Η μετατόπιση της γραμμής κυκλότρου στα πάλσαρς ακτίνων Χ είναι τώρα κατανοητή!
Τα αστέρια νετρονίων είναι τα πυκνότερα αντικείμενα στο Σύμπαν και οι ισχυρότεροι μαγνήτες. Η Γη και ο Ήλιος είναι επίσης μαγνήτες, με μαγνητικό πεδίο ίσο με περίπου μια μονάδα (που λέγεται Gauss στο σύστημα cgs). Οι μαγνήτες που έχουν κατασκευαστεί στο εργαστήριο έχουν μαγνητικό πεδίο μερικές δεκάδες χιλιάδες Gauss. Είναι επομένως εντυπωσιακό το ότι ανακαλύψαμε (το 1977) ότι τα αστέρια νετρονίων έχουν μαγνητικά πεδία 12 με 13 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα από αυτό του Ήλιου.
Ο τρόπος μέτρησης του μαγνητικού πεδίου των αστεριών νετρονίων είναι εξίσου εντυπωσιακός. Ο Landau έδειξε (το 1930) ότι ηλεκτρόνια σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο συμπεριφέρονται σαν αρμονικοί ταλαντωτές και συνεπώς οι ενεργειακές στάθμες τους είναι κβαντισμένες και ισαπέχουσες σε ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια ενός αστεριού νετρονίων ή κοντά σ’ αυτήν είναι στη θεμελιώδη κατάστασή τους, καθώς οι κρούσεις δεν είναι ισχυρές για να τα διεγείρουν σε υψηλότερες καταστάσεις. Όμως, αν ένα συνεχές φάσμα ακτίνων Χ πέσει πάνω τους, απορροφούν φωτόνια με ενέργεια κοντά στην λεγόμενη «ενέργεια κυκλότρου» και μεταβαίνουν στην πρώτη διεγερμένη κατάσταση. Αυτά τα απορροφηθέντα φωτόνια λείπουν από το παρατηρούμενο φάσμα και αποκαλούμε αυτή την έλλειψη φασματική «γραμμή κυκλότρου». Με άλλα λόγια, αν παρατηρήσομε το εκπεμπόμενο φάσμα ακτίνων Χ από ένα αστέρι νετρονίων και αυτό εμφανίζει μια γραμμή κυκλότρου, μπορούμε να υπολογίσομε την ένταση του μαγνητικού πεδίου στην περιοχή εκπομπής του φάσματος, διότι η ενέργεια της γραμμής κυκλότρου είναι ανάλογη της έντασης του μαγνητικού πεδίου και η σταθερά αναλογίας είναι γνωστή.
Είμαστε οικείοι με φασματικές γραμμές που δημιουργούνται από τα διάφορα χημικά στοιχεία στη Γη και στο Σύμπαν, αλλά αυτές είναι σε χαμηλότερες ενέργειες. Κανένα χημικό στοιχείο δεν μπορεί να σχηματίσει φασματική γραμμή με ενέργεια ίση με μερικές δεκάδες keV, έτσι είμαστε σίγουροι ότι οι παρατηρούμενες γραμμές κυκλότρου από πάλσαρς ακτίνων Χ οφείλονται στο μαγνητικό πεδίο τους.
Ο Νίκος Λούδας, τώρα διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο Princeton, ανέλαβε ως δευτεροετής προπτυχιακός φοιτητής στην Κρήτη να κατανοήσει τον σχηματισμό γραμμής κυκλότρου στα πάλσαρς ακτίνων Χ και τη μετατόπισή της καθώς αλλάζει η φωτεινότητα της πηγής. Ένα δύσκολο έργο, ειδικά για προπτυχιακό φοιτητή, αλλά, μέχρι την απόκτηση του Μάστερ στην Κρήτη, απέδειξε ποσοτικά αυτό που είχε προταθεί το 1976, ότι δηλαδή η γραμμή κυκλότρου στους πάλσαρς ακτίνων Χ δημιουργείται στο κρουστικό κύμα που δημιουργείται πάνω από την επιφάνεια του αστεριού νετρονίων λόγω πρόσπτωσης ύλης. Κατόπιν, λαμβάνοντας υπόψη την αλλαγή του ύψους του κρουστικού κύματος λόγω της μεταβολής της φωτεινότητας της πηγής και όλα τα σχετικιστικά φαινόμενα (Ειδικά και Γενικά) που υπεισέρχονται, μπόρεσε να αναπαράξει ποσοτικά τη μετατόπιση της γραμμής κυκλότρου λόγω της αύξησης της φωτεινότητας ενός πάλσαρ ακτίνων Χ (V0332+53), για τον οποίο έχομε ακριβείς παρατηρήσεις. Αυτό φαίνεται στην Εικόνα.
Η πράσινη διακεκομμένη γραμμή δείχνει την μεταβολή της ενέργειας της γραμμής κυκλότρου με τη φωτεινότητα των ακτίνων Χ, αν λάβομε υπόψη μας μόνο τη μεταβολή του ύψους του κύματος κρούσεως με τη φωτεινότητα. Η μωβ διαστιγματισμένη γραμμή δείχνει την αναμενόμενη μεταβολή της ενέργειας της γραμμής κυκλότρου αν επιπλέον λάβομε υπόψη μας τη βαρυτική μετατόπιση της γραμμής . Τέλος, η μαύρη συνεχής γραμμή δείχνει την αναμενόμενη μεταβολή της ενέργειας της γραμμής κυκλότρου, αν όλα τα φαινόμενα της Ειδικής και Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας ληφθούν υπόψη. Είναι εμφανές ότι η μαύρη γραμμή αναπαριστά καλά τα παρατηρησιακά δεδομένα (μπλε κουκίδες) από την πηγή V0332+53. Παρατηρήστε ότι μια παρατηρούμενη γραμμή κυκλότρου στα περίπου 30 keV συνεπάγεται μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια του αστεριού νετρονίων που αντιστοιχεί στα περίπου 60 keV. Με άλλα λόγια, το μαγνητικό πεδίο κοντά στην επιφάνεια του αστεριού νετρονίων V0332+53 είναι περίπου διπλάσιο από αυτό που θα συμπέραινε κανείς απλοϊκά από την παρατηρούμενη γραμμή κυκλότρου.
Άρθρα:
- “Cyclotron line formation in the radiative shock of an accreting magnetized neutron star”, N. Loudas, N. Kylafis, J. Truemper, 2024, A&A, 685, 95 – May 2024
- “A quantitative explanation of the cyclotron-line variation in accreting magnetic neutron stars of super-critical luminosity”, N. Loudas, N. Kylafis, J. Truemper, 2024, A&A, 689, 75 – September 2024