Πάλσαρ

 

Ποιος είναι άραγε ο μηχανισμός εκείνος που επιτρέπει στα πάλσαρ να εκπέμπουν τις ραδιοακτινοβολίες τους με ρυθμό μέχρι και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο και με τόση απόλυτη σταθερότητα;

Είναι άστρα, αλλά περιστρέφονται σαν σβούρες εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Σε κάθε περιστροφή τους εκπέμπουν από τους μαγνητικούς πόλους τους τεράστιες ποσότητες ακτινοβολιών σαν απόκοσμοι φάροι του Διαστήματος. Ένα τέτοιο άστρο είναι πραγματικά κάτι το αδιανόητο. Υλικά από ένα τέτοιο άστρο με μέγεθος όσο είναι το κεφάλι μιας καρφίτσας, θα «ζύγιζαν» ένα εκατομμύριο τόνους, δέκα δηλαδή φορές περισσότερο από ένα σύγχρονο αεροπλανοφόρο! Επί πλέον, αν ρίχναμε έναν απλό σπόρο σταριού πάνω σ’ ένα τέτοιο άστρο θα δημιουργούσε τόση ενέργεια όση και η ατομική βόμβα που έπεσε στη Χιροσίμα.
Η πυκνότητα των υλικών του δημιουργεί επίσης πραγματικά αδιανόητες βαρυτικές δυνάμεις. Ένα μωρό 5 κιλών, για παράδειγμα, στην επιφάνεια ενός τέτοιου άστρου θα «ζύγιζε» 50 εκατομμύρια τόνους! Άλλωστε το ίδιο το άστρο «ζυγίζει» 2.400 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τόνους, 400.000 δηλαδή φορές περισσότερο από τη Γη μας παρ’ όλο που η διάμετρός του είναι 1.300 περίπου φορές μικρότερη. Αν μάλιστα η Γη μας είχε συμπιεστεί σε μια σφαίρα με την πυκνότητα που έχει ένα τέτοιο άστρο θα χωρούσε άνετα στο εσωτερικό του κλειστού Σταδίου «Ειρήνης και Φιλίας» στο Φάληρο. Κι όμως αυτού του είδους τα άστρα υπάρχουν αν και ανακαλύφτηκαν προσφάτως, μόλις πριν από μερικές δεκαετίες.
Πριν από 50 περίπου χρόνια παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στον αστερισμό των Ιστίων, μια αχνή νε φελώδης περιοχή αερίων και σκόνης. Το νεφέλωμα αυτό διερευνήθηκε επισταμένα το 1950-1955 από τον Αυστραλό αστρονόμο Κόλιν Γκαμ, από τον οποίο έλαβε και την ονομασία του. Το νεφέλωμα Γκαμ απέχει μόλις 1.500 έτη φωτός από μας, ενώ η έκρηξη του άστρου από την οποία σχηματίστηκε είχε τη λαμπρότητα της Πανσελήνου. Κανείς όμως δεν κατέγραψε τη λαμπερή αυτή σουπερνόβα, γιατί η έκρηξη του άστρου συνέβη πριν από 30.000 χρόνια κατά τη διάρκεια της Παλαιολιθικής Εποχής. Αντίθετα όμως μια άλλη παρόμοια έκρηξη καταγράφηκε, με αρκετές μάλιστα λεπτομέρειες, στις 4/7 του 1054 μ.Χ.
Τότε ο Κινέζος αστρονόμος Γιανγκ Γουέι-Τε, παρατήρησε ένα νέο λαμπερό σημάδι στον ουρανό που φαινόταν ακόμη και την ημέρα για τρεις ολόκληρες εβδομάδες. Σιγά-σιγά όμως άρχισε να ξεθωριάζει μέχρις ότου, 21 μήνες μετά την εμφάνισή του, ο λαμπρός αυτός «επισκέπτης» είχε πια χαθεί από τον ουρανό. Ο «επισκέπτης» αυτός του 1054 μ.Χ., δεν ήταν τίποτα παραπάνω από την επιθανάτια έκρηξη ενός τεράστιου γέρικου άστρου, που στα τελευταία στάδια της ζωής του μετατράπηκε σε σουπερνόβα. Το άστρο αυτό βρισκόταν σε απόσταση 6.300 ετών φωτός και τη στιγμή της μεγαλύτερής του έντασης έλαμπε με την ισχύ 500 εκατομμυρίων ήλιων. Κατά συνέπεια ο Γιανγκ Γουέι-Τε παρακολούθησε ένα γεγονός που είχε ξανασυμβεί πριν από 6.300 χρόνια, γύρω στο 5200 π.Χ., την εποχή που οι Σουμέριοι εγκαταστάθηκαν στη Μεσοποταμία. Στο σημείο εκείνης της έκρηξης τα σύγχρονα τηλεσκόπιά μας έχουν αποκαλύψει ένα φωτεινό νεφέλωμα, που μοιάζει με κάβουρα και γι’ αυτό ονομάστηκε Νεφέλωμα Καρκίνος. Το νεφέλωμα αυτό, στον αστερισμό του Ταύρου, είναι τα υπολείμματα ενός κατεστραμμένου άστρου που παρ’ όλα αυτά λάμπει ακόμη και σήμερα με τη φωτεινότητα 30.000 ήλιων.
Τον Αύγουστο του 1967 Άγγλοι ραδιοαστρονόμοι, ο καθηγητής Α. Χιούις (Νόμπελ Φυσικής 1974) και η ερευνήτρια Τ. Μπελ, παρατήρησαν στον ουρανό, στο μέσο σχεδόν της απόστασης ανάμεσα στα άστρα Βέγα στον αστερισμό της Λύρας και Αλτάιρ στον αστερισμό του Αετού, μερικούς παράξενους ραδιοπαλμούς. Οι παλμοί αυτοί ήσαν τόσο απόλυτα σταθεροί, ώστε στην αρχή πίστεψαν ότι ήσαν τα σήματα κάποιου τεχνολογικά προηγμένου διαστημικού πολιτισμού. Αργότερα όμως ανακαλύφτηκαν παρόμοια σήματα και σε άλλα σημεία τ’ ουρανού. Οι πηγές αυτές ονομάστηκαν παλλόμενες ραδιοπηγές και έγιναν γνωστές με τη διεθνή συγκεκομμένη ονομασία τους Πάλσαρ.
Τον Οκτώβριο του 1968 Αμερικανοί ραδιοαστρονόμοι παρατηρώντας το Νεφέλωμα Καρκίνος ανακάλυψαν ένα πάλσαρ που είχε τη μικρότερη μέχρι τότε παλμική περίοδο, η οποία έφτανε το 0,033099 του δευτερολέπτου. Το ίδιο πάλσαρ δεν ξέφυγε τελικά ούτε και από τις φωτογραφικές μας μηχανές. Μ’ ένα ειδικό σύστημα μπορέσαμε να φωτογραφήσουμε την πηγή των ραδιοπαλμών, που απεδείχθη ότι ήταν ένα μικροσκοπικό άστρο 12 χιλιομέτρων, στο κέντρο σχεδόν του νεφελώματος, με την καταπληκτική ιδιότητα να αναβοσβήνει 30 φορές κάθε δευτερόλεπτο.
Κι όμως, η ύπαρξη των παράξενων αυτών άστρων είχε προβλεφτεί θεωρητικά από τη δεκαετία ακόμη του 1930. Σύμφωνα με τις θεωρίες της εποχής εκείνης, η απότομη και υπερβολικά ταχεία βαρυτική κατάρρευση των υλικών της καρδιάς ενός γιγάντιου άστρου, πρέπει να έχει ως αποτέλεσμα την τρομαχτική συμπίεση του αστρικού κέντρου στην πυκνότητα ενός ατομικού πυρήνα. Συγχρόνως η έκρηξη και αποβολή των εξωτερικών στρωμάτων του άστρου πρέπει να θεωρείται ένα παράλληλο και αναπόφευκτο φαινόμενο της όλης διαδικασίας της κατάρρευσης του αστρικού πυρήνα.
Μια τέτοια έκρηξη συμπιέζει τον πυρήνα του άστρου σε τέτοιο βαθμό, ώστε η ύλη από την οποία αποτελείται, να είναι πυκνά «πακεταρισμένη» και το άστρο αυτό να μοιάζει μ’ έναν τεράστιο ατομικό πυρήνα. Και πράγματι, όταν στο τέλος της ζωής του τα υλικά που έχουν απομείνει σ’ ένα άστρο υπερβαίνουν το Όριο Τσαντρασεκάρ, είναι δηλαδή πάνω από 1,4 αλλά κάτω από περίπου 3 ηλιακές μάζες, τότε το άστρο αυτό δεν πεθαίνει ως άσπρος νάνος, αλλά αντιθέτως η συμπίεση των υλικών του συνεχίζεται πέρα από την πυκνότητα των άσπρων νάνων.
Υπό την τεράστια αυτή συμπίεση τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια των χημικών στοιχείων του άστρου συγχωνεύονται με τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια του πυρήνα με αποτέλεσμα τη δημιουργία νετρονίων και νετρίνων. Και ενώ τα νετρίνα δραπετεύουν άμεσα από το άστρο, μεταφέροντας μάλιστα το 99,99% από την ενέργειά του, τα νεοσχηματισμένα νετρόνια παραμένουν εκεί και ενώνονται με τα ήδη υπάρχοντα των ατομικών πυρήνων. Όλα αυτά τα νετρόνια όμως είναι τόσο σφιχτά συμπιεσμένα, ώστε εφάπτονται σχεδόν το ένα με το άλλο. Αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης είναι η δημιουργία μιας σφαίρας μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το Σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων.

Οι θεωρητικές εκτιμήσεις για την ύπαρξη των άστρων αυτών διατυπώθηκαν, ανεξάρτητα ή και σε συνεργασία, από αρκετούς περίφημους αστρονόμους και αστροφυσικούς σ’ όλη τη διάρκεια της δεκαετίας του 1930. Έτσι όταν το 1968 ανακοινώθηκε η ανακάλυψη του πάλσαρ στο Νεφέλωμα Καρκίνος, διάφορες αστροφυσικές ομάδες ερευνητών εντατικοποίησαν τις μελέτες τους και σύντομα εντοπίστηκαν αρκετές εκατοντάδες παρόμοιων τέτοιων αντικειμένων.
Ένας από τους στόχους των ερευνητών για την καλύτερη κατανόηση των πάλσαρ ήταν και η επεξήγηση του φαινομένου και της όλης διαδικασίας, που τα επέτρεπε να συναγωνίζονται σε απόλυτη ακρίβεια τα καλύτερα ρολόγια που κατασκεύασε ο άνθρωπος. Ποιος ήταν άραγε ο μηχανισμός εκείνος που επέτρεπε στα πάλσαρ να εκπέμπουν τις ραδιοακτινοβολίες τους με ρυθμό μέχρι και 30 φορές κάθε δευτερόλεπτο και με τόση απόλυτη σταθερότητα;
Τη λύση έδωσε ο αστρονόμος του Πανεπιστημίου Κορνέλ, Τόμας Γκολντ, ο οποίος ταύτισε τα πάλσαρ με τα άστρα νετρονίων των θεωριών που είχαν διατυπώσει οι Οπενχάιμερ και Λαντάου στη δεκαετία του 1930. Σύμφωνα με την άποψη του Γκολντ η συμπίεση των υλικών του άστρου το υποχρεώνει σε συνεχή και όλο και πιο πολύ σμίκρυνση. Αλλά όσο μικραίνει το άστρο, τόσο μεγαλώνει ο ρυθμός της περιστροφής του σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της στροφορμής. Συμβαίνει δηλαδή ακριβώς το ίδιο με αυτό που κάνει μια μπαλαρίνα, η οποία όταν μαζεύει τα απλωμένα χέρια της πλησιέστερα στο σώμα της, περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα.
Η συμπίεση όμως ενός άστρου κατά 70.000 φορές, στο μέγεθος ενός άστρου νετρονίων, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του μαγνητικού του πεδίου κατά 5 δισεκατομμύρια φορές. Έτσι τα ηλεκτρόνια που ξεφεύγουν από την επιφάνεια του άστρου λόγω της ταχύτατης περιστροφής του, φυλακίζονται από το ισχυρότατο αυτό μαγνητικό πεδίο.
Καθώς όμως το άστρο περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα, μεγάλες ποσότητες από τα αιχμαλωτισμένα ηλεκτρόνια κατορθώνουν να διαφύγουν δραπετεύοντας από τους μαγνητικούς πόλους του άστρου. Επειδή συνήθως οι μαγνητικοί πόλοι δεν συμπίπτουν με τους πόλους της περιστροφής ενός άστρου, η διασπορά των ηλεκτρονίων στο Διάστημα εντοπίζεται μόνο με κάθε εμφάνιση των δύο μαγνητικών του πόλων. Τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν, λόγω της ύπαρξης του μαγνητικού πεδίου, χάνουν ενέργεια με τη μορφή μικροκυμάτων και επειδή τα μικροκύματα δεν επηρεάζονται από μαγνητικά πεδία κατορθώνουν να διασκορπιστούν σαν πίδακες ακτινοβολίας στο Διάστημα.
Κάθε άστρο νετρονίων λοιπόν εκπέμπει μ’ αυτόν τον τρόπο πίδακες ραδιοκυμάτων από τους μαγνητικούς του πόλους. Αλλά ένα μόνο πάλσαρ στα εκατό βρίσκεται σε τέτοια θέση σε σχέση με τη Γη, ώστε η περιστροφή των μαγνητικών του πόλων να στέλνει στον πλανήτη μας παρατηρήσιμες ραδιοεκπομπές. Έτσι από τα 100.000 πάλσαρ, που υπολογίζεται ότι υπάρχουν στο Γαλαξία μας, δεν είναι δυνατόν να παρατηρήσουμε περισσότερες από μερικές, το πολύ, χιλιάδες, αν και μέχρι σήμερα έχουν ήδη ανακαλυφτεί εκατοντάδες τέτοιων αντικειμένων.
Ένα απ’ αυτά μάλιστα, ο PSR1937+214, ο οποίος ανακαλύφτηκε στις 12 Νοεμβρίου 1982, έχει μια καταπληκτική περιστροφική περίοδο, αφού περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του 642 φορές κάθε δευτερόλεπτο! Αν η διάμετρός του είναι 20 km περίπου, τότε η περίμετρος του ισημερινού του δεν υπερβαίνει τα 63 km περίπου, πράγμα που σημαίνει ότι ένα οποιοδήποτε σημείο στον ισημερινό του περιφέρεται με ταχύτητα 40.446 km/s ή με 13,5%, περίπου, της ταχύτητας του φωτός!
Ένα άστρο νετρονίων όμως έχει κι άλλες καταπληκτικές ιδιότητες. Αν για παράδειγμα μπορούσαμε να εισχωρήσουμε βαθιά στο κέντρο των φωτεινών αερίων, που αποτελούν το Νεφέλωμα Καρκίνος, θα βρισκόμασταν αντιμέτωποι με μια απίστευτη αστρική ραδιοπηγή, η οποία εκπέμπει τόση ενέργεια όση 10.000 άστρα σαν τον Ήλιό μας. Με διάμετρο μερικών μόνο χιλιομέτρων, το άστρο αυτό είναι ο υπερσυμπιεσμένος αστρικός πυρήνας που απέμεινε μετά την έκρηξη της σουπερνόβα του 1054 μ.Χ. Η πυκνότητά του είναι τόσο μεγάλη, ώστε αν ένα κομμάτι του με μέγεθος ενός κόκκου άμμου έπεφτε πάνω στη Γη μας θα την διαπερνούσε τελείως από την μιαν άκρη στην άλλη, με την ίδια ευκολία που μια υπερθερμασμένη καυτή σιδερόβεργα διαπερνάει ένα λεπτό διαφανές φύλλο νάιλον. Για να μπορέσουμε μάλιστα να πούμε ότι πλησιάσαμε κάπως τη φανταστική πυκνότητα ενός τέτοιου άστρου θα έπρεπε ολόκληρος ο σημερινός πληθυσμός του πλανήτη μας, έξι δηλαδή δισεκατομμύρια άνθρωποι, να συμπιέζονταν στο μέγεθος μιας σταγόνας νερού. Τίποτα όμως δεν μπορεί να συγκριθεί με κάτι ακόμη πιο αδιανόητο: την ύπαρξη μιας Μαύρης Τρύπας, όπου ακόμη και το φως αδυνατεί να ξεφύγει από τα «δίχτυα» της, λόγω της τεράστιας βαρύτητας που επικρατεί εκεί.