Το ακραίο περιβάλλον πάνω από τους μαγνητικούς πόλους των Πάλσαρ

Ας ταξιδέψουμε μια στιγμή σε ένα πάλσαρ, μέρος ενός διπλού συστήματος ακτίνων-Χ μεγάλης μάζας (High Mass X-ray Binary, ή HMXB). Εκεί θα δούμε από κοντά έναν ταχέως περιστρεφόμενο αστέρα νετρονίων με ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο (pulsar) και έναν συνοδό αστέρα γίγαντα. Καθώς τα δύο αντικείμενα περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο, το ισχυρό βαρυτικό πεδίο του πάλσαρ τραβάει αέριο από τα εξωτερικά στρώματα του συνοδού του, όπως βλέπουμε για παράδειγμα στην Εικόνα 1.

Τότε, η ύλη θα δημιουργήσει έναν δίσκο προσαύξησης (accretion disk) γύρω από τον πάλσαρ, καθώς κάνει μία σπειροειδή κίνηση προς αυτόν. Όταν το αέριο φτάσει στο σημείο που το μαγνητικό πεδίο γίνεται αρκετά ισχυρό, θα διαφύγει από το επίπεδο του δίσκου και θα ακολουθήσει τις μαγνητικές γραμμές προς τους δύο μαγνητικούς πόλους (δείτε Εικόνα 2). Όπως βλέπουμε στην Εικόνα 2, το μαγνητικό πεδίο μοιάζει με ένα δίπολο, με τον μαγνητικό άξονα να μην είναι παράλληλος με τον άξονα περιστροφής του πάλσαρ. Πάνω ακριβώς από τους μαγνητικούς πόλους του είναι που το αέριο παγιδεύεται μέσα στις μαγνητικές γραμμές στο σχήμα μιας “κολώνας”, ή στήλης προσαύξησης.

Οι στήλες προσαύξησης παρουσιάζουν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες και πυκνότητες, κάτι που τις κάνουν να εκπέμπουν στις ακτίνες-Χ. Καθώς ένας πάλσαρ περιστρέφεται, αλλάζει η γωνία που παρατηρούμε την εκπομπή φωτός από τη στήλη προσαύξησης. Συνεπώς, μέσα σε μία ιδιοπεριστροφή, δεχόμαστε φως από όλα τα μέρη της περιοδικά. Αν κάποιο σημείο της είναι πιο θερμό από τα υπόλοιπα θα είναι και πιο φωτεινό, άρα κατά την περιστροφή του πάλσαρ θα παρατηρούμε παλμούς φωτός (δείτε Εικόνα 3). Να σημειωθεί ότι στην Εικόνα 3 βρισκόμαστε στην περίπτωση όπου τα φωτόνια διαφεύγουν ευκολότερα από τα άνω μέρη της στήλης, κάνοντάς τη να μας στέλνει του παλμούς όταν την κοιτάμε από ψηλά. 

Οι φυσικές διαδικασίες εντός της στήλης προσαύξησης δεν είναι ακόμα απόλυτα κατανοητές. Γνωρίζουμε ότι μέσα στο περιβάλλον αυτό υπάρχουν φωτόνια ακτίνων-Χ χαμηλότερης ενέργειας (ακτίνες-Χ με ενέργεια κάτω των 5-10 keV) που προέρχονται από την ακτινοβολία μέλανος σώματος, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που επικρατεί. Τα φωτόνια αυτά καταλήγουν όμως να έχουν πολύ υψηλότερη ενέργεια (σκληρές ακτίνες-Χ, με ενέργεια άνω των 5-10 keV) όταν διαφεύγουν από τη στήλη.

Ένα θεωρητικό μοντέλο που προσπαθεί να έρθει όσο πιο κοντά στην πραγματικότητα γίνεται είναι αυτό που προτάθηκε από τους  Becker & Wolff, 2007. Το μοντέλο αυτό θεωρεί ότι το φως υψηλής συχνότητας που παρατηρούμε προέρχεται από σκεδάσεις Compton (όταν ένα ηλεκτρόνιο συγκρούεται με ένα φωτόνιο και υπάρχει μεταφορά ενέργειας μεταξύ τους). Οι σκεδάσεις αυτές μπορούν να είναι δύο ειδών:

– Το πρώτο είδος είναι όταν θερμά ηλεκτρόνια με υψηλή ενέργεια σκεδάζουν τα τριγύρω φωτόνια, αυξάνοντας την ενέργειά τους στις σκληρές ακτίνες-Χ. 

– Το δεύτερο είναι όταν λόγω του εξαιρετικά ισχυρού βαρυτικού δυναμικού, τα ηλεκτρόνια που πέφτουν από τα άνω μέρη της στήλης προς τους μαγνητικούς πόλους αποκτούν σχετικιστικές ταχύτητες. Όταν συγκρουστούν με τα φωτόνια απαλών ακτίνων-Χ, η μεγάλη κινητική ενέργεια που έχουν θα μεταφερθεί μέσω της σκέδασης στα φωτόνια, κάνοντάς τα πάλι να φτάσουν σε σκληρές ακτίνες-Χ.

Ας εξετάσουμε εδώ αναλυτικότερα πώς οι μαγνητικές γραμμές του πάλσαρ δημιουργούν μία στήλη προσαύξησης (Εικόνα 4). Με το πράσινο βέλος βλέπουμε την πορεία της ύλης από τα άνω προς τα κάτω μέρη της. Στα άνω μέρη, το αέριο βρίσκεται πρακτικά σε ελεύθερη πτώση (υπερηχητική ροή – όταν η ταχύτητα των ηλεκτρονίων ξεπερνά την ταχύτητα του ήχου της τριγύρω ύλης). Καθώς η ύλη συσσωρεύεται πάνω από τον μαγνητικό πόλο, η πυκνότητά της αυξάνεται, οπότε αρχίζει και πέφτει με μικρότερη ταχύτητα (υποηχητική ροή – όταν η ταχύτητα των ηλεκτρονίων είναι μικρότερη από την ταχύτητα του ήχου της τριγύρω ύλης), δημιουργώντας μία ηχητική επιφάνεια. Τα φωτόνια απαλών ακτίνων-Χ (παρουσιάζονται με το κόκκινο χρώμα) είναι φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας που παράγονται λόγω θερμότητας από τον περιβάλλοντα χώρο τους. Λόγω της υψηλής ενέργειας των ηλεκτρονίων του αερίου, οι σκεδάσεις Compton θα μεταφέρουν μεγάλα ποσά ενέργειας στα γύρω φωτόνια, κάνοντάς τα φωτόνια σκληρών ακτίνων-Χ (παρουσιάζονται με το μπλε χρώμα).

Μέσα σε μία στήλη προσαύξησης, όπως της Εικόνας 4, τα ηλεκτρόνια αποκτούν υψηλές ενέργειες μέσω των διαδικασιών που έχουν προαναφερθεί. Αυτό αποτυπώνεται στο φάσμα των ακτίνων-Χ που λαμβάνουμε και μπορούμε να μελετήσουμε, με αποτέλεσμα να παίρνουμε αρκετές πληροφορίες για την προέλευση των φωτονίων μέσα στη στήλη, απαραίτητες για τον έλεγχο των θεωρητικών μας μοντέλων.

Διαβάστε περισσότερα (αρκετά τεχνικά άρθρα, στα αγγλικά):

Galloway et al. 2001 – https://arxiv.org/abs/astro-ph/0010523

Becker & Wolff, 2007 – https://iopscience.iop.org/article/10.1086/509108

Basko &  Sunyaev, 1976 –  https://academic.oup.com/mnras/article/175/2/395/993992