ΑΣΤΕΡΕΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

ΜΑΘΗΤΕΣ

ΝΕΚΤΑΡΙΟΣ ΑΡΤΣΑΝΟΣΝΙΚΟΣ ΚΑΤΣΙΚΑΔΑΚΟΣ

ΕΥΑΓΓΕΛΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΣΜΥΡΝΗΣΣΧΟΛΙΚΟ ΕΤΟΣ 2011-2012

ΤΙ ΕΝΑΙ ΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ

Aστέρας νετρονίων ονομάζεται η μία από τις τρεις μορφές των μόνιμων τελικών υπολειμμάτων της εξελίξεως ενός αστέρα: είναι το ένα είδος «αστρικού πτώματος» (τα άλλα δύο είναι ο λευκός νάνος και η μαύρη τρύπα. Ο αστέρας νετρονίων σχηματίζεται από τη βαρυτική κατάρρευση ενός αστέρα μεγάλης μάζας μετά μία έκρηξη υπερκαινοφανούς τύπου II, και ίσως τύπων Ia και Ib. Οι αστέρες νετρονίων είναι πολύ μικροί για να ανιχνεύονται στον ουρανό ως άστρα, αλλά βρέθηκε ότι οι θεωρητικές τους ιδιότητες αντιστοιχούν με τις παρατηρούμενες ιδιότητες των ραδιοπηγών πάλσαρ, που ανακάλυψαν οι ραδιοαστρονόμοι το 1967, και έκτοτε ταυτίσθηκαν με αυτές. Σε σχέση με τους λευκούς νάνους, οι αστέρες νετρονίων είναι πολύ πιο «εξωτικά» ουράνια σώματα, όπως φαίνεται από τα ακόλουθα ποσοτικά τους χαρακτηριστικά.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΑΣΤΕΡΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝΟ μέσος αστέρας νετρονίων έχει μάζα ανάμεσα σε 1,35 και 2,1 ηλιακές μάζες, αλλά η ακτίνα του κυμαίνεται από 10 ως 20 χιλιόμετρα(όπως και οι λευκοί νάνοι, οι αστέρες νετρονίων συρρικνώνονται όταν αυξάνεται η μάζα τους). Επομένως ο όγκος του είναι τρισεκατομμύρια φορές μικρότερος από τον ηλιακό και άρα η μέση πυκνότητα της ύλης του κυμαίνεται από 8×1013 ως 2×1015 γραμμάρια ανά κυβ. εκατοστό. Αυτή είναι η τάξη μεγέθους της πυκνότητας της ύλης μέσα στους πυρήνες των ατόμων, και αυτό πραγματικά συμβαίνει στο εσωτερικό του αστέρα νετρονίων: πρωτόνια και νετρόνια βρίσκονται σε επαφή, όλο το ουράνιο σώμα μπορεί να θεωρηθεί ένας τεράστιος ατομικός πυρήνας και εξαιτίας των νόμων των υποατομικών σωματίων τα περισσότερα ηλεκτρόνια ενώνονται με τα πρωτόνια και μετατρέπονται σε νετρόνια, από όπου και το όνομα των «αστέρων νετρονίων».Εξ άλλου, καθώς οι κεντρικές περιοχές ενός αστέρα μεγάλης μάζας συμπιέζονται σε μία έκρηξη υπερκαινοφανούς, και καταρρέουν βαρυτικά σε αστέρα νετρονίων, διατηρούν όλη σχεδόν τη στροφορμή τους με βάση την Αρχή Διατηρήσεως της Στροφορμής. Επειδή η τελική διάμετρος είναι πάρα πολύ μικρή, η γωνιακή ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται ο αστέρας νετρονίων είναι εξαιρετικά υψηλή, φθάνοντας τις δεκάδες περιστροφές το δευτερόλεπτο. Παρόμοια ιλιγγιώδης είναι και η ένταση του βαρυτικού πεδίου στην επιφάνειά του, 200 δισεκατομμύρια ως 3 τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερη από αυτή στην επιφάνεια της Γης. Μέτρο αυτής της βαρύτητας είναι και η ταχύτητα διαφυγής, το μισό περίπου της ταχύτητας του φωτός. Τέλος, επειδή και το μαγνητικό πεδίο «παγώνει» μέσα στην ιονισμένη ύλη καθώς αυτή καταρρέει, η μαγνητική επαγωγή του στην επιφάνεια φθάνει τα 100 εκατομμύρια Τέσλα, δηλαδή περίπου 5 τρισεκατομμύρια φορές αυτή του γηίνου μαγνητικού πεδίου, αν και σε μία ειδική κατηγορία μπορεί να φθάσει και το χιλιαπλάσιο αυτού.

ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑΤο 1932 ο Τζέιμς Τσάντγουικ ανακάλυψε το νετρόνιο ως στοιχειώδες σωμάτιο. Το 1933 οι Βάλτερ Μπάαντε και Φριτς Τσβίκυ πρότειναν για πρώτη φορά την ύπαρξη των αστέρων νετρονίων: Αναζητώντας μια εξήγηση για τις εκρήξεις υπερκαινοφανών, πρότειναν ότι ένα τέτοιο σώμα σχηματίζεται τότε, ισχυριζόμενοι ορθώς ότι η απελευθέρωση της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας επαρκεί για να τροφοδοτήσει με ενέργεια μια τέτοια μεγαλειώδη έκρηξη. Πράγματι, αν τα εσωτερικά στρώματα αστέρα μεγάλης μάζας αμέσως πριν τη βαρυτική κατάρρευση περιέχουν (π.χ.) 3 ηλιακές μάζες, τότε μπορεί να δημιουργηθεί αστέρας νετρονίων μάζας 2 ηλιακών μαζών. Η υπόλοιπη μάζα αντιστοιχεί στη βαρυτική ενέργεια με βάση την περίφημη σχέση E = mc² και «ξοδεύτηκε» ως ενέργεια της εκρήξεως.Το 1967, η Τζόσελιν Μπελ ανακάλυψε το πρώτο πάλσαρ και από τότε χρειάσθηκαν λίγα μόνο χρόνια ώσπου να ερμηνευθεί ως μεμονωμένος, ταχέως περιστρεφόμενος, αστέρας νετρονίων. Η πηγή της ενέργειας των παλμών ραδιοκυμάτων ενός πάλσαρ είναι η κινητική ενέργεια περιστροφής του αστέρα νετρονίων, τουλάχιστον στις περισσότερες περιπτώσεις. Το 1971οι Riccardo Giacconi, Herbert Gursky, Ed Kellogg, R. Levinson, E. Schreier και H. Tananbaum ανακάλυψαν παρόμοιας συχνότητας παλμούς (ένας ανά 4,8 δευτερόλεπτα) σε πηγή ακτίνων X στον αστερισμό Κένταυρο, την Cen X-3. Την ερμήνευσαν ως προερχόμενη από υπέρθερμο αστέρα νετρονίων. Η πηγή της ενέργειας εδώ είναι βαρυτική, αποτέλεσμα της προσπτώσεως νέας ύλης πάνω στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων από ένα συνοδό αστέρα ή από τον διαστρικό χώρο.

ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ ΤΟΥΣ

Η σημερινή κατανόηση της δομής των αστέρων νετρονίων στηρίζεται σε μαθηματικά πρότυπα (μοντέλα) Θεωρητικής Φυσικής, αφού είναι απολύτως αδύνατο να διεξαχθεί ανάλογο πείραμα πάνω στη Γη. Η ύλη στην επιφάνεια του αστέρα θα πρέπει να αποτελείται από συνηθισμένους πυρήνες διάφορων στοιχείων και ηλεκτρόνια. Η ατμόσφαιρα του αστέρα (αν μπορεί να αποκληθεί έτσι) έχει πάχος περίπου ενός μέτρου και εφάπτεται σε ένα στερεό «φλοιό». Προχωρώντας προς το εσωτερικό, συναντάμε πυρήνες με μεγάλους αριθμούς νετρονίων και πέρα από ένα σημείο (αποκαλούμενο "neutron drip") και ελεύθερα νετρόνια. Πάνω στη Γη ένα ελεύθερο νετρόνιο είναι ασταθές σωμάτιο και διασπάται κατά μέσο όρο σε μερικά λεπτά της ώρας σε 1 πρωτόνιο και 1 ηλεκτρόνιο. Μόνο όταν βρίσκεται μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου είναι σταθερό. Το ίδιο συμβαίνει και στο άστρο νετρονίων, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ολόκληρο ως ένας γιγαντιαίος ατομικός πυρήνας. Τα νετρόνια, όπως και τα πρωτόνια με τα ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια, δηλαδή σωμάτια που υπακούουν στην Απαγορευτική Αρχή, εμποδιζόμενα να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση στον ίδιο χώρο, πράγμα που ανεβάζει πολύ την κινητική τους ενέργεια και επομένως και την πίεση. Μέσα στους πυρήνες των ατόμων ο παράγοντας που προκαλεί τη συμπίεση στον ίδιο χώρο είναι οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις (η «ισχυρή αλληλεπίδραση»), ενώ στον αστέρα νετρονίων είναι η βαρύτητα, η «βασίλισσα δύναμη» της Αστρονομίας. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα νετρόνια καθίστανται σταθερά. Μπορούμε να πούμε, σύμφωνα με τη θερμοδυναμική διατύπωση, ότι «τα νετρόνια είναι σταθερά όταν βρίσκονται βυθισμένα μέσα σε λουτρό πρωτονίων ή/και ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας».

Στο εσωτερικό του αστέρα νετρονίων ωστόσο, οι ενέργειες είναι ακόμα υψηλότερες, εξαιτίας της βαρυτικής συμπιέσεως, μολονότι οι πυκνότητες κυμαίνονται στην ίδια τάξη μεγέθους με τις πυκνότητες των ατομικών πυρήνων. Για το λόγο αυτό, τα νετρόνια «διαρρέουν» έξω από τους ατομικούς πυρήνες κυκλοφορώντας ελεύθερα και τώρα είναι η σειρά των πρωτονίων να καταστούν ασταθή: ενώνονται με τα ηλεκτρόνια που συνωθούνται γύρω τους και δημιουργούν νετρόνια. Η ακριβής φύση της υπέρπυκνης ύλης στην κεντρική περιοχή δεν είναι ακόμα γνωστή. Ο όρος εκφυλισμένη ύλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντίστοιχα με τον λευκό νάνο, μόνο που εδώ, αντί για την πίεση των εκφυλισμένων ηλεκτρονίων εκείνο που αποτρέπει την κατέρρευση είναι κυρίως η πίεση των εκφυλισμένων νετρονίων. Για την ακρίβεια, το κέντρο ενός αστέρα νετρονίων θα μπορούσε να περιέχει ένα υπερρευστό μίγμα νετρονίων με λίγα πρωτόνια και ηλεκτρόνια, ή ίσως περιλαμβάνει επίσης στοιχειώδη σωματίδια υψηλής ενέργειας όπως πιόνια και καόνια, σωματίδια λάμδα, ή άμορφο πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων, τη λεγόμενη ύλη κουάρκ. Επίσης, «παράδοξη ύλη» με την έννοια της υπάρξεως του παράδοξου κουάρκ. Μέχρι τώρα οι παρατηρήσεις δεν έχουν παράσχει ούτε ενδείξεις, αλλά ούτε και αντενδείξεις για αυτές τις εξωτικές πιθανότητες.