pulsar = PULSating stAR Παλλόμενα ραδιοαστερια
Οι πάλσαρς είναι μία κατηγορία παλλομένων ραδιοαστέρων που εμφανίζονται ως ουράνιες ραδιοπηγές, ουράνια δηλαδή σώματα που εκπέμπουν ανιχνεύσιμη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με τη μορφή ραδιοφωνικών κυμάτων. Οι πάλσαρς ξεχωρίζουν από όλες τις άλλες ουράνιες πηγές από το ότι εκπέμπουν ταχύτατους παλμούς των κυμάτων αυτών, με περιόδους από χιλιοστά του sec (ms -μιλισέκοντς), μέχρι μερικά δευτερόλεπτα, όταν όλα τα άλλα ουράνια σώματα εμφανίζουν περιόδους κάθε είδους μεταβολών (περιστροφής κλπ.) της τάξεως των ωρών και άνω.
Η περίοδος των παλμών τους κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 4,3 δευτερολέπτων και 33 χιλιοστών του δευτερολέπτου, ενώ η διάρκεια ενός ξεχωριστού παλμού ανέρχεται κατά κανόνα στο 1/10 έως το 1/100 της παλμικής περιόδου. Ο πρώτος πάλσαρ ανακαλύφθηκε τυχαία το 1967 από τη βρετανίδα αστρονόμο Τζόσλιν Μπελ (Jοselin Βell) του Πανεπιστημίου του Καίμπριτζ. Σήμερα είναι γνωστοί 550 περίπου πάλσαρς, πολλοί από τους οποίους εκτός από τα ραδιοκύματα εκπέμπουν και ακτινοβολίες άλλων συχνοτήτων, όπως ακτίνες Χ, υπέρυθρη και υπεριώδη ακτινοβολία και μάλιστα με την ίδια περίοδο. Υπάρχουν, όμως, μόνο δύο πάλσαρς που εκπέμπουν ακτινοβολία στο μήκος κύματος του ορατού φωτός, ο πάλσαρ που βρίσκεται στο κέντρο του νεφελώματος του Καρκίνου (ανακαλύφθηκε το 1968) και ο πάλσαρ στον αστερισμό του Ιστίου (ανακαλύφθηκε το 1977), ο οποίος είναι όμως πάρα πολύ αμυδρός με λαμπρότητα που φθάνει μόλις το 26ο μέγεθος.
Σύμφωνα με την αστροφυσική έρευνα οι πάλσαρς είναι ταχύτατα περιστρεφόμενοι αστέρες νετρονίων (εξαιρετικά δηλ. συμπαγείς αστέρες διαμέτρου 10-20 χλμ. και πυκνότητας περ. 1015 g/cm3, στο εσωτερικό των οποίων τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια των στοιχείων που τους αποτελούσαν έχουν μετατραπεί κάτω από συνθήκες υψηλών πιέσεων σε νετρόνια), έχουν προκύψει δε συνήθως μετά από εκρήξεις σουπερνόβα ως υπολείμματα της βαρυτικής κατάρρευσης αστέρων των οποίων η μάζα στα τελευταία εξελικτικά στάδιά τους κυμαινόταν μεταξύ 1,5 και 3 ηλιακών μαζών. Οι αστέρες αυτοί νετρονίων διαθέτουν βαρυτικά πεδία 100 δισεκατ. φορές ισχυρότερα από αυτό της Γης και εξίσου ισχυρότατα μαγνητικά πεδία της τάξης των 1012 Gauss, μέσα στα οποία βρίσκονται εγκλωβισμένα φορτισμένα σωματίδια, ηλεκτρόνια και ιόντα. Τα σωματίδια αυτά συμπαρασύρονται κατά την περιστροφική κίνηση των αστέρων νετρονίων και εξαιτίας των τεραστίων επιταχύνσεων που αποκτούν εκπέμπουν ακτινοβολία συγχρότρου που έχει σχήμα λεπτού κώνου, εφάπτεται στις τροχιές τους και διαδίδεται προς μία μόνο κατεύθυνση. Με τον τρόπο αυτό οι πάλσαρς δρουν σαν κοσμικοί φάροι σαρώνοντας συνεχώς με μια ταχύτατα περιστρεφόμενη δέσμη ακτινοβολίας τον ουρανό, η οποία στα γήινα παρατηρητήρια γίνεται αντιληπτή με τη μορφή περιοδικών παλμών.
Η μελέτη των πάλσαρς υπήρξε ιδιαίτερα γόνιμη για την αστρονομία, καθώς επιβεβαίωσε πολλές προγενέστερες υποθέσεις σχετικά με τις διάφορες δυνατές πορείες της αστρικής εξέλιξης. Παράλληλα η περιοδική ακτινοβολία που εκπέμπουν αποτελεί χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη της μεσοαστρικής ύλης, επειδή η ποσότητα και η πυκνότητα της τελευταίας επηρεάζει την ταχύτητα διάδοσης των παλμών και μπορεί να μετρηθεί από τις χαρακτηριστικές αναλαμπές που παρουσιάζουν οι παλμοί όταν φθάνουν στη Γη. Ο μεγάλος αριθμός των πάλσαρς που μελετήθηκαν έδειξε ότι η περίοδος ιδιοπεριστροφής τους αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, δηλ. η ταχύτητά τους μειώνεται. Η αύξηση αυτή της περιόδου οφείλεται στο ισχυρό μαγνητικό πεδίο που κατακρατεί ένα μέρος της κινητικής ενέργειας των πάλσαρς, μετατρέποντάς το σε εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Για το λόγο αυτό οι ταχύτεροι πάλσαρς είναι συγχρόνως και οι νεότεροι στην ηλικία, ενώ επίσης είναι και αυτοί που διαθέτουν τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία, γεγονός που συμφωνεί απόλυτα με τη θεωρία της δημιουργίας των αστέρων νετρονίων.
Μια σειρά από εκπλήξεις επιφύλασσαν στους αστρονόμους οι λεγόμενοι υπερταχείς πάλσαρς, ο πρώτος από τους οποίους εντοπίστηκε το 1982 με τη βοήθεια του γιγάντιου ραδιοτηλεσκοπίου του Αrecibο στο Πουέρτο Ρίκο και φέρει την ονομασία ΡSR 1937+21. Ο πάλσαρ αυτός εκτελεί μία πλήρη περιστροφή γύρω από τον άξονά του μόλις σε 1,557 χιλιοστά του δευτερολέπτου (msec), ενώ το πλέον εντυπωσιακό γεγονός είναι η μη επιβράδυνση της κίνησής του με την πάροδο του χρόνου, όπως συμβαίνει στους συνηθισμένους πάλσαρς. Μετά την πρώτη αυτή εντυπωσιακή ανακάλυψη εντάθηκαν οι προσπάθειες των ραδιοαστρονόμων για την ανεύρεση και άλλων υπερταχέων πάλσαρς και τα αποτελέσματα υπήρξαν ανάλογα. Ιδιαίτερα πολυάριθμοι εμφανίζονται οι υπερταχείς πάλσαρς στα σφαιρωτά αστρικά σμήνη του γαλαξία μας. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση του σφαιρωτού σμήνους στον αστερισμό της Τουκάνα, στο οποίο αυστραλοί ραδιοαστρονόμοι εντόπισαν κατά τη διάρκεια του 1991-92 έντεκα νέους υπερταχείς πάλσαρς των οποίων οι παλμικές τους περίοδοι (και φυσικά και οι περίοδοι περιστροφής τους) κυμαίνονται από 1,78 έως 5,36 χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Τα πάλσαρ εκπέμπουν τεράστιο ποσό ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας, όμως μέσα σε αυτό το σκληρό περιβάλλον, έχουμε έναν δίσκο που φαίνεται αρκετά σαν εκείνους που σχηματίζονται γύρω από νέα άστρα όπου καταλήγουν σε πλανήτες", αναφέρει ο ερευνητής Ντίπτου Τσάκραμπαρτι, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο τμήμα Ερευνών Αστροφυσικής και Διαστήματος του MIT.
Για να ερμηνεύσουν τον τρόπο σχηματισμού των υπερταχέων πάλσαρς οι θεωρητικοί αστροφυσικοί πρότειναν στις αρχές της δεκαετίας του 1990 δύο πιθανά σενάρια, στα οποία ένας αστέρας νετρονίων αποτελεί μέλος ενός διπλού συστήματος.
Στο σενάριο της "ανακύκλωσης", ο αστέρας νετρονίων σχηματίζεται μετά την έκρηξη ενός σουπερνόβα και παίρνει τη μορφή ενός συνηθισμένου πάλσαρ που με την πάροδο του χρόνου η ακτινοβολία του εξασθενεί, καθώς τόσο το μαγνητικό του πεδίο όσο και η στροφορμή του μειώνονται· έχοντας όμως τη δυνατότητα χάρη στο ισχυρότατο βαρυτικό του πεδίο να αποσπά συνεχώς μάζα από το συνοδό του όταν ο τελευταίος φθάσει στο στάδιο του ερυθρού γίγαντα, αυξάνει από μια στιγμή και μετά τη μάζα και την ταχύτητα περιστροφής του και κάποτε "αναζωογονείται" με τη μορφή ενός υπερταχέως πάλσαρ.
Σύμφωνα με το σενάριο της κατάρρευσης ο αστέρας νετρονίων δεν σχηματίζεται από την έκρηξη ενός μαζικού αστέρα, αλλά από τη βαρυτική κατάρρευση ενός λευκού νάνου του οποίου η μάζα έχει ξεπεράσει το κρίσιμο όριο με δέσμευση ύλης που προέρχεται από το συνοδό αστέρα. Επειδή η στροφορμή διατηρείται σταθερή και μετά την κατάρρευση, ο αστέρας νετρονίων που προκύπτει αποκτά υψηλή ταχύτητα περιστροφής για να καταστεί ένας υπερταχύς πάλσαρ.
Τα δύο αυτά σενάρια ερμηνεύουν ικανοποιητικά την παρουσία όχι μόνο των υπερταχέων πάλσαρς που οι υπολογισμοί και οι παρατηρήσεις τους φέρουν ως μέλη διπλών συστημάτων, αλλά και εκείνων που έχουν ταυτιστεί με απομονωμένους αστέρες, δεδομένου ότι η συνεχής εκροή ύλης από τον συνοδό αστέρα μπορεί σε μερικές περιπτώσεις να οδηγήσει στην οριστική του εξαφάνιση. Στην περίπτωση αυτή δηλ. ο πάλσαρ καταστρέφει το συνοδό του χάρη στον οποίο ξαναγεννήθηκε ή πρωτοδημιουργήθηκε, γεγονός που εξηγεί τον χαρακτηρισμό του από ερευνητές του Ινστιτούτου Προκεχωρημένων Σπουδών του Πρίνστον (Ρrincetοn) ως "αστέρα - δολοφόνου".
Οι εκπλήξεις όμως από την μελέτη των πάλσαρς δεν σταματούν. Ένα αξιοσημείωτο φαινόμενο σχετίζεται με τον υπερταχύ πάλσαρ ΡSR 1957+20 που ανακαλύφθηκε το 1988 στον αστερισμό του Τοξότη. Διαπιστώθηκε συγκεκριμένα ότι η συχνότητα των παλμών του εμφάνιζε μια μικρή ανωμαλία σαν να διαταρασσόταν από την παρουσία ενός άλλου σώματος. Κάποια μέρα μάλιστα οι παλμοί του εξαφανίστηκαν εντελώς, για να επανέλθουν μετά από 45 λεπτά. Όταν το φαινόμενο αυτό επαναλήφθηκε μετά από 9 ώρες, οι αστρονόμοι συμπέραναν ότι είχαν παρατηρήσει την πρώτη έκλειψη ενός υπερταχέος πάλσαρ από το συνοδό του, που στην περίπτωση αυτή είναι ένας λευκός νάνος.
Η δρ Μπελ έχει τιμηθεί με πολλά βραβεία και διακρίσεις και πρωτίστως είναι παγκοσμίως γνωστή για την πρωτοποριακή ανακάλυψη των πάλσαρ το 1967. Για την επιστημονική έρευνά της, την ανακάλυψη των ταχέως περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων, τιμήθηκε με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 1974 ο καθηγητής της Α. Χιούις.
Η ιστοσελίδα στην οποία είναι καταγεγραμμένοι οι ήχοι των pulsars βρίσκεται εδώ:http://www.jb.man.ac.uk/research/pulsar/Education/Sounds/
Στο τέλος της σελίδας υπάρχει η αναφορά για τους pulsars στο 47 Tucanae, ένα πανέμορφο σφαιρικό σμήνος που περιέχει 22 millisecond pulsars με περιόδους από 2 - 8 ms. Πολλοί από αυτους έχουν και συνοδό. Μπορούμε να υπολογίσουμε ότι υπάρχουν εκατοντάδες τέτοια αντικείμενα στο σμήνος αλλά ίσως να είναι πολύ αδύναμα για να εντοπιστούν.
Στο παρακάτω βίντεο κινουμένων σχεδίων κάνουμε ένα ταξίδι μέσα στο σμήνος, με τους pulsars να έχουν τρισδιάστατες θέσεις που έχουν προσδιοριστεί από τις παρατηρήσεις. Οι ήχοι είναι οι πραγματικοί ήχοι των pulsars, αλλά στο βίντεο περιστρέφονται μερικές εκατοντάδες φορές πιο αργά από την πραγματικότητα.
Το βίντεο είναι παραγωγή των Michael Kramer και Andrew Lyne.
Εκπληκτική ανακάλυψη για τις Gamma-Ray των Pulsars
Το τελευταίο αστρονομικό παρατηρητήριο της ΝΑΣΑ, το 690 εκατομμυρίων δολαρίων Φέρμι Gamma-Ray Διαστημικό Τηλεσκόπιο (γνωστό και σαν GLAST), ξεκίνησε την έρευνά του. Όχι μόνο το διαστημόπλοιο δουλεύει σωστά, όπως οι ομάδες των επιστημόνων και των μηχανικών ήλπιζαν, αλλά παράλληλα αποκάλυψε περισσότερους από 30 pulsars α πό τότε που εκτοξεύθηκε, στις 11 Ιουνίου 2008.
Σχόλιο Εικόνας: Ένας περιστρεφόμενος pulsar εκπέμπει ενεργειακές δέσμες ράδιο-σημάτων διαμήκους του μαγνητικού του άξονα (οι πράσινες δέσμες σε αυτή την εικόνα). Αλλά μερικοί pulsars εκπέμπουν πολύ δυνατότερη ακτινοβολία γάμμα που μεταδίδεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις (κόκκινο), λόγω των φορτισμένων σωματιδίων που είναι παγιδευμένα μέσα στο έντονο μαγνητικό πεδίο. Ο άξονας περιστροφής του pulsar που δεν καταδεικνύεται σε αυτή την εικόνα, είναι απόλυτα κάθετος. Αυτό είναι ένα τμήμα από το βίντεο που μπορείτε να δείτε στις διευθύνσεις http://www.nasa.gov/mov/299902main_pulsar_final_mini_360x203.mov ή σε αυτή του You Tube :
Το Fermi εκπληρώνει την αποστολή του και τα πράγματα πηγαίνουν θαυμάσια επί μακρόν, “είπε ο επιστήμονας του σχεδίου Steve Ritz στη συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Ένωσης στο Long Beach της Καλιφόρνια. “Μια από τις μεγαλύτερες εκπλήξεις είναι το πως συμπεριφέρονται οι ακτίνες γάμμα σε σχέση με τα pulsars”.
Σε μόλις τέσσερις μήνες επιστημονικής λειτουργίας, το πρωτεύων όργανο του Fermi, το Μεγάλου Πεδίου Τηλεσκόπιο (Large Area Telescope), έχει ανακαλύψει 13 νέα pulsars τα οποία είχαμε δει μόνο από τις εκπομπές της ακτινοβολίας γάμμα. Έχει επίσης συλλέξει εικόνες από 18 pulsars τα οποία ήταν γνωστά προηγουμένως μόνο διαμέσου των ράδιο-σημάτων τους και 6 τα οποία είχαν προηγουμένως παρατηρηθεί από το παρατηρητήριο Compton Gamma Ray της ΝΑΣΑ. Επτά από τα Pulsars περιστρέφονται τόσο γρήγορα – εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο – τόσο που κατατάσσονται στην ασυνήθιστη κατηγορία των pulsars των χιλιοστό-δευτερολέπτων.
Τα pulsars περιστρέφονται και συμπεριφέρονται όπως τα και άστρα νετρονίων : μικροσκοπικά, υπέρ-πυκνά, βαρυτικά καταρρέοντα αποτελούμενα από πυρήνες υπέρ-μαζικών άστρων που εξερράγησαν σαν σούπερ-νόβα. Αυτοί είναι οι αλλόκοτοι – απόκοσμοι κάτοικοι της όλης κοσμικής σκηνής, συγκεντρώνοντας μάζες 1.4 Ήλιων περίπου, σε μια σφαίρα έκτασης 20 μιλίων (32,2 χιλιόμετρα), σαν τις διαστάσεις μιας μεγάλης πόλης. Τα pulsars είναι διάσημα για την συμπεριφορά τους ως φάροι. Εκτοξεύουν λεπτές δέσμες ράδιο-εκπομπών γύρω στον ουρανό από τους μαγνητικούς τους πόλους, καθώς περιστρέφονται γύρω από τους άξονές τους.
Τα αποτελέσματα του Fermi επιβεβαιώνουν ότι οι ράδιο-εκπομπές μερικών pulsars σπάνια δίνουν εμπιστευτικές πληροφορίες, όπως και τα παγόβουνα. “Η αληθινή δύναμη των αντικειμένων αυτών βρίσκεται στις ακτίνες γάμμα”, λέει ο επιστήμονας και μέλος της ομάδας του προγράμματος Roger Romani από το Stanford University. “Τα ράδιο-σήματα είναι δευτερεύοντα. Για να μελετήσουμε πώς λειτουργούν αυτές οι μηχανές, πρέπει να μελετήσουμε αυτές καθαυτές τις ακτίνες γάμμα.”
Οι γενικές παραδοχές για τις ακτίνες γάμμα που πάλλονται και το απρόσμενα μεγάλο πληθυσμιακά νούμερο, των αντικειμένων αυτών, που ούτε τα ράδιο-σήματά τους δεν είχαμε “δει”, υποδηλώνουν ότι οι ακτίνες γάμμα πρέπει να εκπέμπουν πολύ περισσότερες δέσμες ακτινοβολίας, απ ότι οι ράδιο-δέσμες (πλάτους περίπου 60° έναντι των 10° των ράδιο-ακτινών. Η ακτινοβολία γάμμα φαινομενικά φαίνεται ότι προέρχεται από απόσταση πολλών εκατοντάδων χιλιομέτρων, πάνω από την επιφάνεια των pulsars, σε τάξη μεγέθους μεγαλύτερης της τάξης, των 10-20 φορές της διαμέτρους των μακριά, κάτι που είναι άμεση συνάρτηση του ρυθμού περιστροφής τους. Στο σημεία αυτά, το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο των pulsars επιταχύνει τα φορτισμένα σωματίδια του πεδίου τους, σε ταχύτητα σχετική με αυτή του φωτός, δημιουργώντας με τον τρόπο αυτό ακτίνες γάμμα κατά την διάρκεια της διαδικασίας.
Η ανακάλυψη τόσο πολλών, pulsars του χιλιοστό-δευτερολέπτου με εκπομπή ακτινοβολίας γάμμα είναι μείζονος σημασίας. Τα αντικείμενα αυτά, τα είχαμε “δει” μόνο, μέσω της ράδιο-ακτινοβολίας ή της ακτινοβολίας Χ, με πολύ περιορισμένες ανιχνεύσεις εκπομπών ακτινοβολίας γάμμα, από το καταργηθέν πλέον παρατηρητήριο Compton Gamma-Ray. Τα pulsars του χιλιοστό-δευτερολέπτου είναι ανακυκλώσιμα αντικείμενα – με την έννοια ότι καθώς περιστρέφονται, μετά την αρχική δημιουργία τους – πιθανότατα να προσαρτούν υλικό αερίων από ένα σύντροφο αστέρα-αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό το δίσκο τους-που αποτελεί μαζί με το pulsar δυαδικό σύστημα.
Οι παρατηρήσεις του Fermi δείχνουν ότι τα μέγιστα των δεσμών εκπομπής των ράδιο-ακτίνων και ακτινών γάμμα είναι μεταξύ τους μη συντονισμένα σε μερικά pulsars, που σημαίνει ότι προσανατολίζονται σε διαφορετικά σημεία γύρω από το γεωγραφικό μήκος του pulsar, καθώς επίσης οι δύο εκπομπές φαίνεται ότι προέρχονται από διαφορετικές φυσικές διαδικασίες. “Δεν κατανοούμε τη διαδικασία αυτή με λεπτομέρειες, αφού ακόμα είναι ένα σχετικά νέο εύρημα” λέει ο επιστήμονας και μέλος της ομάδας του Fermi, Alice Harding (NASA/Goddard). “Αλλά μπορεί να ανακαλύψουμε πολύ περισσότερα στο άμεσο μέλλον.”
Σε μια διατριβή που παρουσιάστηκε στη συνάντηση, ο Bülent Kiziltan και ο Steve Thorsett από το (University of California, Santa Cruz) έδειξαν ότι διαφορετικοί pulsars του χιλιοστό-δευτερολέπτου, πρέπει να έχουν σχηματιστεί με δύο τουλάχιστον ξεχωριστές διαδικασίες. Αλλά η φύση της δεύτερης διαδικασίας παραμένει μυστήριο.
Αυτές οι ανακαλύψεις είναι πρόγευμα των μελλοντικών ανακαλύψεων. “Αυτό είναι το πρώτο κύμα παρόμοιων ανακαλύψεων”, λέει ο Romani.
