Απλό, σαν άστρο νετρονίων

Για τους αστροφυσικούς οι αστέρες νετρονίων αποτελούν εξαιρετικά πολύπλοκα αστρονομικά αντικείμενα.

Το γεγονός αυτό έρχεται να ανατρέψει η εργασία με τίτλο «Effectively Universal Behavior of Rotating Neutron Stars in General Relativity Makes Them Even Simpler than Their Newtonian Counterparts», από τους Γεώργιο Παππά και Θεοχάρη Αποστολάτο, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Physical Review Letters.Στην εργασία αυτή αποδεικνύεται ότι τα άστρα νετρονίων μπορούν να περιγραφούν με πολύ απλό τρόπο και ότι παρουσιάζουν ομοιότητες με τις μαύρες τρύπες.

Με πόσους τρόπους μπορεί κανείς να περιγράψει ένα αντικείμενο;

Ας πάρουμε για παράδειγμα ένα μήλο: κοιτάζοντάς το απλά μπορούμε εύκολα να εκτιμήσουμε το βάρος του, το σχήμα και το χρώμα του, αλλά αδυνατούμε να περιγράψουμε άλλα χαρακτηριστικά του, όπως για παράδειγμα η χημική του σύσταση. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και με τα αστρονομικά αντικείμενα: μια από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι φυσικοί είναι να περιγράψουν αυτό που συμβαίνει στο εσωτερικό των αστέρων νετρονίων χρησιμοποιώντας την πυρηνική φυσική.Η κατάσταση της ύλης στα άστρα αυτά είναι εξαιρετικά περίπλοκη και έχουν προταθεί διάφορες περίπλοκες εξισώσεις για την περιγραφή της. Μέχρι σήμερα δεν υπάρχει συμφωνία για το ποιά από αυτές είναι η ορθή (ή η καλύτερη).

Στην προαναφερθείσα θεωρητική μελέτη αποδεικνύεται ότι οι αστέρες νετρονίων μπορούν να περιγραφούν με σχετικά απλό τρόπο, παρατηρώντας την δομή του χωροχρόνου γύρω τους.

Σύμφωνα με τον Γεώργιο Παππά, τα άστρα νετρονίων είναι πολύπλοκα αντικείμενα εξαιτίας της κατάστασης στην οποία βρίσκεται η ύλη στο εσωτερικό τους. Μπορούμε να τα φανταστούμε σαν γιγάντιους ατομικούς πυρήνες με ακτίνα περίπου δέκα χιλιόμετρα.

Ένα άστρο νετρονίων είναι το υπόλειμμα από την κατάρρευση ενός άστρου μεγάλης μάζας: η ύλη στο εσωτερικό του είναι εξαιρετικά πυκνή και αποτελείται κυρίως από νετρόνια. Η πυρηνική φυσική που απαιτείται για την περιγραφή και κατανόηση της κατάστασης της ύλης που περιέχεται σ’ αυτά τα αστρονομικά αντικείμενα είναι εν γένει περίπλοκη και δύσκολο να διατυπωθεί.Αυτό που αποδεικνύεται στην εργασία των Παππά – Αποστολάτου με την χρήση αριθμητικών μεθόδων, είναι ότι υπάρχουν ιδιότητες που μπορούν να περιγράψουν μερικά χαρακτηριστικά των αστέρων νετρονίων και τον χωροχρόνο γύρω τους με έναν απλό τρόπο, παρόμοιο μ’ αυτόν που χρησιμοποιείται στις μαύρες τρύπες.

Οι μαύρες τρύπες είναι μοναδικά αντικείμενα: έχουν χάσει όλη την ύλη τους και είναι φτιαγμένα μόνο από χώρο και χρόνο. Ακριβώς όπως τα άστρα νετρονίων είναι επίσης το αποτέλεσμα της κατάρρευσης ακόμα μεγαλύτερων άστρων και η κατάρρευση παρασύρει όλη την μάζα προς τα μέσα. Θεωρούνται ως τα πιο τέλεια αντικείμενα στο σύμπαν και για να αναδείξει την απλότητά τους ο John Archibald Wheeler επινόησε την έκφραση «οι μαύρες τρύπες δεν έχουν τρίχες». Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της εργασίας των Παππά – Αποστολάτου, ακόμη και τα άστρα νετρονίων θα μπορούσαν να περιγραφούν με έναν σχεδόν παρόμοιο τρόπο.Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τις «πολυπολικές ροπές» ως παραμέτρους για να περιγράψουν αντικείμενα. Οι ροπές που απαιτούνται για να περιγράψουν μια μαύρη τρύπα είναι δυο, η μάζα και η στροφορμή. Για τα άστρα νετρονίων χρειάζονται τρεις ροπές: μάζα, στροφορμή και τετραπολική ροπή, η οποία είναι ένας συντελεστής που περιγράφει την παραμόρφωση του αντικειμένου εξαιτίας της περιστροφής του.

Όμως εξηγεί ο Παππάς, «οι υπολογισμοί μας αποκάλυψαν δυο αναπάντεχα ευρήματα. Πρώτον, ανακαλύψαμε ότι αυτές οι τρεις παράμετροι επαρκούν για την περιγραφή, διότι οι ανώτερες πολυπολικές ροπές δεν είναι ανεξάρτητες και μπορούν να προκύψουν από τις τρεις πρώτες. Το δεύτερο αναπάντεχο αποτέλεσμα είναι ότι η περιγραφή που βασίζεται σ’ αυτές τις παραμέτρους είναι ανεξάρτητη από την καταστατική εξίσωση ή μάλλον δεν χρειάζεται καν να γνωρίζουμε ποια είναι η καταστατική εξίσωση.Στην πράξη, μπορούμε να έχουμε μια περιγραφή του αστέρα νετρονίων που είναι ανεξάρτητη από την ύλη που τον αποτελεί»

Και συνεχίζει: «Στην πραγματικότητα, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που συλλέγονται από τις αστροφυσικές παρατηρήσεις – για παράδειγμα, η ακτινοβολία που εκπέμπεται από έναν αστέρα νετρονίων, ή πληροφορίες σχετικά με αντικείμενα που αλληλεπιδρούν βαρυτικά με αυτόν κ.λπ. – μπορούμε να οικοδομήσουμε τα χαρακτηριστικά ενός αστέρα νετρονίων.Η εργασία που δημοσιεύθηκε στο έγκριτο περιοδικό Physical Review Letters, χαρακτηρίστηκε ως μια από τις πιο ενδιαφέρουσες εργασίες που δημοσιεύθηκαν στα τελευταία τεύχη του.