Η ανακάλυψη 84 μυστηριωδών αντικειμένων από τη NASA απαντά σε δύο μεγάλα αστροφυσικά αινίγματα

Σύνοψη

• Το παρατηρητήριο ακτίνων Χ Chandra της NASA εντόπισε 84 «υπερμαλακές πηγές ακτίνων Χ» (hypersoft X-ray sources) σε έξι διαφορετικούς γαλαξίες.
• Τα αντικείμενα αυτά αποτελούν διπλά αστρικά συστήματα όπου ένα συμπαγές άστρο απορροφά ύλη από τον συνοδό του, εκπέμποντας ωστόσο απροσδόκητα χαμηλής ενέργειας ακτινοβολία σε συνδυασμό με ισχυρό υπεριώδες φως.
• Η τεράστια ποσότητα υπεριώδους φωτός που παράγουν ενδέχεται να εξηγεί με ακρίβεια τον μηχανισμό ιονισμού του διαστρικού αερίου, ο οποίος δεν μπορούσε να δικαιολογηθεί πλήρως από τα υπάρχοντα μοντέλα.
• Η βαθύτερη κατανόηση της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς τους αναμένεται να προσφέρει κρίσιμα στοιχεία για τους μηχανισμούς πυροδότησης των εκρήξεων των υπερκαινοφανών αστέρων τύπου Ia (supernovae).
• Η σχετική επιστημονική μελέτη από τους ερευνητές του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο έγκριτο περιοδικό Nature Astronomy.

Η επιστημονική κοινότητα βρίσκεται μπροστά σε μια σπουδαία ανακάλυψη που προσφέρει σημαντικές απαντήσεις για τη λειτουργία του σύμπαντος, καθώς το τηλεσκόπιο Chandra της NASA κατέγραψε μια εντελώς νέα κατηγορία κοσμικών αντικειμένων τα οποία εκπέμπουν ακτινοβολία με τρόπο που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν. 

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα, με επικεφαλής τον αστροφυσικό Mustafa Muhibullah, ανέλυσαν τα δεδομένα από το διαστημικό παρατηρητήριο ακτίνων Χ και εντόπισαν 84 μυστηριώδεις πηγές διασκορπισμένες σε έξι διαφορετικούς γαλαξίες, ανάμεσα στους οποίους συγκαταλέγονται ο δικός μας γειτονικός γαλαξίας της Ανδρομέδας (M31) καθώς και ο εντυπωσιακός γαλαξίας Pinwheel (M101). 

Η ιδιαιτερότητα των ευρημάτων έγκειται στο γεγονός ότι, ενώ περιμέναμε από τα υπό εξέταση αστρικά συστήματα να παράγουν εξαιρετικά υψηλής ενέργειας ακτινοβολία λόγω των βίαιων διεργασιών που συντελούνται στο εσωτερικό τους, εκείνα εκπέμπουν ελάχιστες ακτίνες Χ αλλά ταυτόχρονα πλημμυρίζουν τον περιβάλλοντα χώρο τους με τεράστιες ποσότητες υπεριώδους φωτός.

Τι ακριβώς είναι οι υπερμαλακές πηγές ακτίνων Χ;

Οι υπερμαλακές πηγές ακτίνων Χ (hypersoft X-ray sources) είναι συμπαγή διπλά αστρικά συστήματα, στα οποία ένα υπόλειμμα νεκρού άστρου απορροφά βίαια αέρια από το άστρο-συνοδό του. Σε αντίθεση με τις κλασικές πηγές ακτίνων Χ, παράγουν ακτινοβολία πολύ χαμηλής ενέργειας που συνοδεύεται από υπερβολικά ισχυρή υπεριώδη εκπομπή, παρουσιάζοντας μια συμπεριφορά εντελώς άγνωστη μέχρι τη δημοσίευση της πρόσφατης μελέτης στο περιοδικό Nature Astronomy.

Για να γίνει κατανοητός ο φυσικός μηχανισμός λειτουργίας αυτών των σωμάτων, πρέπει να εξετάσουμε τη φύση των συμπαγών αντικειμένων που προκύπτουν μετά τον θάνατο των αστέρων, όπως είναι οι μαύρες τρύπες, οι αστέρες νετρονίων και οι λευκοί νάνοι. Εξαιτίας του απειροελάχιστου μεγέθους τους σε σχέση με την τεράστια μάζα τους, αναπτύσσουν ένα βαρυτικό πεδίο τόσο ισχυρό που τους επιτρέπει να έλκουν και να αποσπούν τα εξωτερικά στρώματα αερίων από οποιοδήποτε άστρο τύχει να βρεθεί σε κοντινή τροχιά γύρω τους. Το υλικό που αποσπάται σχηματίζει έναν δίσκο προσαύξησης ο οποίος στροβιλίζεται με ιλιγγιώδεις ταχύτητες, υπερθερμαίνεται λόγω των τεράστιων δυνάμεων τριβής και τελικά καταλήγει στην επιφάνεια του συμπαγούς αντικειμένου.

Συνήθως, αυτή η χαοτική διαδικασία παράγει χείμαρρους ακτίνων Χ υψηλής ενέργειας, γεγονός που κάνει την παρατήρηση του Muhibullah και της ομάδας του να ξεχωρίζει έντονα, αφού τα νεοανακαλυφθέντα συστήματα καταγράφονται σχεδόν αχνά στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα των ακτίνων Χ. Η επιστημονική ομάδα εκτιμά ότι η χαμηλής ενέργειας ακτινοβολία Χ αποτελεί απλώς τη φυσική «διαρροή» από αντικείμενα που διοχετεύουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας τους στο υπεριώδες φάσμα, υποδεικνύοντας ότι πρόκειται για χαμηλότερου επιπέδου συμπαγή διπλά συστήματα που λειτουργούν με διαφορετικούς θερμοδυναμικούς κανόνες σε σχέση με αυτούς που γνωρίζαμε.

Η λύση σε δύο σημαντικά αστροφυσικά μυστήρια

Η σπουδαιότητα της μελέτης υπερβαίνει την απλή καταλογογράφηση νέων ουράνιων σωμάτων, καθώς οι υπερμαλακές πηγές ακτίνων Χ συγκεντρώνουν τις ιδιότητες που απαιτούνται για να δώσουν πειστικές εξηγήσεις σε δύο από τα πιο επίμονα ερωτήματα της σύγχρονης αστροφυσικής έρευνας. Το πρώτο αφορά τον ιονισμό του διαστρικού μέσου, δηλαδή του απέραντου χώρου ανάμεσα στα άστρα ο οποίος είναι γεμάτος από διάσπαρτα άτομα υδρογόνου και ηλίου. Οι φασματοσκοπικές μετρήσεις των αστρονόμων δείχνουν διαχρονικά ότι τα αέρια σε αυτές τις περιοχές είναι ιονισμένα, κάτι που σημαίνει ότι τα άτομά τους έχουν χάσει τα ηλεκτρόνιά τους εξαιτίας της έκθεσης τους σε κάποια πανίσχυρη πηγή ενέργειας. Αν και τα θερμά, τεράστιας μάζας άστρα παράγουν άφθονο υπεριώδες φως που μπορεί να προκαλέσει ιονισμό, ο συνολικός τους αριθμός στους γαλαξίες αποδεδειγμένα δεν επαρκεί για να δικαιολογήσει τα επίπεδα ιονισμού που παρατηρούμε, αφήνοντας ένα τεράστιο ενεργειακό κενό στους μαθηματικούς υπολογισμούς των επιστημόνων. Εφόσον οι υπερμαλακές πηγές απελευθερώνουν χειμάρρους υπεριώδους ακτινοβολίας στο Διάστημα, καλύπτουν απολύτως αυτό το κενό και εξηγούν πώς ρυθμίζεται έμμεσα ο ρυθμός γέννησης νέων άστρων, αφού η αστρική δημιουργία απαιτεί απαραιτήτως κρύα και μη ιονισμένα αέρια για να ξεκινήσει η βαρυτική κατάρρευση.

Το δεύτερο μυστήριο συνδέεται άμεσα με τη διαδικασία πυροδότησης των υπερκαινοφανών αστέρων τύπου Ia, των διάσημων αστρικών εκρήξεων που χρησιμοποιούνται από τους αστρονόμους ως κοσμικοί φάροι για τη μέτρηση των τεράστιων αποστάσεων στο Σύμπαν και την προσεκτική χαρτογράφηση της Σκοτεινής Ενέργειας. Γνωρίζουμε εμπειρικά ότι αυτές οι εκρήξεις τροφοδοτούνται όταν ένας λευκός νάνος συσσωρεύει μάζα από τον συνοδό του μέχρι να ξεπεράσει το αυστηρό όριο Chandrasekhar, το οποίο ισούται με 1,44 φορές τη μάζα του δικού μας Ήλιου. Παρόλα αυτά, ο ακριβής μηχανισμός της ανάφλεξης και τα μικροσκοπικά στοιχεία που πυροδοτούν την τελική αλυσιδωτή αντίδραση στο εσωτερικό του λευκού νάνου παραμένουν νεφελώδη, καθώς οι επιστήμονες μέχρι σήμερα μπορούσαν να μελετήσουν μόνο τα απομεινάρια των εκρήξεων αφού αυτές είχαν ήδη λάβει χώρα. 

Όπως εξηγεί αναλυτικά ο καθηγητής Jimmy Irwin, μέλος της ερευνητικής ομάδας του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα, ο εντοπισμός και η συστηματική παρατήρηση αυτών των νέων συμπαγών διπλών συστημάτων πριν φτάσουν στο κρίσιμο σημείο της θερμοπυρηνικής έκρηξης, μπορεί να παρέχει τα δεδομένα παρατήρησης που λείπουν για να κατανοήσουμε την προετοιμασία και την ακριβή στιγμή που ένας λευκός νάνος ετοιμάζεται να καταστραφεί.

Γιατί δεν είχαν εντοπιστεί νωρίτερα;

Ο λόγος για τον οποίο ένα τόσο ενεργητικό και κρίσιμο αστροφυσικό φαινόμενο παρέμενε κρυφό για δεκαετίες από τα ισχυρότερα τηλεσκόπια του κόσμου, κρύβεται στη φύση της ίδιας της ακτινοβολίας που εκπέμπουν τα σώματα αυτά και στον τρόπο με τον οποίο το φως ταξιδεύει μέσα στον γαλαξία μας. Το διαστρικό μέσο λειτουργεί ως ένα γιγαντιαίο κοσμικό φίλτρο το οποίο απορροφά εξαιρετικά αποτελεσματικά το υπεριώδες φως και τις ακτίνες Χ πολύ χαμηλής ενέργειας, καθιστώντας πρακτικά αδύνατη την άμεση παρατήρησή τους μέσα από το πυκνό γαλαξιακό επίπεδο του Milky Way.

Οι επιστήμονες αναγκάστηκαν να στρέψουν τα ευαίσθητα όργανα προς άλλους γαλαξίες, κοιτάζοντας ουσιαστικά έξω και μακριά από τον γεμάτο σκόνη δίσκο του δικού μας γαλαξία, για να καταφέρουν να ανιχνεύσουν την ανεπαίσθητη αυτή ακτινοβολία. Το γεγονός ότι το παρατηρητήριο Chandra εντόπισε με σχετική ευκολία 84 τέτοιες πηγές σε μόλις έξι γαλαξιακούς σχηματισμούς, υποδηλώνει με μαθηματική βεβαιότητα ότι υπάρχει ένας τεράστιος, αθέατος πληθυσμός υπερμαλακών πηγών ακτίνων Χ που περιμένει να ανακαλυφθεί και ο οποίος παίζει πολύ πιο ενεργό ρόλο στην εξέλιξη της γαλαξιακής δομής από ό,τι υπολογίζαμε.