Ουράνια Σώματα: Αστέρες Νετρονίων

Ένα αστέ­ρι νετρο­νί­ων είναι αυτό που απο­μέ­νει όταν ένα άστρο αρκε­τά μεγά­λης μάζας (μεγα­λύ­τε­ρης από το όριο Chandrasekhar) καταρ­ρέ­ει με μια μεγά­λη έκρη­ξη, αφή­νο­ντας πίσω του ένα απί­θα­να πυκνό υπό­λειμ­μα — τόσο πυκνό όσο ο πυρή­νας ενός ατό­μου.

Η ύπαρ­ξη των αστέ­ρων νετρο­νί­ων προ­βλέ­φθη­κε θεω­ρη­τι­κά την δεκα­ε­τία του ’30, από δύο Αμε­ρι­κα­νούς αστρο­νό­μους, τον γερ­μα­νι­κής κατα­γω­γής Walter Baade (1893 — 1960) και τον Ελβε­τι­κής κατα­γω­γής Fritz Zwicky (1898 — 1974), μόλις δύο έτη μετά την πει­ρα­μα­τι­κή ανα­κά­λυ­ψη του νετρο­νί­ου από τον Sir James Chadwick . Η επι­στη­μο­νι­κή κοι­νό­τη­τα της επο­χής αντέ­δρα­σε έντο­να στις προ­τά­σεις των δύο ερευ­νη­τών, καθώς ήταν αντί­θε­τες με τις κρα­τού­σες επι­στη­μο­νι­κές από­ψεις. To 1937, o George Gamov (1904 — 1968) απέ­δει­ξε ότι η διά­με­τρος ενός αστέ­ρα νετρο­νί­ων με μάζα ίση με την ηλια­κή θα ήταν μόνο 10 km. Αργό­τε­ρα, η ύπαρ­ξη αστέ­ρων νετρο­νί­ων απε­δεί­χθη θεω­ρη­τι­κά και από άλλους ερευ­νη­τές. Η θεω­ρία φαί­νε­ται ότι επα­λη­θεύ­θη­κε το 1967, με την ανα­κά­λυ­ψη των Pulsars (pulsating radio sourses) στο Campridge, από μία ομά­δα Άγγλων αστρο­νό­μων με επι­κε­φα­λής τον Antony Hewish (βρα­βείο Νόμπελ το 1974 για την ανα­κά­λυ­ψη αυτή) και κύρια ερευ­νή­τρια την Jocelyn S. Bell, που εκπο­νού­σε τότε την διδα­κτο­ρι­κή της δια­τρι­βή. Η ανα­κά­λυ­ψη έγκει­ται στον εντο­πι­σμό μιας παλ­λό­με­νης ραδιο­πη­γής στον αστε­ρι­σμό της Αλώ­πε­κος, με περί­ο­δο παλ­μών 1.337 sec. Δυστυ­χώς, η συνει­σφο­ρά της Bell στην ανα­κά­λυ­ψη αυτή απο­σιω­πή­θη­κε, γεγο­νός που προ­κά­λε­σε την αντί­δρα­ση πολ­λών αστρο­νό­μων.

Η πρώ­τη ερμη­νεία που δόθη­κε για τους pulsars ήταν ότι η εκπο­μπή των περιο­δι­κών ραδιο­παλ­μών οφεί­λε­ται στην επα­να­λαμ­βα­νό­με­νη συστο­λή και δια­στο­λή ενός άστρου. Αλλά το 1968, ο αστρο­νό­μος Thomas Gold απέ­δει­ξε ότι οι pulsars είναι αστέ­ρες νετρο­νί­ων με πολύ μεγά­λη ταχύ­τη­τα περι­στρο­φής. Η άπο­ψη αυτή επι­βε­βαιώ­θη­κε από τις παρα­τη­ρή­σεις.

Οι ερευ­νη­τές πιστεύ­ουν ότι κάθε αστέ­ρας νετρο­νί­ων περι­στρέ­φε­ται σε μικρή από­στα­ση περί έναν άλλο, συνη­θι­σμέ­νο αστέ­ρα. Το ισχυ­ρό Βαρυ­τι­κό Πεδίο του Νετρο­νι­κού Αστέ­ρα έλκει τα αέρια που σχη­μα­τί­ζουν την εξω­τε­ρι­κή επι­φά­νεια του γεί­το­νά του. Καθώς περι­στρέ­φο­νται, επι­τα­χύ­νο­νται και θερ­μαί­νο­νται, τα αέρια εκπέ­μπουν ακτί­νες Χ με ένα χαρα­κτη­ρι­στι­κό ρυθ­μό, ο οποί­ος «προ­δί­δει» την παρα­μόρ­φω­ση του περι­βάλ­λο­ντος Χώρου.

Δομή

---

Ένας τυπι­κός αστέ­ρας νετρο­νί­ων έχει διά­με­τρο μόλις 20 χιλιο­μέ­τρων, αλλά ζυγί­ζει περισ­σό­τε­ρο από τον Ήλιο. Η πυκνό­τη­τα τους είναι τερά­στια, 10⁸ — 10¹³ Kgr/cm³, ενώ η θερ­μο­κρα­σία στην επι­φά­νεια τους φτά­νει τους 10⁶ Kelvin.

O υπο­λο­γι­σμός της κρί­σι­μης μάζας για τους αστέ­ρες νετρο­νί­ων είναι δύσκο­λη υπό­θε­ση καθό­σον η συμπε­ρι­φο­ρά της ύλης στις συν­θή­κες αυτές χρή­ζει περαι­τέ­ρω μελέ­της. Για έναν αστέ­ρα απο­τε­λού­με­νο εξ ολο­κλή­ρου από νετρό­νια η κρί­σι­μη μάζα υπο­λο­γί­ζε­ται σε 0.72 ηλια­κές (Θεώ­ρη­ση Fermi) ενώ οι Cameron-Tsuruta την υπο­λο­γί­ζουν σε 1.6 — 2.0 ηλια­κές μάζες.

Οι αστέ­ρες νετρο­νί­ων παρου­σιά­ζουν πολύ μεγά­λη ταχύ­τη­τα περι­στρο­φής η οποία εύκο­λα εκτι­μά­ται με χρή­ση της Αρχής Δια­τή­ρη­σης της Στρο­φορ­μής, αν ο αστέ­ρας θεω­ρη­θεί ως μία ομο­γε­νής σφαί­ρα.

Το μαγνη­τι­κό πεδίο τους είναι ιδιαί­τε­ρα ισχυ­ρό και εκτι­μά­ται στα 10¹⁰ Gauss, τρι­σε­κα­τομ­μύ­ρια φορές ισχυ­ρό­τε­ρο από το μαγνη­τι­κό πεδίο του Ήλιου, και παρά­γει περιο­δι­κούς παλ­μούς ισχυ­ρών ραδιο­κυ­μά­των.

Η Εξέ­λι­ξη ενός Αστέ­ρα σε Νετρο­νια­κό

---

Κατά τη διάρ­κεια της εξέ­λι­ξής του, ένας αστέ­ρας με μάζα μεγα­λύ­τε­ρη από το όριο Chandrasekhar, που έχει εξα­ντλή­σει τα πυρη­νι­κά του καύ­σι­μα, κάτω από ορι­σμέ­νες προ­ϋ­πο­θέ­σεις μπο­ρεί να βρε­θεί σε μία κατά­στα­ση όπου ο πυρή­νας του να απο­τε­λεί­ται μόνο από νετρό­νια και ταυ­τό­χρο­να η κατάρ­ρευ­σή του να συνε­χί­ζε­ται.

Συγκε­κρι­μέ­να, σε ένα μεγά­λο Αστέ­ρα, η θερ­μο­κρα­σία στον πυρή­να λόγω της βαρυ­τι­κής κατάρ­ρευ­σης, μπο­ρεί να ανέλ­θει στους 10⁶, οπό­τε αρχί­ζουν οι θερ­μο­πυ­ρη­νι­κές αντι­δρά­σεις του Άνθρα­κα ©, συντί­θε­νται δια­δο­χι­κά βαρύ­τε­ροι πυρή­νες στοι­χεί­ων, κατα­λή­γο­ντας στον αδρα­νή Σίδη­ρο (₂₆Fe⁵⁶).

Σε αυτό το σημείο και καθώς έχουν εξα­ντλη­θεί οι δια­θέ­σι­μες πηγές ενέρ­γειας, η υδρο­στα­τι­κή ισορ­ρο­πία δια­τα­ράσ­σε­ται, και αρχί­ζει μια νέα δια­δι­κα­σία βαρυ­τι­κής κατάρ­ρευ­σης που παρα­σύ­ρει τις επι­φα­νεια­κές στοι­βά­δες. Ελα­φρά στοι­χεία φθά­νουν στο ιδιαί­τε­ρα θερ­μό κέντρο του Αστέ­ρα, με απο­τέ­λε­σμα να συμ­βαί­νουν πάρα πολ­λές αντι­δρά­σεις που παρά­γουν πολύ περισ­σό­τε­ρα βαρέα μέταλ­λα.

Ένα τερά­στιο κρου­στι­κό κύμα γεν­νιέ­ται σε αυτό το στά­διο το οποίο, δια­δι­δό­με­νο προς τα έξω, προ­κα­λεί μία ιδιαί­τε­ρα βίαιη έκρη­ξη με από­το­μη εκτί­να­ξη μεγά­λης ποσό­τη­τας ύλης στον μεσο­α­στρι­κό χώρο. Πρό­κει­ται για μια έκρη­ξη υπερ­και­νο­φα­νούς (supernova), το πλέ­ον κατα­κλυ­σμι­κό φαι­νό­με­νο που συμ­βαί­νει στην Σύγ­χρο­νη Επο­χή στο Σύμπαν.

Αν η μάζα του αστέ­ρα μετά την έκρη­ξη κυμαί­νε­ται μετα­ξύ 1.4 και 3.2 ηλια­κών μαζών τότε το κεντρι­κό τμή­μα του συνε­χί­ζει να συστέλ­λε­ται και η ενα­πο­μεί­να­σα ύλη συμπιέ­ζε­ται τόσο πολύ, ώστε κατα­λή­γει σε πυκνό­τη­τα πολύ μεγα­λύ­τε­ρη από αυτήν των λευ­κών νάνων.

Στην περί­πτω­ση αυτή η νευ­τώ­νεια θεώ­ρη­ση περί βαρύ­τη­τας παύ­ει πλέ­ον να επαρ­κεί, οπό­τε η εξί­σω­ση υδρο­στα­τι­κής ισορ­ρο­πί­ας του αστέ­ρα αντι­κα­θί­στα­ται από ακρι­βέ­στε­ρη σχε­τι­κι­στι­κή, με τη βοή­θεια της Γενι­κής Θεω­ρί­ας της Σχε­τι­κό­τη­τας.

Τα ηλε­κτρό­νια επι­τα­χύ­νο­νται σε σχε­τι­κι­στι­κές ταχύ­τη­τες και ενώ­νο­νται με τα πρω­τό­νια σχη­μα­τί­ζο­ντας νετρό­νια (p + e → n + ν). Τα νετρί­να που παρά­γο­νται δια­φεύ­γουν από τον αστέ­ρα οπό­τε το εσω­τε­ρι­κό του πλέ­ον απο­τε­λεί­ται μόνο από ένα εκφυ­λι­σμέ­νο αέριο νετρο­νί­ων (αέριο το οποίο δεν υπα­κού­ει στους νόμους των τέλειων αερί­ων) ενώ φυσι­κά στην επι­φά­νειά του κυριαρ­χούν τα πρω­τό­νια και τα ηλε­κτρό­νια.

Όμως τα νετρό­νια είναι φερ­μιό­νια, δηλα­δή υπό­κει­νται στην απα­γο­ρευ­τι­κή αρχή του Pauli. Συνε­πώς οι αστέ­ρες νετρο­νί­ων ισορ­ρο­πούν εξ αιτί­ας της “Πίε­σης των Εκφυ­λι­σμέ­νων Νετρο­νί­ων”.

Ας σημειω­θεί εδώ ότι αν ο αρχι­κός αστέ­ρας είναι ακό­μη μεγα­λύ­τε­ρος, μπο­ρεί να εξε­λι­χθεί, μετά τον «θάνα­τό του», όχι σε αστέ­ρα νετρο­νί­ων αλλά σε μαύ­ρη τρύ­πα, ένα ακό­μη περισ­σό­τε­ρο εξω­τι­κό ουρά­νιο σώμα, όπου η Βαρυ­τι­κή Κατάρ­ρευ­ση συνε­χί­ζε­ται ακό­μη περισ­σό­τε­ρο, με απο­τέ­λε­σμα η τρο­μα­κτι­κά υψη­λή πυκνό­τη­τα της Μελα­νής Οπής να δημιουρ­γή­σει ένα ισχυ­ρό­τα­το Βαρυ­τι­κό Πεδίο που αιχ­μα­λω­τί­ζει τα πάντα γύρω του, ακό­μη και το ίδιο το φως.

Αστρι­κή Εξέ­λι­ξη

---

Δεν παρου­σιά­ζουν περαι­τέ­ρω εξέ­λι­ξη. Εφό­σον έχουν εξα­ντλή­σει τα ενερ­γεια­κά τους απο­θέ­μα­τα, απλά συνε­χί­ζουν να ψύχο­νται και στο τέλος σβή­νουν εντε­λώς. Στην πορεία της αστρι­κής εξέ­λι­ξης οι αστέ­ρες νετρο­νί­ων τοπο­θε­τού­νται ένα βήμα πριν τις μελα­νές οπές.

Πηγή