Нейтронная звезда

Общие сведения

Нейтронная звезда
Нейтронная звезда в разрезе.

Среди нейтронных звёзд с надёжно измеренными массами большинство попадает в интервал от 1,3 до 1,5 масс Солнца, что близко к значению предела Чандрасекара. Теоретически же допустимы нейтронные звёзды с массами от 0,1 до примерно 2,16 солнечных масс. Самые массивные нейтронные звёзды из известных — Vela X-1 (имеет массу не менее 1,88±0,13 солнечных масс на уровне 1σ, что соответствует уровню значимости α≈34 %), PSR J1614–2230ruen (с оценкой массы 1,97±0,04 солнечных), и PSR J0348+0432ruen (с оценкой массы 2,01±0,04 солнечных). Гравитация в нейтронных звёздах уравновешивается давлением вырожденного нейтронного газа, максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера-Волкова, численное значение которого зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды. Существуют теоретические предпосылки к тому, что при ещё большем увеличении плотности возможно перерождение нейтронных звёзд в кварковые.

Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013Гс (для сравнения — у Земли около 1 Гс), именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. C 1990-х годов некоторые нейтронные звёзды отождествлены как магнетары — звёзды, обладающие магнитными полями порядка 1014 Гс и выше.

Магнитные поля, превышающие «критическое» значение 4,414·1013 Гс, при котором энергия взаимодействия электрона с магнитным полем превышает его энергию покоя mec², привносят качественно новое в физику, так как становятся существенны специфические релятивистские эффекты, поляризация физического вакуума и т. д.

К 2015 году открыто более 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90 % из них — одиночные. Всего же в нашей Галактике могут существовать 108—109 нейтронных звёзд, то есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость движения (как правило, сотни км/с). В результате аккреции вещества облака, нейтронная звезда может быть в этой ситуации видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический, на который приходится около 0,003 % излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине).

Жидкая гора

Поднять большую волну в океане нейтронной звезды трудно — мешают высокая плотность и очень сильная гравитация. Зато можно строить жидкие горы. Удерживать вещество от растекания помогает сильное магнитное поле.

Вещество нагрето до высокой температуры, плотность крайне высока — электроны оторваны от ядер. Плазма. Заряженные частицы не любят двигаться поперёк силовых линий магнитного поля. Поток вещества со звезды-соседки течёт на магнитные полюса нейтронной звезды как бы по магнитной трубе. И когда всё это падает в океан, плазма не может быстро растечься. Возникает жидкая магнитная гора высотой около метра (твёрдые «горы» на поверхности твёрдой коры вряд ли вырастают выше нескольких миллиметров).

Существование таких гор должно иметь интересное следствие. Из-за нарушения сферической (а заодно и цилиндрической) симметрии, поскольку магнитные полюса не совпадают с полюсами вращения, нейтронная ­звезда становится источником гравитационных волн. Правда, не слишком мощным, поэтому пока мы не можем напрямую поймать этот сигнал. Но потери момента импульса (то есть, упрощая, энергии вращения) за счёт испускания гравитационных волн можно обнаружить по косвенным свидетельствам, изучая параметры вращения.

Общая информация

Среднестатистическая нейтронная звезда обычно попадает в интервал, составляющий 1,3-1,5 солнечных масс. Говоря о теоретически допустимых космических телах, диапазон их массовых значений составляет 0,1-2,16 масс земного светила. Самые массивные космические объекты такого плана – следующие:

  • VELA X-1 с весовым параметром 1,88 масс Солнца;
  • PSR J1614-2230 с показателем 1,97 весов земного светила;
  • PSR J0348 + 0432 с предварительной оценкой массового параметра приблизительно в 2,01 масс Солнца.

Нейтронная звездаВспышка нейронной звезды

Нейтронная звезда – тело, обладающее гравитацией. Она уравновешивается посредством давления нейтронного газа, являющегося вырожденным. Максимальная величина массы задаётся так называемым пределом Оппенгеймера-Волкова. Его численное значение обычно пребывает в зависимости от уравнения состояния вещества в области ядерной части. В теории есть убеждения, что при повышении плотности возникнет вероятность перерождения в иной вид.

Что касается магнитного поля, которым обладает каждая нейтронная звезда, в области поверхности оно обычно достигает значения, равного 10^12 – 10^13 ГС. Начиная с 90-х годов прошлого столетия, некоторые светила нейтронного типа отождествлены как светила, имеющие магнитное поле, равное 10^14 ГС и более. При критически больших значениях наблюдается протекание специфических релятивистских эффектов, поляризации вакуума и т. д.

К 2015 г. была открыта ещё не одна нейтронная звезда. Около 90% всех обнаруженных объектов являются одиночными. В сумме в нашей галактической системе может присутствовать огромное число таких объектов, достигающее 10^8 или даже 10^9 единиц. Для всех них характерна существенная скорость движения, видимость с Земли в различных спектральных диапазонах, в т. ч. оптического диапазона.

История открытия

Гравитационное отклонение света (из-за релятивистского отклонения света видно более половины поверхности)

Нейтронные звёзды — один из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.

В декабре 1933 года на съезде Американского физического общества (15—16 декабря 1933 года) астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки сделали первое строгое предсказание существования нейтронных звёзд. В частности, они выдвинули обоснованную точку зрения о том, что нейтронная звезда может образоваться в результате взрыва сверхновой. Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х гг., когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты в радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы при столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков были пригодны только нейтронные звёзды. Пульсар PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.

Классификация нейтронных звёзд

Взаимодействие нейтронной звезды с окружающим веществом определяют два основных параметра и, как следствие, их наблюдаемые проявления: период (скорость) вращения и величина магнитного поля. Со временем звезда расходует свою вращательную энергию, и её вращение замедляется. Магнитное поле также ослабевает. По этой причине нейтронная звезда за время своей жизни может менять свой тип. Ниже представлена номенклатура нейтронных звёзд в порядке убывания скорости вращения, согласно монографии В. М. Липунова. Поскольку теория магнитосфер пульсаров всё ещё в состоянии развития, существуют альтернативные теоретические модели (см. недавний обзор и ссылки там).

Эжектор (радиопульсар)

Сильные магнитные поля и малый период вращения. В простейшей модели магнитосферы, магнитное поле вращается твердотельно, то есть с той же угловой скоростью, что и тело нейтронной звезды. На определённом радиусе RL=cω{\displaystyle R_{L}=c/\omega } линейная скорость вращения поля приближается к скорости света. Этот радиус называется «радиусом светового цилиндра». За этим радиусом обычное дипольное магнитное поле существовать не может, поэтому линии напряжённости поля в этом месте обрываются. Заряженные частицы, двигающиеся вдоль силовых линий магнитного поля, через такие обрывы могут покидать нейтронную звезду и улетать в межзвёздное пространство. Нейтронная звезда данного типа «эжектирует» (от англ. eject — извергать, выталкивать) релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне. Эжекторы наблюдаются как радиопульсары.

«Пропеллер»

Скорость вращения уже недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром. Однако скорость вращения всё ещё велика, и захваченное магнитным полем окружающее нейтронную звезду вещество не может упасть на поверхность, то есть аккреция вещества не происходит. Нейтронные звёзды данного типа практически не наблюдаемы и изучены плохо.

Аккретор (рентгеновский пульсар)

Скорость вращения снижается настолько, что веществу теперь ничего не препятствует падать на такую нейтронную звезду. Падая, вещество, уже будучи в состоянии плазмы, движется по линиям магнитного поля и ударяется о поверхность тела нейтронной звезды в районе её полюсов, разогреваясь при этом до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, ярко светится в мягком рентгеновском диапазоне. Размер области, в которой происходит столкновение падающего вещества с поверхностью тела нейтронной звезды, очень мала — всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически затмевается телом звезды, поэтому наблюдаются регулярные пульсации рентген-излучения. Такие объекты и называются рентгеновскими пульсарами.

Георотатор

Скорость вращения таких нейтронных звёзд мала и не препятствует аккреции. Но размеры магнитосферы таковы, что плазма останавливается магнитным полем раньше, чем она будет захвачена гравитацией. Подобный механизм работает в магнитосфере Земли, из-за чего данный тип нейтронных звёзд и получил своё название.

Эргозвезда

Теоретически возможная устойчивая разновидность нейтронной звезды, имеющая эргосферу. Вероятно, эргозвезды возникают в процессе слияния нейтронных звёзд.

Нейтрон и одноименная звезда

После предсказания в 30-х годах XX столетия о существовании нейтронных звезд и после того, как был открыт нейтрон (1932 г.), Бааде В. вместе с Цвики Ф. в 1933 году на съезде физиков в Америке заявили о возможности образования объекта под названием нейтронная звезда. Это космическое тело, возникающее в процессе взрыва сверхновых.

Однако все выкладки были только теоретическими, так как доказать на практике такую теорию не представлялось возможным из-за отсутствия соответствующего астрономического оборудования и слишком малых размеров нейтронной звезды. Но в 1960 году стала развиваться рентгеновская астрономия. Тогда, совершенно неожиданно, нейтронные звезды были открыты благодаря радионаблюдениям.

Нейтронная звезда

Всесильная гравитация

Согласно современной теории эволюции массивные звезды заканчивают свою жизнь колоссальным взрывом, превращающим большую их часть в расширяющуюся газовую туманность. В итоге от гиганта, во много раз превышавшего размерами и массой наше Солнце, остается плотный горячий объект размером около 20 км, с тонкой атмосферой (из водорода и более тяжелых ионов) и гравитационным полем, в 100 млрд. раз превышающим земное. Его и назвали нейтронной звездой, полагая, что он состоит главным образом из нейтронов. Вещество нейтронной звезды самая плотная форма материи (чайная ложка такого суперядра весит около миллиарда тонн). Очень короткий период излучаемых пульсарами сигналов был первым и самым главным аргументом в пользу того, что это и есть нейтронные звезды, обладающие огромным магнитным полем и вращающиеся с бешеной скоростью. Только плотные и компактные объекты (размером всего в несколько десятков километров) с мощным гравитационным полем могут выдерживать такую скорость вращения, не разлетаясь на куски из-за центробежных сил инерции.

Нейтронная звезда состоит из нейтронной жидкости с примесью протонов и электронов. «Ядерная жидкость», очень напоминающая вещество из атомных ядер, в 1014 раз плотнее обычной воды. Это огромное различие вполне объяснимо ведь атомы состоят в основном из пустого пространства, в котором вокруг крошечного тяжелого ядра порхают легкие электроны. Ядро содержит почти всю массу, так как протоны и нейтроны в 2 000 раз тяжелее электронов. Экстремальные силы, возникающие при формировании нейтронной звезды, так сжимают атомы, что электроны, вдавленные в ядра, объединяются с протонами, образуя нейтроны. Таким образом рождается звезда, почти полностью состоящая из нейтронов. Сверхплотная ядерная жидкость, если ее принести на Землю, взорвалась бы, подобно ядерной бомбе, но в нейтронной звезде она устойчива благодаря огромному гравитационному давлению. Однако во внешних слоях нейтронной звезды (как, впрочем, и всех звезд) давление и температура падают, образуя твердую корку толщиной около километра. Как полагают, состоит она в основном из ядер железа.

ВспышкаКолоссальная рентгеновская вспышка 5 марта 1979 года, оказывается, произошла далеко за пределами нашей Галактики, в Большом Магеллановом Облаке спутнике нашего Млечного Пути, находящемся на расстоянии 180 тыс. световых лет от Земли. Совместная обработка гаммавсплеска 5 марта, зафиксированного семью космическими кораблями, позволила достаточно точно определить положение данного объекта, и то, что он находится именно в Магеллановом Облаке, сегодня практически не вызывает сомнений.

Событие, случившееся на данной далекой звезде 180 тыс. лет назад, трудно представить, но вспыхнула она тогда, как целых 10 сверхновых звезд, более чем в 10 раз превысив светимость всех звезд нашей Галактики. Яркая точка в верхней части рисунка это давно и хорошо известный SGR-пульсар, а неправильный контур наиболее вероятное положение объекта, вспыхнувшего 5 марта 1979 года.

Происхождение нейтронной звездыВспышка сверхновой звезды это просто переход части гравитационной энергии в тепловую. Когда в старой звезде заканчивается топливо и термоядерная реакция уже не может разогреть ее недра до нужной температуры, происходит как бы обрушение коллапс газового облака на его центр тяжести. Высвобождающаяся при этом энергия разбрасывает внешние слои звезды во все стороны, образуя расширяющуюся туманность. Если звезда маленькая, типа нашего Солнца, то происходит вспышка и образуется белый карлик. Если масса светила более чем в 10 раз превышает Солнечную, то такое обрушение приводит к вспышке сверхновой звезды и образуется обычная нейтронная звезда. Если же сверхновая вспыхивает на месте совсем большой звезды, с массой 2040 Солнечных, и образуется нейтронная звезда с массой большей трех Солнц, то процесс гравитационного сжатия приобретает необратимый характер и образуется черная дыра.

Нейтронная звезда Внутренняя структураТвердая корка внешних слоев нейтронной звезды состоит из тяжелых атомных ядер, упорядоченных в кубическую решетку, с электронами, свободно летающими между ними, чем напоминает земные металлы, но только намного более плотные. 

Столкновение двух нейтронных звезд

17 августа 2017 года около 70 различных обсерваторий по всему миру, включая Virgo и LIGO, обнаружили сигнал гравитационной волны, теперь известный как GW170817. Эта гравитационная волна возникла в течение последних нескольких минут слияния двух нейтронных звезд . Хотя это было не первое обнаруженное открытие, оно считается прорывным открытием в астрономии.

Причина этого заключается в том, что все ранее записанные гравитационные волновые сигналы были вызваны слиянием черных дыр, которые не испускают никакого значительного электромагнитного сигнала. Вскоре после столкновения космический гамма-телескоп Ферми наблюдал короткий гамма-всплеск, обозначенный как GRB 170817A.

Типы нейтронных звезд

Пульсары

Это обобщающее название для всех нейтронных звезд. Пульсары имеют четко определенный период вращения, который не меняется очень долгое время. Благодаря этому свойству их прозвали «маяками вселенной»Нейтронная звезда

Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.

Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.

Магнетары

При рождении очень быстро крутящейся нейтронной звезды, общие вращение и конвекция создают громадное магнитное поле. Это происходит за счёт процесса «активного динамо». Это поле превышает величины полей обычных пульсаров в десятки тысяч раз. Действие динамо заканчивается через 10 – 20 секунд, и происходит охлаждение атмосферы звезды, но магнитное поле успевает возникнуть заново за этот срок. Оно неустойчиво, и быстрая смена его структуры порождает выброс гигантского количества энергии. Получается, что магнитное поле звезды разрывает её саму. Кандидатов на роль магнетаров в нашей галактике насчитывается около десятка. Появление его возможно из звезды, превосходящей минимум в 8 раз массу нашего Солнца. Размеры же их порядка 15 км в диаметре, при массе около одной солнечной. Но достаточного подтверждения существования магнетаров пока не получено.

Рентгеновские пульсары.

Они считаются другой фазой жизни магнетара и излучают исключительно в рентгеновском диапазоне. Излучение возникает в результате взрывов, имеющих определённый период.

Некоторые нейтронные звёзды появляются в двойных системах или же приобретают компаньона, захватив его в свое гравитационное поле. Такой компаньон будет отдавать своё вещество агрессивной соседке. Если компаньон нейтронной звезды по массе не меньше Солнца, то возможны интересные явления – барстеры. Это рентгеновские вспышки, продолжительностью в секунды или минуты. Но они способны усилить светимость звезды до 100 тыс. солнечных. Перенесённые с компаньона водород и гелий наслаиваются на поверхности барстера. Когда слой становится очень плотным и горячим, запускается термоядерная реакция. Мощность такого взрыва невероятна: на каждом квадратном сантиметре звезды выделяется мощь, эквивалентная взрыву всего земного ядерного потенциала.

При наличии компаньона-гиганта, вещество теряется им в виде звёздного ветра, а нейтронная звезда втягивает его своей гравитацией. Частицы летят по силовым линиям по направлению к магнитным полюсам. При несовпадении магнитной оси  и  оси вращения, яркость звезды будет переменной. Получается рентгеновский пульсар.

Миллисекундные пульсары.

Они тоже связаны с двойными системами и обладают самыми короткими периодами (меньше 30 миллисекунд). Вопреки ожиданиям, они оказываются не самыми молодыми, а достаточно старыми. Старая и медленная нейтронная звезда поглощает материю компаньона-гиганта. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается. Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе.

Структурное строение

  • Нейтронная звезда традиционно имеет 5 слоев:
  • атмосфера (представлена тонким плазматическим слоем, имеющим толщину от нескольких десятков сантиметров до пары миллиметров, она способствует формированию излучения);
  • кора внешняя (состоит из электронов, ионов, по толщине равняется нескольким сотням метров, в области тонкого слоя присутствует невырожденный газ электронного типа, а в более глубоких частях содержится вырожденное вещество, которое с погружением в глубину становится релятивистским);
  • кора внутренняя (в составе преобладают электроны, нейтроны свободного типа, ядра атомные, по мере увеличения глубины содержание этих веществ увеличивается, а что касается атомных ядер, наоборот, происходит уменьшение);
  • ядро извне (в структуре в основном присутствуют нейтроны, а также имеется незначительная примесь протонов, электронов);
  • ядро изнутри (имеет неизученный состав, однако подразумевает сразу несколько гипотез: ядро, включающее кварки, барионы, мезоны).

Нейтронная звезда
Строение нейтронной звезды

Экзопланеты у нейтронных звезд

Первую экзопланету открыли при исследовании радиопульсара. Так как нейтронные звезды очень стабильны,  возможно очень точно отслеживать находящиеся рядом планеты с массами, намного меньшими массы Юпитера.

Очень легко отыскалась планетная система у пульсара PSR 1257+12, удалённого от Солнца на 1000 световых лет. Рядом со звездой три планеты, имеющие массы 0,2, 4,3 и 3,6 масс Земли с периодами обращений в 25, 67 и 98 суток. Позже нашлась ещё одна планета с массой Сатурна и периодом обращения 170 лет. Также известен пульсар с планетой немного массивнее Юпитера.

На самом деле парадоксально, что возле пульсара существуют планеты. Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой, и та теряет основную часть своей массы. Оставшаяся часть уже не обладает достаточной гравитацией для удержания спутников. Вероятно, найденные планеты образовались уже после катаклизма.

Вырождение

Невероятно высокие гравитационные волны нейтронной звезды, действующие вокруг нее, являются причиной того, что материя не может находиться в виде отдельных атомов, которые начинают разрушаться. Сама же материя переходит в вырожденную нейтронную, в которой строение самих нейтронов не даст возможности перейти звезде в сингулярность и затем — в черную дыру. Если же масса вырожденной материи начнет увеличиваться по причине добавления к ней, то гравитационные силы будут в состоянии преодолеть сопротивление нейтронов. Тогда ничто не будет препятствовать разрушению структуры, образовавшейся в результате столкновения нейтронных звездных объектов.

Нейтронная звезда

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий