‘Βρέφη’ μαύρες τρύπες: μια εξωτική πηγή για τις κοσμικές ακτίνες

Οι κοσμικές ακτίνες – σωματίδια που έχουν επιταχυνθεί κοντά στην ταχύτητα του φωτός – που ρέουν μακριά από τον Ήλιο μας όλο τον χρόνο, αν και είναι υποτονικές σε σύγκριση με τις λεγόμενες Κοσμικές Ακτίνες Πολύ Υψηλής Ενέργειας (UHECR). Αυτοί οι τύποι των κοσμικών ακτίνων προέρχονται από πηγές εκτός του ηλιακού συστήματος, και είναι πολύ πιο ενεργητικές από αυτές που έχουν προέλευση τον Ήλιο μας, αν και σαφώς πολύ σπανιότερες. Η συγχώνευση μεταξύ ενός λευκού νάνου και ενός άστρου νετρονίων ή μιας μαύρης τρύπας μπορεί να είναι μια πηγή αυτών των ακτίνων, και τέτοιες συγχωνεύσεις μπορεί να συμβαίνουν αρκετά συχνά ώστε να είναι η πιο σημαντική πηγή των εν λόγω ενεργητικών σωματιδίων UHECR.

 

Μια αστρονομική έρευνα για τις ακτινικές ταχύτητες των λευκών νάνων (SWARMS) – που αποτελεί μέρος της Έρευνας του Ουρανού Sloan – πρόσφατα ανακάλυψε ένα δυαδικό σύστημα εξωτικών αντικειμένων μόλις 165 έτη φωτός μακριά από το Ηλιακό Σύστημα. Το σύστημα αυτό, που ονομάστηκε SDSS 1257 +5428, φαίνεται να αποτελείται από ένα λευκό νάνο άστρο που είναι σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι νετρονίων ή σε μια μαύρη τρύπα μικρής μάζας.
 

Το μέλος της ερευνητικής ομάδας Todd Thompson, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποστηρίζει ότι αυτό το είδος του συστήματος, και η επακόλουθη συγχώνευση αυτών των εξωτικών αστρικών κατάλοιπων, μπορεί να είναι κάτι το συνηθισμένο στο διάστημα, και θα μπορούσε να υπολογιστεί για την ποσότητα των ακτίνων UHECR που παρατηρούνται σήμερα. Η συγχώνευση μάλιστα του λευκού νάνου και του αστέρα νετρονίων ή τη μαύρη τρύπα μπορεί, επίσης, να δημιουργήσει μια νέα μαύρη τρύπα χαμηλής μάζας, η λεγόμενη "βρέφος" μαύρη τρύπα.

 

Ο Todd Thompson υποστηρίζει ότι αυτού του είδους οι συγχωνεύσεις μπορεί να είναι η πιο σημαντική πηγή των UHECRs στο Γαλαξία μας, και ότι θα πρέπει να γίνεται μία συγχώνευση στον Γαλαξία κάθε περίπου 2.000 χρόνια. Αυτοί οι τύποι των συγχωνεύσεων μπορεί να είναι ελαφρώς λιγότερο συνηθισμένοι από την σουπερνόβα τύπου Ia, η οποία κατάγεται κι αυτή από δυαδικά συστήματα με λευκούς νάνους.

 

Ένας λευκός νάνος μετά τη συγχώνευσή του με ένα αστέρι νετρονίων θα δημιουργήσει επίσης μιας χαμηλής μάζας μαύρη τρύπα με περίπου τριπλάσια μάζα από αυτή του Ήλιου. Ο Thompson αναφέρει πως στην πραγματικότητα, αυτό το σενάριο είναι πιθανό διότι πιστεύουμε ότι τα αστέρια νετρονίων, δεν είναι δυνατόν να υπάρχουν με πάνω από 2-3 φορές τη μάζα του Ήλιου. Η ιδέα είναι ότι ο λευκός νάνος θα διαταραχθεί και θα ρίξει μάζα πάνω στο αστέρι νετρονίων. Στη συνέχεια δε το αστέρι νετρονίων θα καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα. Σε αυτή την περίπτωση, θα μπορούσαμε να δούμε το σήμα του σχηματισμού της νέας μαύρης τρύπας με την ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας.
 

Τα κύματα βαρύτητας που παράγονται σε μια τέτοια συγχώνευση θα πρέπει να υπερβαίνουν το ανιχνεύσιμο φάσμα συχνοτήτων από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων LIGO, ένα μέσο που χρησιμοποιεί λέιζερ για να ανιχνεύσει τα κύματα βαρύτητας (που βεβαίως κανένα δεν έχει εντοπιστεί ακόμη …), και πιθανώς ακόμη και στο μελλοντικό διαστημικό παρατηρητήριο κυμάτων βαρύτητας LISA της NASA .

 

Οι κοινές κοσμικές ακτίνες που προέρχονται από τον Ήλιο μας έχουν μια ενέργεια της τάξης του 10⁷ με 10¹⁰ ηλεκτρόνιο-βολτ. Οι κοσμικές ακτίνες υπερ-υψηλής ενέργειας αποτελούν σπάνιο φαινόμενο, αλλά υπερβαίνουν τα 10²⁰ ηλεκτρόνιο-βολτ. Πώς όμως συστήματα όπως το SDSS 1257 +5428 παράγουν κοσμικές ακτίνες τέτοιας υψηλής ενέργειας;

 

Ο Thompson εξήγησε ότι υπάρχουν δύο εξίσου συναρπαστικές δυνατότητες.

Στην πρώτη, ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας και μετέπειτα ο δίσκος συσσώρευσης υλικού από τη συγχώνευση θα δημιουργήσει έναν πίδακα κάπως σαν αυτούς που παρατηρήθηκαν στο κέντρο των γαλαξιών, το αποκαλυπτικό σημάδι ενός κβάζαρ. Αν και αυτοί οι πίδακες θα είναι πολύ, πολύ μικρότεροι, τα κύματα κλονισμού στο μπροστινό μέρος του πίδακα θα επιταχύνει τα όποια σωματίδια με τις αναγκαίες ενέργειες για τη δημιουργία των εξωτικών κοσμικών ακτίνων UHECR.

 

Στο δεύτερο σενάριο, το αστέρι νετρονίων κλέβει την ύλη από το λευκό νάνο σύντροφο του, και αυτή η το υλικό που συσσωρεύεται αρχίζει να περιστρέφεται γρήγορα. Οι μαγνητικές δυνάμεις που δημιουργούνται στην επιφάνεια του μάγναστρου (το μάγναστρο ή magnetar είναι ένα άστρο νετρονίων με τεράστιο μαγνητικό πεδίο), είναι σε θέση να επιταχύνουν τα τυχόν σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το έντονο μαγνητικό πεδίο σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες.