Πάλσαρ: Το δώρο του σύμπαντος στη φυσική.

Τα πάλσαρ, πυκνά άστρα νετρονίων, είναι ίσως τα πλέον εκπληκτικά εργαστήρια φυσικής στο Σύμπαν. Η έρευνα σε αυτά τα ακραία και εξωτικά αντικείμενα έχει ήδη αποφέρει δύο βραβεία Νόμπελ. Οι ερευνητές των πάλσαρ τώρα είναι έτοιμοι να μάθουν από αυτά τα αντικείμενα τέτοιες λεπτομέρειες της πυρηνικής φυσικής, που δεν είναι διαθέσιμες αλλιώς, με σκοπό να ελέγξουν τη Γενική Σχετικότητα σε συνθήκες ακραίας βαρύτητας, αλλά και την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων άμεσα με ένα «τηλεσκόπιο» σχεδόν όσο το μέγεθος του Γαλαξία μας.

Πίδακες εκτοξεύονται από το πάλσαρ Vela – εικόνα ακτίνων-Χ του Chandra

Τα αστέρια νετρονίων είναι τα κατάλοιπα των άστρων που εξερράγησαν ως σουπερνόβα. Έχουν μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο μέσα σε μια σφαίρα όχι μεγαλύτερη από μια μεσαίου μεγέθους πόλη, φτιάχνοντας έτσι τα πυκνότερα αντικείμενα στο Σύμπαν, εκτός βέβαια από τις μαύρες τρύπες, για τις οποίες η έννοια της πυκνότητας είναι θεωρητικά αδόκιμη. Τα πάλσαρ λοιπόν είναι αστέρες νετρονίων που εκπέμπουν ακτίνες ραδιοκυμάτων προς τα έξω από τους πόλους των μαγνητικών πεδίων τους. Όταν το πάλσαρ έχει κατάλληλο προσανατολισμό τότε φτάνουν οι ακτίνες προς τη Γη, σαν το φως που εκπέμπεται από ένα περιστρεφόμενο φάρο, που τις ανιχνεύουν τα ραδιοτηλεσκόπια ως ένα ραδιοπαλμό.

Ακτίνες-γ εκπέμπονται από το πάλσαρ Vela σαν το φως ενός φάρου

Με την ακριβή μέτρηση του χρόνου αυτών των παλμών, οι αστρονόμοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα πάλσαρ για μοναδικά «πειράματα» στα σύνορα της σύγχρονης φυσικής. Στο συνέδριο της Αμερικανικής Ένωσης για την Πρόοδο της Επιστήμης στο Βανκούβερ τρεις επιστήμονες παρουσίασαν τα αποτελέσματα των εργασιών αυτών, καθώς και τι περιμένουμε στο μέλλον.

Τα πάλσαρ βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της έρευνας για τη βαρύτητα. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας το 1916, και η περιγραφή του για τη φύση της βαρύτητας έχει, μέχρι στιγμής, αντέξει πολλές πειραματικές δοκιμές. Ωστόσο, υπάρχουν σήμερα κάποιες ανταγωνιστικές θεωρίες στην θεωρία του.

«Πολλές από αυτές τις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας κάνουν εξίσου καλή δουλειά, όπως και η Γενική Σχετικότητα, προβλέποντας τη συμπεριφορά της μέσα στο Ηλιακό μας Σύστημα. Διαφέρουν, όμως, στα εξαιρετικά πυκνά περιβάλλοντα ενός άστρου νετρονίων", δήλωσε ο Ingrid Stairs, του Πανεπιστημίου της Βρετανικής Κολομβίας.

Σε μερικές από τις εναλλακτικές θεωρίες, η συμπεριφορά της βαρύτητας θα πρέπει να διαφέρει ανάλογα με την εσωτερική δομή του άστρου νετρονίων.

"Με προσεκτική χρονομέτρηση των παλμών του πάλσαρ μπορούμε να μετρήσουμε με ακρίβεια τις ιδιότητες των αστέρων νετρονίων. Αρκετές επιστημονικές ομάδες έχουν δείξει ότι οι δραστηριότητες των πάλσαρ δεν εξαρτώνται από τη δομή τους, γι αυτό και η Γενική Σχετικότητα είναι ασφαλή μέχρι στιγμής," εξήγησε ο Stairs.

Πρόσφατη έρευνα σχετικά με τα πάλσαρ σε δυαδικά συστήματα με άλλα άστρα νετρονίων, και, σε μία περίπτωση, με ένα άλλο πάλσαρ, μας έδωσε τον καλύτερο έλεγχο που έγινε ποτέ της Γενικής Σχετικότητας σε πολύ ισχυρή βαρύτητα. Η ακρίβεια των μετρήσεων αυτών αναμένεται να γίνει ακόμα καλύτερη στο μέλλον, αναφέρει ο Stairs.

Μια άλλη πρόβλεψη της Γενικής Σχετικότητας είναι ότι οι δραστηριότητες των τεράστιων συγκεντρώσεων της μάζα στο Σύμπαν θα πρέπει να προκαλούν διαταραχές του χωροχρόνου με τη μορφή βαρυτικών κυμάτων. Τέτοια κύματα δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί άμεσα, αλλά η μελέτη των πάλσαρ σε δυαδικά συστήματα άστρων έχουν δώσει έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξή τους. Η μελέτη αυτή κέρδισε το βραβείο Νόμπελ το 1993.

Τώρα, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν πάλσαρ σε όλον τον Γαλαξία μας ως ένα γιγαντιαίο επιστημονικό όργανο για την άμεση ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων.

"Τα πάλσαρ είναι τόσο εξαιρετικά ακριβή ρολόγια που μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, σε μια περιοχή συχνοτήτων στην οποία κανένα άλλο πείραμα δεν θα είναι ευαίσθητο," δήλωσε ο Benjamin Stappers, του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ.

Με ένα προσεκτικό συγχρονισμό των παλμών από τα πάλσαρ, που βρίσκονται διάσπαρτα μέσα στο Γαλαξία μας, οι αστρονόμοι ελπίζουν να μετρήσουν μικρές διαφοροποιήσεις οι οποίες προκαλούνται από το πέρασμα των βαρυτικών κυμάτων. Οι επιστήμονες ελπίζουν, ότι τέτοια Δίκτυα Χρονισμού των Πάλσαρ μπορεί να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα που προκαλούνται από τις κινήσεις των υπερβαρέων ζεύγη μαύρων οπών στο πρώιμο Σύμπαν, τις κοσμικές χορδές, και, ενδεχομένως, από άλλα εξωτικά γεγονότα στα πρώτα δευτερόλεπτα μετά το Big Bang.

"Η σχεδιαζόμενη επέκταση στις έρευνες και τα νέα τηλεσκόπια ελπίζουμε να οδηγήσουν σε άμεση ανίχνευση μέσα στην επόμενη δεκαετία”, δήλωσε ο Stappers.

Με μια πυκνότητα αρκετές φορές μεγαλύτερη από ότι υπάρχει στους ατομικούς πυρήνες, τα πάλσαρ είναι μοναδικά εργαστήρια για την πυρηνική φυσική. Οι λεπτομέρειες της φυσικής αυτής σε πυκνά αντικείμενα είναι άγνωστες μέχρι τώρα.

"Μετρώντας τις μάζες των άστρων νετρονίων, μπορούμε να βάλουμε περιορισμούς στην εσωτερική φυσικής τους," δήλωσε ο Scott Ransom του Εθνικού Αστεροσκοπείου Ραδιοαστρονομίας. "Μόλις τα τελευταία τρία έως τέσσερα χρόνια, έχουμε βρει αρκετά άστρα νετρονίων που, λόγω της μεγάλης μάζας τους, αποκλείουν κάποιες εξωτικές προτάσεις θεωριών για το τι συμβαίνει στα κέντρα των άστρων νετρονίων," δήλωσε ο Ransom.

Η εργασία αυτή βρίσκεται σε εξέλιξη, και είναι αναγκαίες ασφαλώς περισσότερες μετρήσεις. «Οι θεωρητικοί είναι έξυπνοι, έτσι όταν οι πειραματικοί προσφέρουν νέα δεδομένα, ρυθμίζουν κατάλληλα τα εξωτικά μοντέλα τους για να ταιριάζουν σε αυτά που βρήκαμε», δήλωσε ο Ransom.

 Πηγή: physorg-physics4you