Τετάρτη, 23 Ιανουαρίου 2019

Pulsars, εξωτικά ουράνια σώματα. Pulsars, exotic celestial bodies

Pulsars are among the most exotic celestial bodies known. They have diameters of about 20 kilometres, but at the same time roughly the mass of our sun. A sugar-cube sized piece of its ultra-compact matter on Earth would weigh hundreds of millions of tons. A sub-class of them, known as millisecond pulsars, spin up to several hundred times per second around their own axes. Previous studies reached the paradoxical conclusion that some millisecond pulsars are older than the universe itself. Credit: NASA / Goddard Space Flight Center / Dana Berry

Δύο χρόνια μετά την ανακάλυψη του νετρονίου το 1932, οι αμερικανοί αστρονόμοι Walter Baade και Fritz Zwicky σκέφθηκαν ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν αστέρες που αποτελούνται μόνο από νετρόνια και όχι από κάποιο συγκεκριμένο χημικό στοιχείο. Τότε θεωρήθηκε ότι τέτοιου είδους ουράνια αντικείμενα, αν βέβαια υπήρχαν, θα ήταν πολύ αμυδρά για παρατήρηση και η ιδέα αυτή γρήγορα ξεχάστηκε.

Η Τζόσελυν Μπελ τον Ιούνιο του 1967. Jocelyn Bell, June 1967.

Το 1967 όμως η μεταπτυχιακή φοιτήτρια Jocelyn Bell, που χρησιμοποιούσε ένα ραδιοτηλεσκόπιο του πανεπιστημίου του Cambridge για το διδακτορικό της, παρατήρησε μια πηγή ραδιοφωνικής ακτινοβολίας στον ουρανό, η οποία έστελνε ρυθμικά ραδιοσήματα ακριβώς κάθε 1,33 δευτερόλεπτα. Αμέσως μετά την επίσημη ανακοίνωση της ανακάλυψης, ο Αμερικανός Thomas Gold και ο Άγγλος Fred Hoyle αναγνώρισαν ότι αυτό το άγνωστο μέχρι τότε ουράνιο σώμα ήταν ένας αστέρας νετρονίων, που περιστρεφόταν μια φορά κάθε 1,33 δευτερόλεπτα, ασύλληπτα γρηγορότερα από τη Γη, που περιστρέφεται μια φορά κάθε 24 ώρες.

Jocelyn Bell Burnell, winner of the 2018 Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics, delivered a special talk at Perimeter Institute about her 1967 discovery of pulsars and her remarkable career in physics.

Η ανακάλυψη των pulsars, όπως ονομάστηκαν αυτοί οι ταχέως περιστρεφόμενοι αστέρες νετρονίων, ώθησε του αστρονόμους που παρατηρούσαν με κλασικά οπτικά τηλεσκόπια να αναζητήσουν αστέρες που παρουσιάζουν παρόμοια ρυθμική ακτινοβολία σε οπτικά μήκη κύματος.

This is the star RX J185635-3754, the first Neutron Star ever observed in visible light. It is one of the closest known neutron stars, estimated to be about 400 light-years away (note: earlier estimates of 150 to 200 light-years away were incorrect). It has a surface temperature of approximately 434,000ºK, and it radiates mainly in X-rays. Combined with the small diameter of a Neutron Star, it is very dim. Data from the Chandra and Hubble telescopes now lead to a modified estimated diameter of some 14 km (8.75 miles), which is rather larger than earlier estimates. Thus the star is no longer considered to be a quark star candidate.

Και έτσι στις 20 Ιανουαρίου του 1969, πριν από 50 χρόνια, ανακαλύφθηκε ο πρώτος pulsar που, εκτός από τα ραδιοφωνικά σήματα κάθε 0,33 δευτερόλεπτα, εκπέμπει και οπτικούς παλμούς με την ίδια περιοδικότητα. Αυτός ο pulsar περιστρέφεται τόσο γρήγορα, επειδή είναι πολύ νέος, ηλικίας μόλις 964 ετών. Δημιουργήθηκε κατά την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς αστέρα, ο οποίος είχε παρατηρηθεί από κινέζους αστρονόμους το 1054 μ.Χ. Εκείνη η έκρηξη άφησε πίσω της ένα μεγάλο φωτεινό νεφέλωμα στον ουρανό, που είναι γνωστό ως Νεφέλωμα του Καρκίνου, ακριβώς στο κέντρο του οποίου βρίσκεται ο pulsar με τους φωτεινούς παλμούς.

Composite Optical/X-ray image of the Crab Nebula, showing synchrotron emission in the surrounding pulsar wind nebula, powered by injection of magnetic fields and particles from the central pulsar. Credit: Optical: NASA/HST/ASU/J. Hester et al. X-Ray: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.

Οι αστέρες νετρονίων είναι από τα πιο εξωτικά αντικείμενα του σύμπαντος. Ένα κυβικό εκατοστό νερού, που στη Γη ζυγίζει ένα γραμμάριο, εκεί θα ζύγιζε 200 χιλιάδες τόνους. Δημιουργούνται κατά την έκρηξη αστέρων με μάζα μεγαλύτερη από 8 φορές τη μάζα του Ήλιου.

Η ενέργεια που ακτινοβολούν αυτοί οι μεγάλοι αστέρες προέρχεται, όπως και όλων των άλλων, από διαδοχικές θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα τους. Αρχικά το υδρογόνο εκεί μετατρέπεται σε ήλιο, το ήλιο σε άνθρακα και οξυγόνο και ακολουθεί η δημιουργία του νάτριου, του μαγνήσιου, του πυρίτιου, του θείου και των βαρύτερων στοιχείων.

Radiation from the pulsar PSR B1509-58, a rapidly spinning neutron star, makes nearby gas glow in X-rays (gold, from Chandra) and illuminates the rest of the nebula, here seen in infrared (blue and red, from WISE). Credit: NASA/CXC/SAO (X-Ray); NASA/JPL-Caltech (Infrared)

Σε αυτούς τους μεγάλους αστέρες η αλυσίδα παραγωγής όλο και βαρύτερων στοιχείων καταλήγει στον σίδηρο. Αυτός όμως είναι αδρανής, επειδή δεν μπορεί να δημιουργήσει βαρύτερα στοιχεία με αντίστοιχη παραγωγή ενέργειας. Τότε ο πυρήνας συρρικνώνεται με απίστευτη ταχύτητα, θερμαίνεται και τελικά εκρήγνυται με τη μορφή υπερκαινοφανούς αστέρα. Κατά την έκρηξη παράγονται και όλα τα βαρύτερα από τον σίδηρο στοιχεία, όπως το ουράνιο, που χρησιμοποιείται στις ατομικές βόμβες, το ιώδιο, που ρυθμίζει τον θυροειδή αδένα μας, και τον χρυσό, που όλοι ξέρουμε πού χρησιμοποιείται. Η «σκόνη» από την έκρηξη, που περιέχει πια όλα τα χημικά στοιχεία, σκορπίζεται στο διάστημα και χρησιμοποιείται από τη φύση για τη δημιουργία νέων αστέρων και πλανητών. Έτσι δεν είναι ανακρίβεια να πούμε ότι το σώμα μας αποτελείται από αστερόσκονη.

Χάρης Βάρβογλης