Нейтронная звезда. Астрофизики уточнили предельную массу нейтронных звезд. Классификация нейтронных звёзд
В центре галактики М82 можно увидеть пульсар (розовый)
Изучите пульсары и нейтронные звезды Вселенной: описание и характеристика с фото и видео, строение, вращение, плотность, состав, масса, температура, поиск.
Пульсары
Пульсары представляют собою сферические компактные объекты, размеры которых не выходят за границу большого города. Удивительно то, что при таком объеме они по массивности превосходят солнечную. Их используют для исследования экстремальных состояний материи, обнаружения планет за пределами нашей системы и измерения космических дистанций. Кроме того, они помогли найти гравитационные волны, указывающие на энергетические события, вроде столкновений сверхмассивных . Впервые обнаружены в 1967 году.
Что такое пульсар?
Если высматривать на небе пульсар, то кажется обычной мерцающей звездой, следующей по определенному ритму. На самом деле, их свет не мерцает и не пульсирует, и они не выступают звездами.
Пульсар вырабатывает два стойких узких световых луча в противоположных направлениях. Эффект мерцания создается из-за того, что они вращаются (принцип маяка). В этот момент луч попадает на Землю, а затем снова поворачивается. Почему это происходит? Дело в том, что световой луч пульсара обычно не совмещается с его осью вращения.
Если мигание создается вращением, то скорость импульсов отображает ту, с которой вращается пульсар. Всего было найдено 2000 пульсаров, большая часть их которых делает один оборот в секунду. Но есть примерно 200 объектов, умудряющихся за то же время совершать по сотне оборотов. Наиболее быстрые называют миллисекундными, потому что их количество оборотов за секунду приравнивается к 700.
Пульсары нельзя считать звездами, по крайней мере «живыми». Это скорее нейтронные звезды, формирующиеся после того, как у массивной звезды заканчивается топливо, и она разрушается. В результате создается сильный взрыв – сверхновая, а оставшийся плотный материал трансформируется в нейтронную звезду.
Диаметр пульсаров во Вселенной достигает 20-24 км, а по массе вдвое больше солнечной. Чтобы вы понимали, кусочек такого объекта размером с сахарный куб будет весить 1 миллиард тонн. То есть, у вас в руке помещается нечто весом с Эверест! Правда есть еще более плотный объект – черная дыра. Наиболее массивная достигает 2.04 солнечной массы.
Пульсары обладают сильным магнитным полем, которое от 100 миллионов до 1 квадриллиона раз сильнее земного. Чтобы нейтронная звезда начала излучать свет подобный пульсару, она должна обладать правильным соотношением напряженности магнитного поля и частоты вращения. Случается так, что луч радиоволн может не пройти через поле зрения наземного телескопа и остаться невидимым.
Радиопульсары
Астрофизик Антон Бирюков о физике нейтронных звезд, замедлении вращения и открытии гравитационных волн:
Почему пульсары вращаются?
Медлительность для пульсара – одно вращение в секунду. Наиболее быстрые разгоняются до сотен оборотов в секунду и называются миллисекундными. Процесс вращения происходит, потому что звезды, из которых они образовались, также вращались. Но, чтобы добраться до такой скорости, нужен дополнительный источник.
Исследователи полагают, что миллисекундные пульсары сформировались при помощи воровства энергии у соседа. Можно заметить наличие чужого вещества, которое увеличивает скорость вращения. И это не очень хорошо для пострадавшего компаньона, который однажды может полностью поглотиться пульсаром. Такие системы называют черными вдовами (в честь опасного вида паука).
Пульсары способны излучать свет в нескольких длинах волн (от радио до гамма-лучей). Но как они это делают? Ученые пока не могут найти точного ответа. Полагают, что за каждую длину волн отвечает отдельный механизм. Маякоподобные лучи состоят из радиоволн. Они отличаются яркостью и узостью и напоминают когерентный свет, где частицы формируют сфокусированный луч.
Чем быстрее вращение, тем слабее магнитное поле. Но скорости вращения достаточно, чтобы они излучали такие же яркие лучи, как и медленные.
Во время вращения, магнитное поле создает электрическое, которое способно привести заряженные частицы в подвижное состояние (электрический ток). Участок над поверхностью, где доминирует магнитное поле, называют магнитосферой. Здесь заряженные частицы ускоряются до невероятно высоких скоростей из-за сильного электрического поля. При каждом ускорении они излучают свет. Он отображается в оптическом и рентгеновском диапазоне.
А что с гамма-лучами? Исследования говорят о том, что их источник нужно искать в другом месте возле пульсара. И они будут напоминать веер.
Поиск пульсаров
Главным методом для поиска пульсаров в космосе остаются радиотелескопы. Они небольшие и слабые по сравнению с другими объектами, поэтому приходится сканировать все небо и постепенно в объектив попадают эти объекты. Большая часть была найдена при помощи Обсерватории Паркса в Австралии. Много новых данных можно будет получить с Антенной решетки в квадрантный километр (SKA), стартующий в 2018 году.
В 2008 году запустили телескоп GLAST, который нашел 2050 гамма-излучающих пульсаров, среди которых 93 были миллисекундными. Этот телескоп невероятно полезен, так как сканирует все небо, в то время как другие выделяют лишь небольшие участки вдоль плоскости .
Поиск различных длин волн может сталкиваться с проблемами. Дело в том, что радиоволны невероятно мощные, но могут просто не попадать в объектив телескопа. А вот гамма-излучения распространяются по больше части неба, но уступают по яркости.
Сейчас ученые знают о существовании 2300 пульсаров, найденных по радиоволнам и 160 через гамма-лучи. Есть также 240 миллисекундных пульсаров, из которых 60 производят гамма-излучение.
Использование пульсаров
Пульсары – не просто удивительные космические объекты, но и полезные инструменты. Испускаемый свет может многое поведать о внутренних процессах. То есть, исследователи способны разобраться в физике нейтронных звезд. В этих объектах настолько высокое давление, что поведение материи отличается от привычного. Странное наполнение нейтронных звезд называют «ядерной пастой».
Пульсары приносят много пользы благодаря точности импульсов. Ученые знают конкретные объекты и воспринимают их как космические часы. Именно так начали появляться догадки о наличии других планет. Фактически, первая найденная экзопланета вращалась вокруг пульсара.
Не забывайте, что пульсары во время «мигания» продолжают двигаться, а значит, можно с их помощью измерять космические дистанции. Они также участвовали в проверке теории относительности Эйнштейна, вроде моментов с силой тяжести. Но регулярность пульсации может нарушаться гравитационными волнами. Это заметили в феврале 2016 года.
Кладбища пульсаров
Постепенно все пульсары замедляются. Излучение питается от магнитного поля, создаваемого вращением. В итоге, он также теряет свою мощность и прекращает посылать лучи. Ученые вывели специальную черту, где еще можно обнаружить гамма-лучи перед радиоволнами. Как только пульсар опускается ниже, его списывают в кладбище пульсаров.
Если пульсар сформировался из остатков сверхновой, то обладает огромным энергетическим запасом и быстрой скоростью вращения. Среди примеров можно вспомнить молодой объект PSR B0531+21. В такой фазе он может пробыть несколько сотен тысяч лет, после чего начнет терять скорость. Пульсары среднего возраста составляют большую часть населения и производят только радиоволны.
Однако, пульсар может продлить себе жизнь, если рядом есть спутник. Тогда он будет вытягивать его материал и увеличивать скорость вращения. Такие изменения могут произойти в любое время, поэтому пульсар способен возрождаться. Подобный контакт называют маломассивной рентгеновской двойной системой. Наиболее старые пульсары – миллисекундные. Некоторые достигают возраста в миллиарды лет.
Нейтронные звезды
Нейтронные звезды – довольно загадочные объекты, превышающие солнечную массу в 1.4 раза. Они рождаются после взрыва более крупных звезд. Давайте узнаем эти формирования поближе.
Когда взрывается звезда, массивнее Солнца в 4-8 раз, остается ядро с большой плотностью, продолжающее разрушаться. Гравитация так сильно давит на материал, что заставляет протоны и электроны сливаться, чтобы предстать в виде нейтронов. Так и рождается нейтронная звезда высокой плотности.
Эти массивные объекты способны достигать в диаметре всего 20 км. Чтобы вы осознали плотность, всего одна ложечка материала нейтронной звезды будет весить миллиард тонн. Гравитация на таком объекте в 2 миллиарда раз сильнее земной, а мощности хватает для гравитационного линзирования, позволяющего ученым рассмотреть заднюю часть звезды.
Толчок от взрыва оставляет импульс, который заставляет нейтронную звезду вращаться, достигая нескольких оборотов в секунду. Хотя они могут разгоняться до 43000 раз в минуту.
Пограничные слои вблизи компактных объектов
Астрофизик Валерий Сулейманов о возникновении аккреционных дисков, звездном ветре и веществе вокруг нейтронных звезд:
Недра нейтронных звезд
Астрофизик Сергей Попов об экстремальных состояниях вещества, составе нейтронных звезд и способах изучения недр:
Когда нейтронная звезда выступает частью двойной системы, где взорвалась сверхновая, картина выглядит еще более впечатляющей. Если вторая звезда уступала по массивности Солнцу, то тянет массу компаньона в «лепесток Роша». Это шарообразное облако материла, совершающее обороты вокруг нейтронной звезды. Если же спутник был больше солнечной массы в 10 раз, то передача массы также настраивается, но не такая устойчивая. Материал течет вдоль магнитных полюсов, нагревается и создаются рентгеновские пульсации.
К 2010 году было найдено 1800 пульсаров при помощи радиообнаружения и 70 через гамма-лучи. У некоторых экземпляров даже замечали планеты.
Типы нейтронных звезд
У некоторых представителей нейтронных звезд струи материала текут практически со скоростью света. Когда они пролетают мимо нас, то вспыхивают как свет маяка. Из-за этого их прозвали пульсарами.
НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА
звезда, в основном состоящая из нейтронов. Нейтрон - это нейтральная субатомная частица, одна из главных составляющих вещества. Гипотезу о существовании нейтронных звезд выдвинули астрономы В.Бааде и Ф.Цвикки сразу после открытия нейтрона в 1932. Но подтвердить эту гипотезу наблюдениями удалось лишь после открытия пульсаров в 1967.
См. также
ПУЛЬСАР . Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса нормальных звезд с массами в несколько раз больше солнечной. Плотность нейтронной звезды близка к плотности атомного ядра, т.е. в 100 млн. раз выше плотности обычного вещества. Поэтому при своей огромной массе нейтронная звезда имеет радиус всего ок. 10 км. Из-за малого радиуса нейтронной звезды сила тяжести на ее поверхности чрезвычайно велика: примерно в 100 млрд. раз выше, чем на Земле. От коллапса эту звезду удерживает "давление вырождения" плотного нейтронного вещества, не зависящее от его температуры. Однако если масса нейтронной звезды станет выше примерно 2 солнечных, то сила тяжести превысит это давление и звезда не сможет противостоять коллапсу.
См. также
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС . У нейтронных звезд очень сильное магнитное поле, достигающее на поверхности 10 12-10 13 Гс (для сравнения: у Земли ок. 1 Гс). С нейтронными звездами связывают небесные объекты двух разных типов.
Пульсары (радиопульсары).
Эти объекты строго регулярно излучают импульсы радиоволн. Механизм излучения до конца не ясен, но считают, что вращающаяся нейтронная звезда излучает радиолуч в направлении, связанном с ее магнитным полем, ось симметрии которого не совпадает с осью вращения звезды. Поэтому вращение вызывает поворот радиолуча, периодически направляющегося на Землю.
Рентгеновские двойные.
С нейтронными звездами, входящими в двойную систему с массивной нормальной звездой, связаны также пульсирующие рентгеновские источники. В таких системах газ с поверхности нормальной звезды падает на нейтронную звезду, разгоняясь до огромной скорости.
При ударе о поверхность нейтронной звезды газ выделяет 10-30% своей энергии покоя, тогда как при ядерных реакциях этот показатель не достигает и 1%. Нагретая до высокой температуры поверхность нейтронной звезды становится источником рентгеновского излучения. Однако падение газа не происходит равномерно по всей поверхности: сильное магнитное поле нейтронной звезды захватывает падающий ионизованный газ и направляет его к магнитным полюсам, куда он и падает, как в воронку. Поэтому сильно нагреваются только районы полюсов, которые на вращающейся звезде становятся источниками рентгеновских импульсов. Радиоимпульсы от такой звезды уже не поступают, поскольку радиоволны поглощаются в окружающем ее газе.
Состав.
Плотность нейтронной звезды растет с глубиной. Под слоем атмосферы толщиной всего несколько сантиметров находится жидкая металлическая оболочка толщиной несколько метров, а ниже - твердая кора километровой толщины. Вещество коры напоминает обычный металл, но гораздо плотнее. В наружной части коры это в основном железо; с глубиной в его составе увеличивается доля нейтронов. Там, где плотность достигает ок. 4*10 11 г/см3, доля нейтронов увеличивается настолько, что некоторые из них уже не входят в состав ядер, а образуют сплошную среду. Там вещество похоже на "море" из нейтронов и электронов, в которое вкраплены ядра атомов. А при плотности ок. 2*10 14 г/см3 (плотность атомного ядра) вообще исчезают отдельные ядра и остается сплошная нейтронная "жидкость" с примесью протонов и электронов. Вероятно, нейтроны и протоны ведут себя при этом как сверхтекучая жидкость, подобная жидкому гелию и сверхпроводящим металлам в земных лабораториях.
При еще более высоких плотностях в нейтронной звезде образуются наиболее необычные формы вещества. Может быть, нейтроны и протоны распадаются на еще более мелкие частицы - кварки; возможно также, что рождается много пи-мезонов, которые образуют так называемый пионный конденсат.
См. также
ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ;
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ ;
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ .
ЛИТЕРАТУРА
Дайсон Ф., Тер Хаар Д. Нейтронные звезды и пульсары. М., 1973 Липунов В.М. Астрофизика нейтронных звезд. М., 1987
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Смотреть что такое "НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА" в других словарях:
НЕЙТРОННАЯ ЗВЕЗДА, очень маленькая звезда с большой плотностью, состоящая из НЕЙТРОНОВ. Является последней стадией эволюции многих звезд. Нейтронные звезды образуются, когда массивная звезда вспыхивает в качестве СВЕРХНОВОЙ звезды, взрывая свои… … Научно-технический энциклопедический словарь
Звезда, вещество которой, согласно теоретическим представлениям, состоит в основном из нейтронов. Нейтронизация вещества связана с гравитационным коллапсом звезды после исчерпания в ней ядерного горючего. Средняя плотность нейтронных звезд 2.1017 … Большой Энциклопедический словарь
Строение нейтронной звезды. Нейтронная звезда астрономический объект, являющийся одним из конечных продук … Википедия
Звезда, вещество которой согласно теоретическим представлениям состоит в основном из нейтронов. Средняя плотность такой звезды Нейтронная звезда2·1017 кг/м3, средний радиус 20 км. Обнаруживается по импульсному радиоизлучению см. Пульсары … Астрономический словарь
Звезда, вещество которой, согласно теоретическим представлениям, состоит в основном из нейтронов. Нейтронизация вещества связана с гравитационным коллапсом звезды после исчерпания в ней ядерного горючего. Средняя плотность нейтронной звезды… … Энциклопедический словарь
Гидростатически равновесная звезда, в во к рой состоит в осн. из нейтронов. Образуется в результате превращения протонов в нейтроны при гравитац. коллапсе на конечных стадиях эволюции достаточно массивных звёзд (с массой, в неск. раз превышающей… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Нейтронная звезда - одна из стадий эволюции звезд, когда в результате гравитационного коллапса она сжимается до таких малых размеров (радиус шара 10 20 км), что электроны оказываются вдавленными в ядра атомов и нейтрализуют их заряд, все вещество звезды становится… … Начала современного естествознания
Калвера Нейтронная звезда. Была обнаружена астрономами из Пенсильванского государественного университета США и канадского университета Макгилла в созвездии Малой медвидице. Звезда необычна по своим характеристикам и не похожа ни на одну… … Википедия
- (англ. runaway star) звезда, которая движется с аномально высокой скоростью по отношению к окружающей межзвездной среде. Собственное движение подобной звезды часто указывается именно относительно звездной ассоциации, членом которой… … Википедия
Концепция нейтронных звезд
Концепция нейтронных звёзд не нова: первое предположение о возможности их существования было сделано талантливыми астрономами Фрицем Цвикки и Вальтером Баарде из Калифорнии в 1934г. (несколько раньше в 1932г. возможность существования нейтронных звёзд была предсказана известным советским учёным Л. Д. Ландау.) В конце 30-х годов она стала предметом исследований других американских учёных Оппенгеймера и Волкова. Интерес этих физиков к данной проблеме был вызван стремлением определить конечную стадию эволюции массивной сжи- мающейся звезды. Так как роль и значение сверхновых вскрылись примерно в то же время, было высказано предположение, что нейтронная звезда может оказаться остатком взрыва сверхновой. К несчастью, с началом второй мировой войны внимание учёных переключилось на военные нужды и детальное изучение этих новых и в высшей степени загадочных объектов было приостановлено. Затем, в 50-х годах, изучение нейтронных звёзд возобновили чисто теоретически с целью установить, имеют ли они отношение к проблеме рождения химических элементов в центральных областях звёзд.остаются единственным астрофизическим объектом, существование и свойства которых были предсказаны задолго до их открытия.
В начале 60-х годов открытие космических источников рентгеновского излучения весьма обнадёжило тех, кто рассматривал нейтронные звёзды как возможные источники небесного рентгеновского излучения. К концу 1967г. был обнаружен новый класс небесных объектов - пульсары, что привело учёных в замешательство. Это открытие явилось наиболее важным событием в изучении нейтронных звёзд, так как оно вновь подняло вопрос о происхождении космического рентгеновского излучения. Говоря о нейтронных звёздах, следует учитывать, что их физические характеристики установлены теоретически и весьма гипотетичны, так как физические условия, существующие в этих телах, не могут быть воспроизведены в лабораторных экспериментах.
Свойства нейтронных звезд
Решающее значение на свойства нейтронных звёзд оказывают гравитационные силы. По различным оценкам, диаметры нейтронных звёзд составляют 10-200 км. И этот незначительный по космическим понятиям объём "набит" таким количеством вещества, которое может составить небесное тело, подобное Солнцу, диаметром около 1,5 млн. км, а по массе почти в треть миллиона раз тяжелее Земли! Естественное следствие такой концентрации вещества - невероятно высокая плотность нейтронной звезды. Фактически она оказывается настолько плотной, что может быть даже твёрдой. Сила тяжести нейтронной звезды столь велика, что человек весил бы там около миллиона тонн. Расчёты показывают, что нейтронные звёзды сильно намагничены. Согласно оценкам, магнитное поле нейтронной звезды может достигать 1млн. млн. гаусс, тогда как на Земле оно составляет 1 гаусс. Радиус нейтронной звезды принимается порядка 15 км, а масса - около 0,6 - 0,7 массы Солнца. Наружный слой представляет собой магнитосферу, состоящую из разрежённой электронной и ядерной плазмы, которая пронизана мощным магнитным полем звезды. Именно здесь зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных - излучение на высоких частотах.Плотность нейтронной звезды
Почти сразу же под магнитосферой плотность вещества достигает 1 т/см3, что в 100 000 раз больше плотности железа. Следующий за наружным слой имеет характеристики металла. Этот слой "сверхтвёрдого" вещества, находящегося в кристаллической форме. Кристаллы состоят из ядер атомов с атомной массой 26 - 39 и 58 - 133. Эти кристаллы чрезвычайно малы: чтобы покрыть расстояние в 1 см, нужно выстроить в одну линию около 10 млрд. кристалликов. Плотность в этом слое более чем в 1 млн. раз выше, чем в наружном, или иначе, в 400 млрд. раз превышает плотность железа.Двигаясь дальше к центру звезды, мы пересекаем третий слой. Он включает в себя область тяжёлых ядер типа кадмия, но также богат нейтронами и электронами. Плотность третьего слоя в 1 000 раз больше, чем предыдущего. Глубже проникая в нейтронную звезду, мы достигаем четвёртого слоя, плотность при этом возрастает незначительно - примерно в пять раз. Тем не менее при такой плотности ядра уже не могут поддерживать свою физическую целостность: они распадаются на нейтроны, протоны и электроны. Большая часть вещества пребывает в виде нейтронов. На каждый электрон и протон приходится по 8 нейтронов. Этот слой, по существу, можно рассматривать как нейтронную жидкость, "загрязнённую" электронами и протонами. Ниже этого слоя находится ядро нейтронной звезды. Здесь плотность примерно в 1,5 раза больше, чем в вышележащем слое. И тем не менее даже такое небольшое увеличение плотности приводит к тому, что частицы в ядре движутся много быстрее, чем в любом другом слое. Кинетическая энергия движения нейтронов, смешанных с небольшим количеством протонов и электронов, столь велика, что постоянно происходят неупругие столкновения частиц. В процессах столкновения рождаются все известные в ядерной физике частицы и резонансы, которых насчитывается более тысячи. По всей вероятности, присутствует большое число ещё не известных нам частиц.
Температура нейтронной звезды
Температуры нейтронных звёзд сравнительно высоки. Этого и следует ожидать, если учесть, как они возникают. За первые 10 - 100 тыс. лет существования звезды температура ядра уменьшается до нескольких сотен миллионов градусов. Затем наступает новая фаза, когда температура ядра звезды медленно уменьшается вследствие испускания электромагнитного излучения.В астрофизике, как, впрочем, и в любой другой отрасли науки, наиболее интересны эволюционные проблемы, связанные с извечными вопросами «что было?» и «что будет?». Что случится со звездной массой, примерно равной массе нашего Солнца, мы уже знаем. Такая звезда, пройдя через стадию красного гиганта , станет белым карликом . Белые карлики на диаграмме Герцшпрунга - Рессела лежат в стороне от главной последовательности.
Белые карлики - конец эволюции звезд солнечной массы. Они являются своеобразным эволюционным тупиком. Медленное и спокойное угасание - конец пути всех звезд с массой, меньше солнечной. А что можно сказать о более массивных звездах? Мы увидели, что их жизнь полна бурными событиями. Но возникает естественный вопрос о том, чем же заканчиваются чудовищные катаклизмы, наблюдаемые в виде вспышек сверхновых?
В 1054 году на небе вспыхнула звезда-гостья. Она была видна на небе даже днем и погасла лишь через несколько месяцев. Сегодня мы видим остатки этой звездной катастрофы в виде яркого оптического объекта, обозначенного в каталоге туманностей Месье под номером M1. Это знаменитая Крабовидная туманность - остаток взрыва сверхновой.
В 40-х годах нашего столетия американский астроном В. Бааде начал изучать центральную часть «Краба» для того, чтобы попытаться отыскать в центре туманности звездный остаток от взрыва сверхновой. Кстати говоря, название «краб» этому объекту дал в XIX веке английский астроном лорд Росс. Бааде нашел кандидата на звездный остаток в виде звездочки 17т.
Но астроному не повезло, у него не было подходящей техники для детального исследования, и поэтому он не смог заметить, что звездочка эта мерцает, пульсирует. Будь период этих пульсаций яркости не 0,033 секунды, а, скажем, несколько секунд, Бааде, несомненно, заметил бы это, и тогда честь открытия первого пульсара принадлежала бы не А. Хьюишу и Д. Белл.
Лет за десять до того, как Бааде направил свой телескоп в центр Крабовидной туманности , физики-теоретики начали исследовать состояние вещества при плотностях, превышающих плотность белых карликов (106 - 107 г/см3). Интерес к этому вопросу возник в связи с проблемой конечных стадий эволюции звезд. Интересно, что одним из соавторов этой идеи был все тот же Бааде, который как раз и связал сам факт существования нейтронной звезды с взрывом сверхновой.
Если вещество сжимается до плотностей больших, чем плотность белых карликов, начинаются так называемые процессы нейтронизации. Чудовищное давление внутри звезды «вгоняет» электроны в атомные ядра. В обычных условиях ядро, поглотившее электроны, будет неустойчивым, поскольку оно содержит избыточное количество нейтронов. Однако в компактных звездах это не так. С увеличением плотности звезды электроны вырожденного газа постепенно поглощаются ядрами, и мало-помалу звезда превращается в гигантскую нейтронную звезду - каплю. Вырожденный электронный газ сменяется вырожденным нейтронным газом с плотностью 1014-1015 г/см3. Другими словами, плотность нейтронной звезды в миллиарды раз больше плотности белого карлика.
Долгое время эта чудовищная конфигурация звезды считалась игрой ума теоретиков. Понадобилось более тридцати лет, чтобы природа подтвердила это выдающееся предсказание. В те же 30-е годы было сделано еще одно важное открытие, которое оказало решающее влияние на всю теорию звездной эволюции. Чандрасекар и Л. Ландау установили, что для звезды, исчерпавшей источники ядерной энергии, существует некоторая предельная масса, когда звезда еще сохраняет устойчивость. При этой массе давление вырожденного газа еще в состоянии противостоять силам гравитации. Как следствие у массы вырожденных звезд (белые карлики, нейтронные звезды) существует конечный предел (предел Чандрасекара), превышение которого вызывает катастрофическое сжатие звезды, ее коллапс.
Отметим, что, если масса ядра звезды заключена между 1,2 М и 2,4 М, конечным «продуктом» эволюции такой звезды должна быть нейтронная звезда. При массе ядра менее 1,2 М эволюция приведет в конце концов к рождению белого карлика.
Что же представляет собой нейтронная звезда? Массу ее мы знаем, знаем также, что она состоит в основном из нейтронов, размеры которых также известны. Отсюда легко определить радиус звезды. Он оказывается близким к... 10 километрам! Определить радиус такого объекта действительно несложно, но очень трудно наглядно представить себе, что массу, близкую к массе Солнца, можно разместить в объекте, диаметр которого чуть больше длины Профсоюзной улицы в Москве. Это гигантская ядерная капля, сверхядро элемента, который не укладывается ни в какие периодические системы и имеет неожиданное, своеобразное строение.
Вещество нейтронной звезды обладает свойствами сверхтекучей жидкости! В этот факт на первый взгляд трудно поверить, но это так. Сжатое до чудовищных плотностей вещество напоминает в какой-то мере жидкий гелий. К тому же не следует забывать, что температура нейтронной звезды - порядка миллиарда градусов, а, как мы знаем, сверхтекучесть в земных условиях проявляется лишь при сверхнизких температурах.
Правда, для поведения самой нейтронной звезды температура особой роли не играет, поскольку устойчивость ее определяется давлением вырожденного нейтронного газа - жидкости. Строение нейтронной звезды во многом напоминает строение планеты. Помимо «мантии», состоящей из вещества с удивительными свойствами сверхпроводящей жидкости, такая звезда имеет тонкую твердую кору толщиной примерно в километр. Предполагается, что кора обладает своеобразной кристаллической структурой. Своеобразной потому, что в отличие от известных нам кристаллов, где строение кристалла зависит от конфигурации электронных оболочек атома, в коре нейтронной звезды атомные ядра лишены электронов. Поэтому они образуют решетку, напоминающую кубические решетки железа, меди, цинка, но, соответственно при неизмеримо более высоких плотностях. Далее идет мантия, о свойствах которой мы уже говорили. В центре нейтронной звезды плотности достигают 1015 граммов в кубическом сантиметре. Другими словами, чайная ложка вещества такой звезды весит миллиарды тонн. Предполагается, что в центре нейтронной звезды происходит непрерывное образование всех известных в ядерной физике, а также еще не открытых экзотических элементарных частиц.
Нейтронные звезды довольно быстро остывают. Оценки показывают, что за первые десять - сто тысяч лет температура падает от нескольких миллиардов до сотен миллионов градусов. Нейтронные звезды быстро вращаются, и это приводит к целому ряду очень интересных следствий. Кстати говоря, именно малые размеры звезды позволяют ей при быстром вращении оставаться целой. Будь ее диаметр не 10, а, скажем, 100 километров, она была бы просто разорвана центробежными силами.
Мы уже говорили об интригующей истории открытия пульсаров. Сразу же была высказана мысль, что пульсар - быстро вращающаяся нейтронная звезда, поскольку из всех известных звездных конфигураций лишь она одна могла бы остаться устойчивой, вращаясь с большой.скоростью. Именно изучение пульсаров позволило прийти к замечательному выводу о том, что открытые «на кончике пера» теоретиками нейтронные звезды действительно существуют в природе и возникают они в результате вспышек сверхновых. Трудности их обнаружения в оптическом диапазоне очевидны, поскольку из-за малого диаметра большинство нейтронных звезд нельзя увидеть в самые мощные телескопы, хотя, как мы видели, здесь есть и исключения - пульсар в Крабовидной туманности .
Итак, астрономы открыли новый класс объектов - пульсары , быстро вращающиеся нейтронные звезды. Возникает естественный вопрос: что является причиной столь быстрого вращения нейтронной звезды, почему, собственно говоря, она должна крутиться вокруг своей оси с огромной скоростью?
Причина этого явления проста. Мы хорошо знаем, как может увеличить скорость вращения фигурист, когда прижимает руки к телу. При этом он использует закон сохранения момента количества движения. Этот закон не нарушается никогда, и именно он при взрыве сверхновой во много раз увеличивает скорость вращения ее остатка - пульсара.
Действительно, в процессе коллапса звезды ее масса (то, что осталось после взрыва) не меняется, а радиус уменьшается примерно в сто тысяч раз. Но момент количества движения, равный произведению экваториальной скорости вращения на массу и на радиус, остается прежним. Масса не меняется, следовательно, скорость должна увеличиваться в те же сто тысяч раз.
Рассмотрим простой пример. Наше Солнце довольно медленно вращается вокруг собственной оси. Период этого вращения составляет примерно 25 суток. Так вот, если бы Солнце вдруг стало нейтронной звездой, период его вращения уменьшился бы до одной десятитысячной доли секунды.
Второе важное следствие из законов сохранения состоит в том, что нейтронные звезды должны быть очень сильно намагничены. В самом деле, в любом природном процессе мы не можем просто так взять и уничтожить магнитное поле (если оно уже существует). Магнитные силовые линии навсегда связаны с обладающим прекрасной электропроводностью веществом звезды. Величина магнитного потока на поверхности звезды равна произведению величины напряженности магнитного поля на квадрат радиуса звезды. Эта величина строго постоянна. Вот почему при сжатии звезды магнитное поле должно очень сильно увеличиться. Остановимся на этом явлении несколько подробнее, поскольку именно оно обусловливает многие удивительные свойства пульсаров.
На поверхности нашей Земли можно измерить напряженность магнитного поля. Мы получим небольшую величину около одного гаусса. В хорошей физической лаборатории можно получить магнитные поля величиной в миллион гаусс. На поверхности белых карликов напряженность магнитного поля достигает ста миллионов гаусс. Вблизи поля еще сильнее - до десяти миллиардов гаусс. Но на поверхности нейтронной звезды природа достигает абсолютного рекорда. Здесь напряженность поля может составлять сотни тысяч миллиардов гаусс. Пустота в литровой банке, содержащей внутри себя такое поле, весила бы около тысячи тонн.
Столь сильные магнитные поля не могут не повлиять (разумеется, в сочетании с гравитационным полем) на характер взаимодействия нейтронной звезды с окружающим веществом. Ведь мы пока еще не говорили о том, почему пульсары обладают огромной активностью, почему они излучают радиоволны. Да и не только радиоволны. На сегодняшний день астрофизикам хорошо известны рентгеновские пульсары, наблюдающиеся только в двойных системах, гамма-источники с необычными свойствами, так называемые рентгеновские барстеры.
Чтобы представить себе различные механизмы взаимодействия нейтронной звезды с веществом, обратимся к общей теории медленного изменения режимов взаимодействия нейтронных звезд с окружающей средой. Рассмотрим вкратце основные этапы такой эволюции. Нейтронные звезды - остатки вспышек сверхновых - вначале очень быстро вращаются с периодом 10 -2 - 10 -3 секунды. При таком быстром вращении звезда испускает радиоволны, электромагнитное излучение, частицы.
Одним иа наиболее удивительных свойств пульсаров является чудовищная мощность их излучения, в миллиарды раз превосходящая мощность излучения звездных недр. Так, например, мощность радиоизлучения пульсара в «Крабе» достигает 1031 эрг/сек, в оптике- 1034 эрг/сек, что гораздо больше, чем мощность излучения Солнца. Еще больше излучает этот пульсар в рентгеновском и гамма-диапазонах.
Как же устроены эти природные генераторы энергии? Все радиопульсары обладают одним общим свойством, которое и послужило ключом к разгадке механизма их действия. Это свойство заключается в том, что период излучения импульсов не остается постоянным, он медленно, увеличивается. Стоит отметить, что и это свойство вращающихся нейтронных звезд было сначала предсказано теоретиками, а затем очень быстро подтверждено экспериментально. Так, в 1969 году было установлено, что период излучения импульсов пульсара в «Крабе» растет на 36 миллиардных долей секунды в день.
Не будем сейчас говорить, каким образом измеряются столь малые промежутки времени. Для нас важен сам факт увеличения периода между импульсами, который, кстати говоря, дает возможность оценивать и возраст пульсаров. Но все-таки почему пульсар излучает импульсы радиоизлучения? Полностью это явление не объяснено в рамках какой-либо законченной теории. Но качественную картину явления можно тем не менее обрисовать.
Все дело в том, что ось вращения нейтронной звезды не совпадает с ее магнитной осью. Из электродинамики хорошо известно, что если вращать в вакууме магнит вокруг оси, которая не совпадает с магнитной, то возникнет электромагнитное излучение как раз на частоте вращения магнита. Одновременно будет тормозиться скорость вращения магнита. Это понятно из общих соображений, поскольку, если бы торможения не происходило, мы имели бы просто-напросто вечный двигатель.
Таким образом, наш передатчик черпает энергию радиоимпульсов из вращения звезды, а магнитное поле ее является как бы приводным ремнем машины. Реальный процесс намного сложнее, поскольку вращающийся в вакууме магнит лишь частично является аналогом пульсара. Ведь нейтронная звезда вращается отнюдь не в вакууме, она окружена мощной магнитосферой, плазменным облаком, а это хороший проводник, вносящий свои коррективы в нарисованную нами простую и довольно схематичную картину. В результате взаимодействия магнитного поля пульсара с окружающей его магнитосферой и образуются узкие пучки направленного излучения, которое при благоприятном «расположении светил» может наблюдаться в различных участках галактики, в частности на Земле.
Быстрое вращение радиопульсара в начале его жизни вызывает не только радиоизлучение. Значительная часть энергии уносится также релятивистскими частицами. По мере уменьшения скорости вращения пульсара давление излучения падает. До этого излучение отбрасывало плазму от пульсара. Теперь же окружающее вещество начинает падать на звезду и гасит ее излучение. Этот процесс может быть особенно эффективен, если пульсар входит в двойную систему. В такой системе, особенно если она достаточно тесная, пульсар перетягивает на себя вещество «нормального» компаньона.
Если пульсар молод и полон сил, его радиоизлучение еще в состоянии «пробиться» к наблюдателю. Но старый пульсар уже не в состоянии бороться с аккрецией, и она «тушит» звезду. По мере замедления вращения пульсара начинают проявляться и другие замечательные процессы. Поскольку гравитационное поле у нейтронной звезды очень мощное, при аккреции вещества выделяется значительное количество энергии в виде рентгеновского излучения. Если в двойной системе нормальный компаньон отдает пульсару заметное количество материи, примерно 10 -5 - 10 -6 М в год, нейтронная звезда будет наблюдаться не как радиопульсар, а как рентгеновский пульсар.
Но это еще не все. В некоторых случаях, когда магнитосфера нейтронной звезды находится близко к ее поверхности, вещество начинает там накапливаться, образуя своего рода оболочку звезды. В этой оболочке могут создаться благоприятные условия для прохождения термоядерных реакций, и тогда мы можем увидеть на небе рентгеновский барстер (от английского слова burst - «вспышка»).
Собственно говоря, этот процесс не должен выглядеть для нас неожиданным, мы уже говорили о нем применительно к белым карликам. Однако условия на поверхности белого карлика и нейтронной звезды сильно отличаются, и поэтому рентгеновские барстеры однозначно связываются именно с нейтронными звездами. Термо ядерные взрывы наблюдаются нами в виде рентгеновских вспышек и, быть может, гамма-всплесков. И действительно, некоторые гамма-всплески могут быть, по всей видимости, обусловлены термоядерными взрывами на поверхности нейтронных звезд.
Но вернемся к рентгеновским пульсарам. Механизм их излучения, естественно, совершенно иной, нежели у барстеров. Ядерные источники энергии здесь уже не играют никакой роли. Кинетическая энергия самой нейтронной звезды также не может быть согласована с данными наблюдений.
Возьмем для примера рентгеновский источник Центавр Х-1. Его мощность составляет 10 эрг/сек. Стало быть, запаса этой энергии могло бы хватить только на один год. Кроме того, вполне очевидно, что период вращения звезды в этом случае должен был бы увеличиваться. Однако у многих рентгеновских пульсаров в отличие от радиопульсаров период между импульсами со временем уменьшается. Значит, здесь дело не в кинетической энергии вращения. Как же работают рентгеновские пульсары?
Мы помним, что проявляются они в двойных системах. Именно там процессы аккреции особенно эффективны. Скорость падения вещества на нейтронную звезду может достигать одной трети скорости света (100 тысяч километров в секунду). Тогда один грамм вещества выделит энергию 1020 эрг. А чтобы обеспечить энерговыделение в 1037 эрг/сек, необходимо, чтобы поток вещества на нейтронную звезду составлял 1017 граммов в секунду. Это, в общем-то, не очень много, около одной тысячной массы Земли в год.
Поставщиком материала может быть оптический компаньон. С части поверхности его по направлению к нейтронной звезде будет непрерывно течь струя газа. Она и будет снабжать и энергией, и веществом аккреционный диск, образующийся вокруг нейтронной звезды.
Поскольку у нейтронной звезды огромное магнитное поле, газ будет «стекать» по магнитным силовым линиям к полюсам. Именно там, в сравнительно небольших «пятнах» размером порядка всего лишь одного километра, разыгрываются грандиозные по своим масштабам процессы рождения мощнейшего рентгеновского излучения. Излучают рентген релятивистские и обычные электроны, движущиеся в магнитном поле пульсара. Падающий на него газ может и «подпитывать» его вращение. Поэтому-то именно у рентгеновских пульсаров наблюдается в ряде случаев уменьшение периода вращения.
Рентгеновские источники, входящие в двойные системы,- одно из самых замечательных явлений в космосе. Их немного, вероятно, не более сотни в нашей Галактике, но значение их огромно не только с точки зрения , в частности для понимания I типа. Двойные системы обеспечивают наиболее естественный и эффективный путь перетекания вещества от звезды к звезде, и именно здесь (за счет сравнительно быстрого изменения массы звезд) мы можем столкнуться с различными вариантами «ускоренной» эволюции.
Еще одно интересное соображение. Мы знаем, как трудно, практически невозможно оценить массу одиночной звезды. Но поскольку нейтронные звезды входят в двойные системы, может оказаться, что рано или поздно удастся эмпирически (а это чрезвычайно важно!) определить предельную массу нейтронной звезды, а также получить прямую информацию о ее происхождении.
Остаток сверхновой Корма-А, в центре которой находится нейтронная звезда
Нейтронные звезды являются остатками массивных звезд, которые достигли конца своего эволюционного пути во времени и пространстве.
Эти интересные объекты, рождаются от некогда массивных гигантов, которые в четыре-восемь раз больше нашего Солнца. Происходит это во вспышке сверхновой.
После такого взрыва внешние слои выбрасываются в космос, ядро остается, но она больше не в состоянии поддерживать ядерный синтез. Без внешнего давления от вышележащих слоев, она коллапсирует и катастрофически сжимается.
Несмотря на свой малый диаметр — около 20 км, нейтронные звезды могут похвастаться в 1,5 раза большей массой нежели чем у нашего Солнца. Таким образом, они являются невероятно плотными.
Маленькая ложка вещества звезды на Земле будет весить около ста миллионов тонн. В ней протоны и электроны объединяются в нейтроны – этот процесс называется нейтронизацией.
Состав
Состав их неизвестен, предполагают, что они могут состоять из сверхтекучей нейтронной жидкости. Они обладают чрезвычайно сильным гравитационным притяжением, гораздо больше, чем у Земли и даже у Солнца. Это гравитационные силы особенно впечатляют, поскольку она имеет небольшой размер.
Все они вращаются вокруг оси. При сжатии, угловой момент вращения сохраняется, а из-за уменьшения размеров, скорость вращения возрастает.
Из-за огромной скорости вращения, внешняя поверхность, представляющая собой твердую «кору» периодически трескается и происходят «звездотрясения», которые замедляют скорость вращения и сбрасывают «излишки» энергии в космос.
Ошеломляющее давление, которое существуют в ядре, может быть похоже на то, которое существовало в момент большого взрыва, но к сожалению, его нельзя смоделировать на Земле. Поэтому эти объекты являются идеальными природными лабораториями, где мы можем наблюдать энергии недоступные на Земле.
Радиопульсары
Радиоульсары были открыты в конце 1967 г. аспирантом Jocelyn Bell Burnell как радиоисточники, которые пульсируют на постоянной частоте.
Радиация, испускаемая звездой, видна как пульсирующий источник излучения или пульсар.
Схематическое изображение вращения нейтронной звезды
Радиопульсары (или просто пульсар) — это вращающиеся нейтронные звезды, струи частиц которых, движутся почти со скоростью света, как вращающийся луч маяка.
После непрерывного вращения, в течение нескольких миллионов лет, пульсары теряют свою энергию и становятся нормальными нейтронными звездами. На сегодня известно только около 1000 пульсаров, хотя их могут быть сотни в галактике.
Радиопульсар в Крабовидной туманности
Некоторые нейтронные звезды испускают рентгеновское излучение. Знаменитая Крабовидная туманность — хороший пример такого объекта, образовавшейся во время взрыва сверхновой. Эта вспышка сверхновой наблюдалась в 1054 году нашей эры.
Ветер от Пульсара, видео телескопа Чандра
Радиопульсар в Крабовидной туманности, сфотографированный с помощью космического телескопа Хаббла через фильтр 547nm (зеленый свет) с 7 августа 2000 года по 17 апреля 2001 года.
Магнетары
Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.
Планеты у нейтронных звезд
На сегодня известно, что у четырех есть планеты. Когда она находится в двойной системе, то возможно измерить ее массу. Из числа таких двоичных систем в радио или рентгеновском диапазоне, измеренные массы нейтронных звезд были примерно в 1.4 раза больше массы Солнца.
Двойные системы
Совсем иной тип пульсаров виден в некоторых рентгеновских двойных системах. В этих случаях, нейтронная звезда и обычная образуют двойную систему. Сильное гравитационное поле тянет материал из обычной звезды. Материал, падающий на нее в процессе аккреции, нагревается так сильно, что производит рентгеновские лучи. Импульсные рентгеновские лучи видны, когда горячие пятна на вращающемся пульсаре проходят через луч зрения с Земли.
Для бинарных систем, содержащих неизвестный объект, эта информация помогает отличить: является ли он нейтронной звездой, или например черной дырой, потому что черные дыры куда более массивные.
