Η ανακάλυψη των πάλσαρ ή των κοσμικών φάρων του διαστήματος

Το καλοκαίρι του 1967 μια νεαρή Ιρλανδή αστρονόμος, η Jocelyn Bell, έμεινε άφωνη από τη σταθερότητα των ραδιοπαλμών, με ρυθμό ένα παλμό το δευτερόλεπτο, που είχαν καταγραφεί από ένα νέο ραδιοτηλεσκόπιο στο Κέιμπριτζ. Αυτούς τους ραδιοπαλμούς μελετούσε ένα βράδυ μήπως βρει κάποιο άγνωστο κβάζαρ που είχαν ανακαλυφθεί πρόσφατα. Αλλά ενώ η έρευνα πήγαινε καλά, κάποιο ανεξήγητο σήμα εμφανίστηκε στα διαγράμματά της. 

Πρώτα, η Jocelyn Bell και μετά ο επιβλέπων καθηγητής της, Tony Hewish, σκέφτηκαν ότι το σήμα πρέπει να είναι κάποιο είδος γήινης ράδιο-παρεμβολής. Τέτοιες διαταραχές είναι συνηθισμένες στην ράδιοαστρονομία. Αλλά όσο και να προσπάθησαν, η Bell και ο Hewish δεν μπορούσαν να αποβάλουν το σήμα.

Τα ραδιοκύματα φαίνονταν να προέρχονται από τον Γαλαξία μας, από ένα σημείο του ουρανού σχεδόν στο μέσον του ανάμεσα στα άστρα Βέγας, στον αστερισμό της Λύρας και Αλτάιρ, στον αστερισμό του Αετού. Τέτοιου είδους σήματα δεν είχαν παρατηρηθεί ποτέ πριν από οποιονδήποτε, και ούτε είχε ποτέ διαβάσει κάτι παρόμοιο στην βιβλιογραφία που μελετούσε σαν μέρος της έρευνας που έκανε για την απόκτηση του διδακτορικού της. Αλλά ούτε και ο Tony Hewish ήταν σε θέση να δώσει κάποια λογική εξήγηση στο φαινόμενο αυτό.

Με την έλλειψη συγκεκριμένων στοιχείων οι ερευνητές άλλοτε μισοαστεία και άλλοτε μισοσοβαρά, έδωσαν στα σήματα αυτά την προσωρινή ονομασία LGM από τα αρχικά των αγγλικών λέξεων «Little Green Men» (Μικρά Πράσινα Ανθρωπάκια). Αργότερα, όμως, ανακαλύφθηκαν παρόμοια σήματα και σε άλλα σημεία του ουρανού, οπότε ονομάστηκαν παλλόμενες ραδιοπηγές και έγιναν γνωστά με την συγκεκομμένη ονομασία πάλσαρ ή περιστρεφόμενα άστρα νετρονίων. Τα παράξενα αυτά αντικείμενα περιστρέφονται δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο, έχουν διάμετρο περίπου 10-30 χιλιόμετρα, μάζα μέχρι 3 φορές τη μάζα που έχει ο Ήλιος μας και την πιο λεία στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ ο Κόσμος.

Καθώς διαδόθηκε αυτή η ανακάλυψη, όλο και περισσότεροι αστρονόμοι άρχισαν να προσέρχονται στο παρατηρητήριο του Κέιμπριτζ. Για να ικανοποιήσει το αυξανόμενο ενδιαφέρον, η Jocelyn Bell έπρεπε να ξοδεύει όλο και περισσότερο χρόνο στην ανίχνευση του παράξενου σήματος και να ψάχνει για άλλες όμοιες πηγές. Μάλιστα δεν ήταν καθόλου ευχαριστημένη, γιατί όπως έλεγε, κάποια ανόητα μικρά πράσινα άτομα επέλεξαν την κεραία της και τη συχνότητά της για να επικοινωνήσουν μαζί της!

Το σήμα των LGM τελικά δεν είχε καμία σχέση με εξωγήινους πολιτισμούς. Ήταν παλμοί που εκπέμπονταν από το πάλσαρ PSR B1919+21 με περίοδο ακριβώς 1.3373 δευτερόλεπτα που διαρκούσε 0.04 δευτερόλεπτα στον αστερισμό της Αλεπούς.

Τον Οκτώβριο του 1968 Αμερικανοί ραδιοαστρονόμοι ανακάλυψαν στο Νεφέλωμα του Καρκίνου ακόμη ένα πάλσαρ το οποίο είχε όμως τον μικρότερο μέχρι τότε παλμικό ρυθμό, που έφτανε το 0,033099 του δευτερολέπτου. Το ίδιο πάλσαρ αν είχε μέγεθος όσο είναι το κεφάλι μιας καρφίτσας, θα ζύγιζε ένα εκατομμύριο φορές, δηλαδή όσο 10 αεροπλανοφόρα.

Τα αστέρια νετρονίων όπως τα ξέρουμε σήμερα είναι τοποθεσίες με πολύ μικρές ελπίδες επιτυχίας για όσους ψάχνουν για την εξωγήινη ευφυή ζωή. Εντούτοις, δεν εκπλήσσει καθόλου που για μια στιγμή, η Bell και ο Hewish εξέτασαν σοβαρά αυτή τη δυνατότητα να ήταν το σήμα τους μια μετάδοση από έναν εξωγήινο κόσμο.

Γιατί η δεκαετία του ’60 ήταν η αρχή της «Διαστημικής Εποχής». Μόνο μια δεκαετία είχε περάσει από το Sputnik, με τους αστροναύτες και τους κοσμοναύτες που χάραζαν νέα μονοπάτια στο διάστημα, και ο κάθε ένας δοκίμαζε κάτι καινούργιο. Η φαντασία του κόσμου διαποτίστηκε με τη διαστημική εξερεύνηση, με τηλεοπτικές σειρές όπως το «Star Trek» και » Lost in Space».

Δεν εκπλήσσει λοιπόν που ακόμα και οι ράδιο αστρονόμοι έμελλε να αναρωτηθούν εάν τα σήματα που ανιχνεύθηκαν δημιουργούνταν από άτομα με αξιοπρόσεκτη νοημοσύνη

Αποτέλεσμα όλων αυτών ήταν η απονομή του διδακτορικού διπλώματος στην Jocelyn Bell μετά πολλών επαίνων, και στον επιβλέποντα καθηγητή της, τον Tony Hewish, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1974.

Ένας από τους στόχους των ερευνητών για την καλύτερη κατανόηση των πάλσαρ ήταν τότε και η επεξήγηση της όλης διαδικασίας που τα έκανε να συναγωνίζονται σε απόλυτη ακρίβεια τα καλύτερα ατομικά ρολόγια μας. O «ωρολογιακός» αυτός μηχανισμός των πάλσαρ έπρεπε να οφείλεται σε ένα από τρία μόνον είδη πιθανών κινήσεων: τις παλμικές, τις περιστροφικές ή όταν το πάλσαρ περιφέρεται γύρω από ένα σημείο. Δηλαδή ένα άστρο μπορεί να πάλλεται με ακρίβεια στέλνοντας ένα σήμα με κάθε παλμό που κάνει ή μπορεί να περιστρέφεται σαν τους φάρους έχοντας μια λαμπερή κηλίδα πάνω στην επιφάνεια του ή τρίτον μπορεί να περιφέρεται γύρω από ένα μεγαλύτερο άστρο, και το οποίο να του αποκόβει την ακτινοβολία κάθε φορά που η τροχιά του το φέρνει πίσω από αυτόν τον μεγάλο συνοδό.

H τρίτη περίπτωση της περιφοράς ενός πάλσαρ γύρω από ένα άλλο συνοδό σώμα αποκλείστηκε πρώτη απ’ όλες, γιατί με περίοδο μικρότερη των 2 δευτερολέπτων η απόσταση που χωρίζει τα δύο άστρα θα έπρεπε να είναι μικρότερη κι από το ίδιο τους το μέγεθος.

Ούτε όμως η παλμική κίνηση του ίδιου του άστρου μπορεί να γίνει αποδεκτή, γιατί η ύπαρξη τόσο γρήγορων παλμών θα διέλυε κυριολεκτικά το άστρο.

Τη λύση έδωσε ο αστρονόμος Thomas Gold, του Πανεπιστημίου Κορνέλ ο οποίος ταύτισε τα άγνωστα μέχρι τότε πάλσαρ με τα άστρα νετρονίων, που για πρώτη φορά είχαν ανακαλύψει, θεωρητικά φυσικά, οι Οπενχάιμερ και Λαντάου. Σύμφωνα με την άποψη του Gold, η συμπίεση των υλικών του άστρου το κάνει να μικραίνει όλο και πιο πολύ. Αλλά όσο μικραίνει το άστρο τόσο μεγαλώνει ο ρυθμός της περιστροφής του, εξ αιτίας της διατήρησης της στροφορμής του.

Καθώς όμως το άστρο περιστρέφεται όλο και πιο γρήγορα μεγάλες ποσότητες από τα αιχμαλωτισμένα ηλεκτρόνια ή ιόντα ή (κυρίως) ποζιτρόνια, κινούνται κατά μήκος των μαγνητικών δυναμικών γραμμών, πυκνώνουν στην περιοχή των μαγνητικών πόλων γίνονται πιο ενεργά και τέλος 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 διαφεύγοντα ποζιτρόνια, ηλεκτρόνια ή ιόντα, λόγω της ύπαρξης του μαγνητικού πεδίου, χάνουν ενέργεια με την μορφή μικροκυμάτων, και επειδή τα μικροκύματα δεν επηρεάζονται από τα υπάρχοντα μαγνητικά πεδία, κατορθώνουν να διασκορπιστούν σαν πίδακες ραδιο ακτινοβολίας σε όλο το διάστημα. Δηλαδή τα σωματίδια αυτά συμπαρασύρονται κατά την περιστροφική κίνηση των άστρων νετρονίων και εξαιτίας των τεραστίων επιταχύνσεων που αποκτούν, εκπέμπουν ακτινοβολία συγχρότρου που έχει σχήμα λεπτού κώνου (όπως φαίνεται στο σχήμα) που εφάπτεται στις τροχιές τους.



Οι ραδιο εκπομπές ξεκινάνε από τους μαγνητικούς πόλους και σαν κοσμικές ακτίνες διαδίδονται σε όλο το σύμπαν. Αν ο μαγνητικός άξονας δεν είναι ευθυγραμμισμένος με το άξονα περιστροφής, το περιστρεφόμενο άστρο νετρονίων ή πάλσαρ συμπεριφέρεται σαν ένας περιστρεφόμενο φάρος. Ένα παρατηρητήριο στη Γη μπορεί να δει τον παλμό των ραδιοκυμάτων του πάλσαρ μόνο αν η δέσμη μπορεί να πέσει πάνω του.

Ας σημειωθεί ότι μόνο ένα πάλσαρ στα εκατό είναι τοποθετημένο σωστά σε σχέση με τη Γη, ώστε να φτάνει στη Γη παρατηρήσιμους ραδιοπαλμούς.

Κάθε άστρο νετρονίων λοιπόν εκπέμπει μ’ αυτό τον τρόπο πίδακες ραδιοκυμάτων από τους μαγνητικούς του πόλους, που δεν φτάνουν πάντα στη Γη. Έτσι, από τα 100.000 πάλσαρ που υπολογίζεται ότι υπάρχουν στον Γαλαξία μας, δεν είναι δυνατόν να παρατηρήσουμε παραπάνω από μερικές χιλιάδες το πολύ, αν και μέχρι σήμερα έχουν ήδη ανακαλυφθεί αρκετές εκατοντάδες τέτοια αντικείμενα. Βεβαίως δεν εκπέμπουν παρόμοια ακτινοβολία ή παλμούς όλα τα άστρα νετρονίων παρά μόνο αν αυτά έχουν πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο, όπως συμβαίνει στα πάλσαρ, δηλαδή μαγνητικά πεδία της τάξεως των 105-108 Tesla. Και όπως τονίσαμε πιο πάνω οι παλμοί γίνονται αντιληπτοί σε μας μόνο όταν ο μαγνητικός άξονας περιστροφής των πάλσαρ διέρχεται από τον παρατηρητή στη Γη. Έτσι κάθε αναλαμπή είναι το πέρασμα του άξονα της κατευθυνόμενης εκπομπής συγχρότρου από το μάτι του παρατηρητή.

Κατά τις αρχές της δεκαετίας του 1990 θεωρητικοί αστροφυσικοί για να εξηγήσουν τον τρόπο σχηματισμού των πολύ γρήγορων πάλσαρ, πρότειναν δύο πιθανά σενάρια στα οποία ένας αστέρας νετρονίων αποτελεί μέλος ενός διπλού συστήματος.

Στο πρώτο 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 αστέρα. 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 ταχύτατα περιστρεφόμενου πάλσαρ.

Σύμφωνα με το δεύτερο σενάριο της κατάρρευσης ο αστέρας νετρονίων δεν σχηματίζεται από την έκρηξη ενός πολύ μεγάλου άστρου, 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 πάλσαρ.

Τα δύο αυτά σενάρια ερμηνεύουν ικανοποιητικά την παρουσία όχι μόνο των υπερταχέων πάλσαρ 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 ως «αστέρα – δολοφόνου».

Εκτός όμως από τους παλμούς στην περιοχή των ραδιοκυμάτων τα πάλσαρ εκπέμπουν και σε μήκη κύματος που αντιστοιχούν στο ορατό φως, σε ακτίνες χ και ακτίνες γ.

Τέλος, ένα πάλσαρ, που ανακαλύφθηκε στις 12 Νοεμβρίου του 1982 και πήρε την ονομασία PSR1937+214, είχε μια καταπληκτική περιστροφική περίοδο που το κάνει να περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του 642 φορές κάθε δευτερόλεπτο. Για μια τυπική ακτίνα των 20 χιλιομέτρων αυτό σημαίνει ότι ένα οποιοδήποτε σημείο στον ισημερινό του περιστρέφεται με ταχύτητα 40.466 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο ή με περίπου τα 13,5% της ταχύτητας του φωτός! Ο μικρότερος ρυθμός περιστροφής πάλσαρ που έχει παρατηρηθεί μέχρις στιγμής είναι 1 φορά κάθε 8.5 δευτερόλεπτα.

Το σφαιρικό σμήνος 47 Tucanae περιέχει πάλσαρ των 22 millisecond με περιόδους από 2 – 8 ms. Στο παρακάτω βίντεο κινουμένων σχεδίων κάνουμε ένα ταξίδι μέσα στο σμήνος, με τα πάλσαρ να έχουν τρισδιάστατες θέσεις που έχουν προσδιοριστεί από τις παρατηρήσεις. Οι ήχοι είναι οι πραγματικοί ήχοι των πάλσαρ, αλλά στο βίντεο περιστρέφονται μερικές εκατοντάδες φορές πιο αργά από την πραγματικότητα.