Τα μάγναστρα (Magnetars)
Μέρος 3ο

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

1o, 2ο, 3ο

Η θραύση και η αναλαμπή ενός μάγναστρου

Αν και δεν αναπτύξαμε την έννοια του μάγναστρου για να εξηγήσουμε τα SGR, οι σχέσεις τους γρήγορα έγιναν αντιληπτές. Το μαγνητικό πεδίο θα μπορούσε να δράσει σαν ένα ισχυρό φρένο στην περιστροφή του μάγναστρου. Μέσα σε 5000 χρόνια ένα πεδίο των 10¹⁵ gauss θα επιβραδυνόταν ως προς τον ρυθμό περιστροφής του φτάνοντας τη μια περιστροφή ανά 8 δευτερόλεπτα, πράγμα που εξηγούσε τις διακυμάνσεις που παρατηρήθηκαν κατά την έκρηξη του Μαρτίου του 1979.

Καθώς το πεδίο εξελίσσεται, αλλάζει σχήμα και ηλεκτρικά ρεύματα οδηγούνται κατά μήκος των γραμμών έξω από το άστρο. Αυτά τα ρεύματα με τη σειρά τους γεννούν ακτίνες Χ. Συγχρόνως, καθώς το μαγνητικό πεδίο κινείται μέσω του στερεού φλοιού του μάγναστρου, κάμπτει και εκτείνει δηλαδή παραμορφώνει τον φλοιό. Η διαδικασία αυτή θερμαίνει το εσωτερικό του άστρου και συχνά θρυμματίζει τον φλοιό προκαλώντας αστρικούς σεισμούς. Η έκλυση της μαγνητικής ενέργειας που συνοδεύει ένα τέτοιο φαινόμενο δημιουργεί ένα πυκνό νέφος ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, καθώς επίσης και ένα ξαφνικό παλμό μαλακών ακτίνων γ. Αυτές οι ακτίνες γ ήταν οι ασθενέστεροι παλμοί που έδωσαν στα SGR και το όνομά τους.

Πιο σπάνια το μαγνητικό πεδίο γίνεται ασταθές και υπόκειται σε μια μεγάλης κλίμακας αναδιάταξη. Παρόμοια αλλά μικρότερης κλίμακας φαινόμενα συμβαίνουν και στον Ήλιο και οδηγούν στις ηλιακές εκλάμψεις. Ένα μάγναστρο εύκολα διαθέτει αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσει μια γιγαντιαία έκλαμψη σαν αυτή του Μαρτίου του 1979. Η θεωρία προβλέπει ότι ο πρώτο μισό δευτερόλεπτο αυτής της τρομακτικής έκλαμψης, οφειλόταν σε μια διαστελλόμενη πύρινη σφαίρα. Στα 1995 προτείναμε ότι μέρος αυτής της πύρινης σφαίρας παγιδεύτηκε από τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου και παρέμεινε κοντά στο άστρο. Αυτή η παγιδευμένη πύρινη σφαίρα, προοδευτικά συρρικνώθηκε και εξατμίστηκε, εκπέμποντας ακτίνες Χ ολόγυρα. Βασιζόμενοι στο ποσόν της ενέργειας που απελευθερώθηκε, υπολογίσαμε την ένταση του μαγνητικού πεδίου που χρειαζόταν για να συγκρατήσει την πίεση αυτής της πελώριας πύρινης σφαίρας. Πρέπει να ήταν μεγαλύτερη από 10¹⁴ gauss, πράγμα που συμφωνεί με την ένταση του πεδίου που συμπεράναμε από την επιβράδυνση του ρυθμού περιστροφής. Ένας ξεχωριστός υπολογισμός του πεδίου έγινε το 1992 από τον Bohdan Paczy ´ nski στο Princeton. Αυτός παρατήρησε ότι οι ακτίνες Χ διαφεύγουν μέσα από ένα σύννεφο ηλεκτρονίων πιο εύκολα, αν τα φορτισμένα σωματίδια είναι μέσα σε ένα πολύ έντονο μαγνητικό πεδίο. Για να είναι οι ακτίνες Χ κατά τη διάρκεια της αναλαμπής τόσο έντονες, το μαγνητικό πεδίο πρέπει να είναι ισχυρότερο από 10¹⁴ gauss.

Μπορούμε να συμπεράνουμε τη δομή ενός άστρου νετρονίων με βάση τη θεωρία για την πυρηνική ύλη. Σεισμοί στα άστρα μπορούν να συμβαίνουν στον φλοιό, που αποτελείται από ένα πλέγμα ατομικών πυρήνων και ηλεκτρονίων. Ο πυρήνας αποτελείται κυρίως από νετρόνια και ίσως κουάρκς. Μια ατμόσφαιρα θερμού πλάσματος μπορεί να εκτείνεται μόλις σε ύψος μερικών εκατοστομέτρων.

Εκείνο που κάνει τη θεωρία κάπως έωλη, είναι ότι τα πεδία είναι ισχυρότερα από το κατώφλι της ηλεκτροδυναμικής των 4. 10¹³ gauss. Σε τόσο ισχυρά πεδία, συμβαίνουν παράξενα πράγματα. Τα φωτόνια των ακτίνων Χ χωρίζονται εύκολα στα δύο ή συνενώνονται ανά δύο. Το ίδιο το κενό πολώνεται και γίνεται ισχυρά διπλοθλαστικό σαν ένα κρύσταλλο ασβεστίτη. Τα άτομα παραμορφώνονται σε επιμήκεις κυλίνδρους, λεπτότερους από το σχετικιστικό κβαντομηχανικό μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου. (Βλέπε την παρακάτω εικόνα.) Όλα αυτά τα παράξενα φαινόμενα έχουν παρατηρήσιμα επακόλουθα στα μάγναστρα. Επειδή αυτή η φυσική είναι τόσο εξωτική, η θεωρία αυτή προσέλκυσε κάμποσους ερευνητές όταν διατυπώθηκε.

Τα SGR ξαναεμφανίζονται

Καθώς αυτές οι θεωρητικές εξελίξεις ξεδιπλώνονταν αργά, οι πειραματικοί αστρονόμοι αγωνίζονταν ακόμα να δούν τα αντικείμενα που ήταν οι πηγές των αναλαμπών. Η πρώτη ευκαιρία ήρθε όταν το παρατηρητήριο Compton της ΝΑΣΑ για ακτίνες γ κατέγραψε μια αναλαμπή ακτίνων γ το βράδυ του Οκτωβρίου του 1993. Ήταν η ευκαιρία που αναζητούσε η Χρύσα Κουβελιώτου από τότε που συνεργάστηκε με την ομάδα του Compton. Η συσκευή που κατέγραψε την αναλαμπή μπορούσε να καθορίσει τη θέση της μόνο μέσα σε μια ευρύτερη περιοχή του ουρανού. Η Κουβελιώτου στράφηκε για βοήθεια στον Ιαπωνικό δορυφόρο ASCA. Ο Toshio Murakami του ινστιτούτου για την διαστημική και αστροναυτική επιστήμη της Ιαπωνίας και οι συνεργάτες του, σύντομα ανακάλυψαν μια πηγή ακτίνων Χ στην ίδια περιοχή του ουρανού. Η πηγή έμοιαζε σταθερή ως προς την ακτινοβολία και ξαφνικά έδωσε και άλλη αναλαμπή, αποδεικνύοντας ότι ήταν πράγματι ένα SGR. Το ίδιο αντικείμενο είχε πρωτογίνει αντιληπτό στα 1979 και βασισμένοι στις κατά προσέγγιση ουράνιες συντεταγμένες του είχε καταχωριστεί ως SGR 1806-20. Τώρα η θέση του καθορίστηκε με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια, και μπορούσε να παρατηρηθεί στις διάφορες συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Το επόμενο άλμα έγινε στα 1995, όταν η NASA εκτόξευσε τον δορυφόρο Rossi έναν ανιχνευτή ακτίνων Χ εξαιρετικά ευαίσθητο στις μεταβολές της έντασης των ακτίνων Χ. Χρησιμοποιώντας αυτό το όργανο, η Κουβελιώτου βρήκε ότι οι εκπομπές από το SGR 1806-20 ταλαντώνονταν με μια περίοδο 7,47 δευτερόλεπτα, εκπληκτικά κοντά στα 8 δευτερόλεπτα της περιοδικότητας που παρατηρήθηκε κατά την αναλαμπή του Μαρτίου του 1979 από το SGR 0526-66. Κατά τα επόμενα 5 χρόνια το SGR επιβραδύνθηκε σχεδόν κατά 2 μέρη στα 1000. Αν και η επιβράδυνση μπορεί να μοιάζει μικρή, είναι πιο μεγάλη από αυτές που συμβαίνουν στα γνωστά ράδιο-πάλσαρς, και υποδεικνύει ένα μαγνητικό πεδίο της τάξης των 1015 gauss. Περισσότερο ολοκληρωμένα τεστς του μοντέλου για τα μάγναστρα, θα απαιτούσε μια δεύτερη γιγάντια έκλαμψη. Ευτυχώς οι ουρανοί σύντομα μας την έδωσαν.

Νωρίς το πρωί της 27ης Αυγούστου 1998, κάπου 19 χρόνια από τότε που παρατηρήθηκε η γιγαντιαία έκλαμψη με την οποία ξεκίνησε η αστρονομία των SGR, ένα ακόμα πιο ισχυρό κύμα ακτίνων γ και ακτίνων Χ έφτασε στη Γη από τα βάθη του διαστήματος. Τερμάτισε τις κλίμακες των μετρητών σε 7 επιστημονικές διαστημικές συσκευές. Μια συσκευή της NASA που μελετούσε έναν κομήτη αναγκάστηκε να τεθεί εκτός λειτουργίας για λόγους προστασίας. Οι ακτίνες γ χτύπησαν τη Γη στο νυχτερινό ημισφαίριο και η πηγή ήταν στο ζενίθ πάνω από τη μέση του Ειρηνικού ωκεανού.

Εκείνη την ώρα ο ηλεκτρολόγος μηχανικός Umran S. Inan και οι συνεργάτες του στο Stanford συνέλεγαν στοιχεία για τη διάδοση ραδιοκυμάτων πολύ μικρών συχνοτήτων γύρω από τη Γη. Αυτοί παρατήρησαν μια ξαφνική μεταβολή στην ανώτερη ιονόσφαιρα. Το εσωτερικό όριο της ιονόσφαιρας μετατοπίστηκε από τα 85 στα 60 χιλιόμετρα για 5 λεπτά. Ήταν μη αναμενόμενο. Το φαινόμενο αυτό προκλήθηκε στον πλανήτη μας από ένα αστέρι νετρονίων του γαλαξία μας, 20.000 έτη φωτός μακριά μας.

Και άλλο μαγνητο-θαύμα

Η έκλαμψη αυτή ήταν σχεδόν πανομοιότυπη με εκείνη του Μαρτίου του 1979. Είχε μόνο το 1/10 της ισχύος της, αλλά επειδή η πηγή ήταν κοντύτερα προς τη Γη, παραμένει η ισχυρότερη έκλαμψη ακτίνων γ που έχει ανιχνευτεί και προέρχεται από πηγή έξω από το ηλιακό μας σύστημα. Κατά τις τελευταίες εκατοντάδες δευτερολέπτων της έκλαμψης, υπήρχαν συνεχείς διακυμάνσεις της ακτινοβολίας με περίοδο 5,16 sec.

1. Τον περισσότερο χρόνο το μάγναστρο παραμένει ήρεμο. Οι μαγνητικές τάσεις όμως αρχίζουν να συσσωρεύονται αργά.
2. Σε κάποιο σημείο ο στερεός φλοιός τείνεται πέρα από τα όριά του. Θραύεται, πιθανόν σε πολλά μικρά κομμάτια.
3. Ο αστρικός σεισμός δημιουργεί ένα ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο καθώς σβήνει αφήνει πίσω του μια πολύ θερμή πύρινη σφαίρα.
4. Η πύρινη σφαίρα ψύχεται, ελευθερώνοντας ακτίνες Χ από την επιφάνεια. Εξαφανίζεται, εξατμιζόμενη μέσα σε λίγα λεπτά.

Η Κουβελιώτου και η ομάδα της μέτρησαν την ελάττωση του ρυθμού περιστροφής του άστρου με τον δορυφόρο RXTE. Επιβραδυνόταν με ένα ρυθμό συγκρίσιμο με εκείνον του SGR 1806-20, υποδεικνύοντας ένα εξίσου ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Άλλο ένα SGR είχε βρει τη θέση του στο στερέωμα των μάγναστρων. Αφού βρέθηκαν οι ακριβείς θέσεις των SGR από τις ακτίνες Χ, μπορέσαμε να τα μελετήσουμε και με τη χρήση ραδιοτηλεσκοπίων και υπέρυθρων τηλεσκοπίων, όχι όμως και στο ορατό φως αφού αυτό απορροφάται από την μεσοαστρική σκόνη. Η εργασία αυτή ξεκίνησε από πολλούς αστρονόμους, κυρίως από τους Dale Frail του Εθνικού Αμερικανικού Ραδιο-παρατηρητηρίου και Shri Kulkarni του Caltech.

Άλλες παρατηρήσεις έδειξαν ότι και τα 4 πιστοποιημένα SGR συνεχίζουν να ελευθερώνουν ενέργεια, αν και αξασθενημένα, ακόμη και μεταξύ των αναλαμπών. Το "εξασθενημένα" είναι σχετικό αφού αυτή η ακτινοβολία των ακτίνων Χ αντιπροσωπεύει 10 ως 100 φορές περισσότερη ισχύ από όση ισχύ ακτινοβολεί ο Ήλιος στο ορατό φως. Ως τώρα μπορεί να πει κανείς ότι τα μαγνητικά πεδία των μάγναστρων έχουν μετρηθεί καλύτερα από τα μαγνητικά πεδία των πάλσαρς. Σε μεμονωμένα πάλσαρς, σχεδόν η μόνη ένδειξη για μαγνητικά πεδία της τάξης των 10¹² gauss προέρχεται από τον ρυθμό ελάττωσης της στροφορμής τους. Αντίθετα, ο συνδυασμός της γρήγορης ελάττωσης του σπιν και η λαμπρότητα των εκλάμψεων των ακτίνων Χ μας δίνουν αρκετά ανεξάρτητα επιχειρήματα για πεδία της τάξης των 10¹⁴ έως 10¹⁵ gauss στα μάγναστρα. Πρόσφατα ο Alaa Ibrahim του Διαστημικού Κέντρου Πτήσεων Goddard της NASA έχουν αναφέρει και άλλη ανεξάρτητη ένδειξη για τα πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία των μάγναστρων. Συγκεκριμένα, οι φασματικές γραμμές των ακτίνων Χ δείχνουν να προέρχονται από πρωτόνια περιστρεφόμενα σε μαγνητικά πεδία 10¹⁵ gauss.

Ένα ενδιαφέρον ζήτημα είναι αν τα μάγναστρα σχετίζονται με κοσμικά φαινόμενα εκτός των SGR. Για παράδειγμα, η μικρότερη διάρκεια των αναλαμπών κάποιων άλλων ακτίνων Χ που παρατηρήθηκαν, πρέπει να εξηγηθεί πειστικά. Τουλάχιστον κάποιες από αυτές θα μπορούσαν να είναι εκλάμψεις μάγναστρων από άλλους γαλαξίες. Όταν παρατηρούμε από μεγάλη απόσταση, ακόμη και μια γιγαντιαία έκλαμψη θα ήταν κοντά στο όριο της ευαισθησίας των τηλεσκοπίων. Μόνο ο σύντομος, παλμός σκληρών ακτίνων γ μεγάλης έντασης, κατά την έναρξη της έκλαμψης θα μπορούσε να ανιχνευτεί, κι έτσι τα τηλεσκόπια θα την κατέγραφαν ως GRB. Οι Thompson και Duncan πρότειναν στα μέσα της δεκαετίας του 1990 ότι τα μάγναστρα θα μπορούσαν να εξηγήσουν τα πάλσαρς με ανώμαλες ακτίνες Χ, μια τάξη αντικειμένων τα οποία μοιάζουν με τα SGR κατά πολλούς τρόπους. Η μόνη δυσκολία με την ιδέα αυτή ήταν ότι τα AXP δεν είχαν παρατηρηθεί να εκρήγνυνται. Πρόσφατα πάλι, οι Victoria M. Kaspi και ο Φώτης Γαβριήλ του πανεπιστημίου McGill και ο Peter M. Woods του Εθνικού Κέντρου Διαστήματος και Τεχνολογίας στο Huntsville, ανίχνευσαν εκλάμψεις από δύο εκ των 7 γνωσςτών AXP. Ένα από αυτά τα αντικείμενα σχετίζεται με ένα νεαρό σούπερ-νόβα στον αστερισμό της Κασσιόπης. Ένα άλλο AXP στην Κασσιόπη είναι το πρώτο υποψήφιο μάγναστρο που έχει ανιχνευτεί στο ορατό φως. Οι Ferdi Hulleman και Marten van Kerkwijk του πανεπιστημίου της Ουτρέχτης στην Ολλανδία, συνεργαζόμενοι με τον Kulkarni, το εντόπισαν πριν από τρία χρόνια και οι Brian Kern και Christopher Martin του Caltech, έχουν από τότε καταγράψει την λαμπρότητά του στο ορατό φως. Αν και εξαιρετικά αμυδρό, το ΑΧΡ αυτό σβήνει και αναζωπυρώνεται με μια περίοδο στις ακτίνες Χ σαν αυτή των άστρων νετρονίων. Οι παρατηρήσεις αυτές υποστηρίζουν την ιδέα ότι πρόκειται πράγματι για ένα μάγναστρο.

Η κύρια εναλλακτική ιδέα, ότι τα ΑΧΡ είναι συνηθισμένα άστρα νετρονίων που περιβάλλονται από δίσκους ύλης, προβλέπει επίσης σημαντική ορατή και υπέρυθρη ακτινοβολία με μικρή παλμικότητα.

Στο φως των νεότερων αυτών ανακαλύψεων και με τη φαινομενική σίγαση της πηγής στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου για παραπάνω από 20 χρόνια, φαίνεται ότι τα μάγναστρα μπορούν να αλλάζουν τα "ενδύματά τους". Μπορούν να παραμένουν ήρεμα για χρόνια, ακόμη και για δεκαετίες, πριν να εμφανίσουν ξαφνικές περιόδους ακραίας δραστηριότητας. Μερικοί αστρονόμοι ισχυρίζονται ότι τα ΑΧΠ είναι νεώτερα κατά μέσον όρο από τα SGR αλλά αυτό είναι ακόμη υπό αμφισβήτηση. Αν τόσο τα SGR όσο και τα ΑΧΡ είναι μάγναστρα, τότε τα μάγναστρα αποτελούν εύλογα ένα μεγάλο ποσοστό των άστρων νετρονίων.

Η ιστορία των μάγναστρων μας θυμίζει πόσα έχουμε ακόμη να μάθουμε για το σύμπαν. Μέχρι τώρα, έχουμε ασχοληθεί μόλις με λίγα μάγναστρα ανάμεσα στα αναρίθμητα άστρα. Μας αποκαλύπτονται για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, με φως που μόνο τα πιο εξεζητημένα τηλεσκόπια μπορούν να ανιχνεύσουν. Μέσα σε 10.000 χρόνια, τα μαγνητικά τους πεδία παγώνουν και σταματούν να εκπέμπουν έντονες ακτίνες Χ. έτσι αυτά τα λίγα μάγναστρα προδίνουν την ύπαρξη περισσότερων από 1 εκατομμύριο και ίσως πάνω από 100 εκατομμύρια άλλων αντικειμένων που είναι παλιά μάγναστρα τα οποία έπαψαν εδώ και πολύ καιρό να ακτινοβολούν. Εξασθενημένα και νεκρά αυτά τα παράξενα αντικείμενα περιφέρονται στον μεσοαστρικό χώρο. Πόσα άλλα φαινόμενα τόσο σπάνια, περίεργα αλλά και θελκτικά τα οποία δεν έχουν αναγνωριστεί ακόμα βρίσκονται εκεί έξω;