. Οι ερευνητές βρήκαν ότι η θέση συνέπιπτε με το μεγάλο νέφος του Μαγγελάνου, ένα μικρό γαλαξία περίπου 170.000 έτη φωτός μακριά. Πιο συγκεκριμένα, η θέση του αντικειμένου ταίριαζε με τα υπολείμματα ενός νεαρού σούπερ-νόβα, τα λαμπρά υπολείμματα ενός άστρου που εξερράγη 5.000 χρόνια πριν. Αν δεν επρόκειτο για μια σύμπτωση, οι υπολογισμοί τοποθετούσαν την πηγή περίπου 1000 φορές πιο μακριά απ' ότι σκέφτονταν οι θεωρητικοί, κι έτσι την έκαναν 1 εκατομμύριο φορές λαμπρότερη από το όριο του Eddington. Μέσα σε 0,2 sec, το φαινόμενο του Μαρτίου του 1979, ελευθέρωσε τόση πολλή ενέργεια, όση ακτινοβολεί ο ήλιος σε 10.000 περίπου χρόνια, και η ακτινοβολία αυτή είναι συγκεντρωμένη στην περιοχή των ακτίνων γ, αντί να διαχέεται σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.

Κανένα συνηθισμένο άστρο δεν θα μπορούσε να εκπέμψει τόση ενέργεια, έτσι η πηγή θα έπρεπε να είναι ένα πολύ ασυνήθιστο αντικείμενο, είτε μια μαύρη τρύπα είτε ένα άστρο νετρονίων. Η πρώτη επιλογή αποκλειόταν γιατί η ακτινοβολία εμφάνιζε μια διαμόρφωση 8 δευτερολέπτων. Μια μαύρη τρύπα είναι ένα αντικείμενο χωρίς χαρακτηριστικά, το οποίο δεν έχει τη δομή που χρειάζεται για να παράγει κανονικούς παλμούς. Ο συσχετισμός με τα υπολείμματα του σούπερ- νόβα ενίσχυσε ακόμα παραπέρα την περίπτωση του αστέρα νετρονίων. Τα άστρα νετρονίων πιστεύεται ότι σχηματίζονται όταν ο πυρήνας ενός άστρου μεγάλης μάζας μεν, αλλά κατά τα άλλα συνηθισμένης υφής, εξαντλεί τα πυρηνικά του καύσιμα και καταρρέει απότομα κάτω από τη βαρύτητά του, και δίνεται έτσι το έναυσμα για μια έκρηξη σούπερ-νόβα. Η ταυτοποίηση της πηγής με ένα άστρο νετρονίων δεν έλυνε το αίνιγμα. Αντίθετα, βάθαινε το μυστήριο. Οι αστρονόμοι ήξεραν αρκετά παραδείγματα αστέρων νετρονίων που βρίσκονταν μέσα στα υπολείμματα κάποιων σούπερ-νόβα. Αυτά τα άστρα ήταν ράδιο-πάλσαρς. αντικείμενα δηλαδή που εκπέμπουν ρυθμικά ραδιοκύματα. Η πηγή της έκρηξης του Μαρτίου του 1979 με μια φαινόμενη περίοδο περιστροφής 8 δευτερολέπτων, περιστρεφόταν πολύ πιο αργά από κάθε ράδιο-πάλσαρ που ήταν γνωστό. Ακόμα και όταν δεν ήταν σε φάση έκρηξης, το αντικείμενο εξέπεμπε μια σταθερή λάμψη ακτίνων Χ, με περισσότερη ισχύ απ' όση μπορούσε να δικαιολογηθεί με την περιστροφή ενός άστρου νετρονίων. Κατά παράξενο τρόπο, το άστρο μετατοπιζόταν σημαντικά από το κέντρο των υπολειμμάτων του σούπερ-νόβα. Αν είχε δημιουργηθεί στο κέντρο, όπως ήταν πιθανό, τότε θα έπρεπε να είχε ανακρουσθεί με μια ταχύτητα περίπου 1000 χιλμ/δευτερόλεπτο κατά τη γέννησή του. Τόσο μεγάλη ταχύτητα θεωρήθηκε ασυνήθης για άστρο νετρονίων. Τελικά οι αναλαμπές έμοιαζαν ανεξήγητες. Κάποιες αναλαμπές ακτίνων Χ είχαν προηγουμένως ανιχνευτεί ότι προέρχονταν από κάποια άστρα νετρονίων, αλλά δεν υπερέβησαν ποτέ το όριο του Eddington κατά πολύ. Οι αστρονόμοι απέδιδαν αυτές τις αναλαμπές στη θερμοπυρηνική σύντηξη του υδρογόνου ή του ηλίου ή στην απότομη συγκέντρωση ύλης επί του άστρου. Η λαμπρότητα όμως των εκρήξεων SGR ήταν άνευ προηγουμένου, έτσι λοιπόν φαινόταν να απαιτείται ένας νέος φυσικός μηχανισμός για την ερμηνεία τους.

1o, 2ο, 3ο

Αναφορές:

Formation of Very Strongly Magnetized Neutron Stars: Implications for Gamma-Ray Bursts. Robert C. Duncan and Christopher Thompson in Astronomical Journal, Vol. 392, No. 1, pages L9–L13; June 10, 1992. Available at makeashorterlink.com/?B16A425A2

An X-ray Pulsar with a Superstrong Magnetic Field in the Soft Gamma-Ray Repeater SGR1806–20. C. Kouveliotou, S. Dieters, T. Strohmayer,J. Von Paradijs, G. J. Fishman, C. A. Meegan, K. Hurley, J. Kommers, I. Smith, D. Frail and T. Murakami in Nature, Vol. 393, pages 235–237; May 21, 1998.

The Life of a Neutron Star. Joshua N. Winn in Sky & Telescope, Vol. 98, No. 1, pages 30–38; July 1999.

Physics in Ultra-strong Magnetic Fields. Robert C. Duncan. Fifth Huntsville Gamma-Ray Burst Symposium, February 23, 2002. Available at arXiv.org/abs/astro-ph/0002442

Flash! The Hunt for the Biggest Explosions in the Universe. Govert Schilling. Cambridge University Press, 2002.

Περισσότερες πληροφορίες μπορούν να βρεθούν στην ιστοσελίδα του Robert C. Duncan: solomon.as.utexas.edu/magnetar.html