Топ-10 интересных фактов о нейтронных звездах
Содержание:
Общие сведения
Общая схема внутреннего строения
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.
Нейтронные звезды в одной картинке
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.
Пульсар в Крабовидной туманности
Магнетары
Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.
Магнетар в представлении художника
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
Аккрецирующая нейтронная звезда, схема
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.
Магнетары
Некоторые нейтронные звезды, названные источниками повторяющихся всплесков мягкого гамма-излучения — SGR, испускают мощные всплески «мягких» гамма-лучей через нерегулярные интервалы. Количество энергии, выбрасываемое SGR при обычной вспышке, длящейся несколько десятых секунды, Солнце может излучить только за целый год. Четыре известные SGR находятся в пределах нашей Галактики и только один — вне ее. Эти невероятные взрывы энергии могут быть вызваны звездо-трясениями — мощными версиями землетрясений, когда разрывается твердая поверхность нейтронных звезд и из их недр вырываются мощные потоки протонов, которые, увязая в магнитном поле, испускают гамма- и рентгеновское излучение.
Нейтронные звезды были идентифицированы как источники мощных гамма-всплесков после огромной гамма-вспышки 5 марта 1979 года, когда было выброшено столько энергии в течение первой же секунды, сколько Солнце излучает за 1 000 лет. Недавние наблюдения за одной из наиболее «активных» в настоящее время нейтронных звезд, похоже, подтверждают теорию о том, что нерегулярные мощные всплески гамма- и рентгеновского излучений вызваны звездотрясениями. В 1998 году внезапно очнулся от «дремоты» известный SGR, который 20 лет не подавал признаков активности и выплеснул почти столько же энергии, как и гамма-вспышка 5 марта 1979 года. Больше всего поразило исследователей при наблюдении за этим событием резкое замедление скорости вращения звезды, говорящее о ее разрушении. Для объяснения мощных гамма и рентгеновских вспышек была предложена модель магнетара — нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем. Если нейтронная звезда рождается, вращаясь очень быстро, то совместное влияние вращения и конвекции, которая играет важную роль в первые несколько секунд существования нейтронной звезды, может создать огромное магнитное поле в результате сложного процесса, известного как «активное динамо» (таким же способом создается поле внутри Земли и Солнца). Теоретики были поражены, обнаружив, что такое динамо, работая в горячей, новорожденной нейтронной звезде, может создать магнитное поле, в 10 000 раз более сильное, чем обычное поле пульсаров. Когда звезда охлаждается (секунд через 10 или 20), конвекция и действие динамо прекращаются, но этого времени вполне достаточно, чтобы успело возникнуть нужное поле.
Магнитное поле вращающегося электропроводящего шара бывает неустойчивым, и резкая перестройка его структуры может сопровождаться выбросом колоссальных количеств энергии (наглядный пример такой неустойчивости — периодическая переброска магнитных полюсов Земли). Аналогичные вещи случаются и на Солнце, во взрывных событиях, названных «солнечными вспышками». В магнетаре доступная магнитная энергия огромна, и этой энергии вполне достаточно для мощи таких гигантских вспышек, как 5 марта 1979 и 27 августа 1998 годов. Подобные события неизбежно вызывают глубокую ломку и изменения в структуре не только электрических токов в объеме нейтронной звезды, но и ее твердой коры.
Другим загадочным типом объектов, которые испускают мощное рентгеновское излучение во время периодических взрывов, являются так называемые аномальные рентгеновские пульсары — АХР. Они отличаются от обычных рентгеновских пульсаров тем, что излучают только в рентгеновском диапазоне. Ученые полагают, что SGR и АХР являются фазами жизни одного и того же класса объектов, а именно магнетаров, или нейтронных звезд, которые излучают мягкие гамма-кванты, черпая энергию из магнитного поля. И хотя магнетары на сегодня остаются, детищами теоретиков и нет достаточных данных, подтверждающих их существование, астрономы упорно ищут нужные доказательства.
История исследования
Нейтрон был впервые открыт в 1932 году Джеймсом Чедвиком. Однако еще до этого события ученый из СССР Лев Ландау в своем материале, напечатанном зимой 1931 года, прогнозировал, что нарушение законов квантовой механики не за горами. Советский физик-теоретик уверял, что проявится подобное следующим образом: когда плотность вещества будет настолько большой, что атомные частицы окажутся в тесной связи, произойдет формирование одного огромного ядра.
В начале 1933 года два астронома, Фриц Цвикки и Вальтер Бааде, озвучили первое стойкое высказывание относительно того, что существует такой объект, как нейтронная звезда. Ученые выдвинули ряд обоснований в защиту собственной концепции образования нейтронного светила после взрыва сверхновой. Эти исследования продемонстрировали, что излучения, исходящие от нейтронных звезд, не зафиксированы из-за недостаточного уровня оптического оборудования той эпохи.
1967 год, Кембридж. Джоселин Белл обнаружила радиоимпульсы, исходящие от звезд, которые, согласно сегодняшним сведениям, причисляют к разряду сильно намагниченных и быстро вращающихся нейтронных космических тел, именуемых пульсарами, – это событие привело к открытию первой в истории нейтронной звезды.
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 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
3. Классификация нейтронных звезд
Существует два параметра, характеризующих взаимодействие нейтронных звезд с окружающим веществом и как следствие их наблюдательные проявления: период вращения и величина магнитного поля. Со временем звезда расходует свою вращательную энергию, и её период вращения увеличивается. Магнитное поле тоже ослабевает. По этой причине нейтронная звезда за время своей жизни может менять свой тип. Ниже представлена номенклатура нейтронных звезд в порядке убывания скорости вращения.
3.1. Эжектор (радиопульсар)
Сильные магнитные поля и малый период вращения. Магнитное поле вращается твердотельно, т. е. с той же угловой скоростью, что и сама нейтронная звезда. На определенном радиусе линейная скорость вращения поля начинает превосходить скорость света. Этот радиус называется радиусом светового цилиндра. За этим радиусом обычное дипольное поле существовать не может, поэтому линии напряженности поля в этом месте обрываются. Заряженные частицы, двигающиеся вдоль линий магнитного поля, через такие обрывы могут покидать нейтронную звезды и улетать на бесконечность. Нейтронная звезда данного типа эжектирует (англ. eject — извергать, выталкивать) релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне. Для наблюдателя эжекторы выглядят как радиопульсары.
3.2. Пропеллер
Скорость вращения уже недостаточна для эжектирования частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром. Однако она всё ещё велика, и захваченная магнитным полем окружающая нейтронную звезду материя не может упасть, т. е. аккреция вещества не происходит. Нейтронные звезды данного типа практически не имеют наблюдательных проявлений, и изучены плохо.
3.3. Аккретор (рентгеновский пульсар)
Скорость вращения снижается до такой степени, что веществу теперь ничего не мешает падать на звезду. Плазма, падая, движется по линиям магнитного поля и ударяется о твердую поверхность в районе полюсов нейтронной звезды, разогреваясь до миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, светится в рентгеновском диапазоне. Область, в которой происходит столкновение падающего вещества с поверхностью звезды, очень мала — всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически пропадает из вида, что наблюдатель воспринимает как пульсации. Такие объекты называются рентгеновскими пульсарами.
3.4. Георотатор
Скорость вращения таких нейтронных звезд мала, и не препятствует аккреции. Но размеры магнитосферы таковы, что плазма останавливается магнитным полем раньше, чем она будет захвачена гравитацией. Подобная ситуация реализуется в магнитосфере Земли, из-за чего данный тип и получил своё название.
Слайды и текст этой презентации
НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ
Нейтронные звезды, которые часто называют «мертвыми», являются удивительнейшими объектами. Открытие в 1932 году новой элементарной частицы — нейтрона заставило астрофизиков задуматься над тем, какую роль он может играть в эволюции звезд. Нейтронные звезды рождаются очень горячими, но достаточно быстро охлаждаются.
Рис.1 Нейтронная звезда
ФИЗИКА ПУЛЬСАРА
Красный сигарообразный кокон позади пульсара — это та часть пространства, где испускаемые нейтронной звездой электроны и протоны излучают мягкие гамма-кванты. . Свое название пульсар B1957+20 получил по той простой причине, что его мощнейшее излучение сжигает соседа.
Рис. 2. Черная вдова
Пульсар — это огромный намагниченный волчок, крутящийся вокруг оси, не совпадающей с осью магнита.
ВСЕСИЛЬНАЯ ГРАВИТАЦИЯ
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.
Яркая точка в верхней части рисунка — SGR-пульсар, а неправильный контур — положение объекта, вспыхнувшего 5 марта 1979 года.
Рис. 3.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕЙТРОННОЙ ЗВЕЗДЫ
Если звезда маленькая, типа нашего Солнца, то происходит вспышка и образуется белый карлик. Если масса светила более чем в 10 раз превышает Солнечную массу, то такое обрушение приводит к вспышке сверхновой звезды и образуется обычная нейтронная звезда. Если же сверхновая вспыхивает на месте совсем большой звезды, с массой 20—40 Солнечных, и образуется нейтронная звезда с массой большей трех Солнц, то процесс гравитационного сжатия приобретает необратимый характер и образуется черная дыра.
МАГНЕТАРЫ
Для объяснения мощных гамма и рентгеновских вспышек была предложена модель магнетара — нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем.
Рис. 5.
Ученые полагают, что SGR и AXP являются фазами жизни одного и того же класса объектов.
Рис. 4.
Только новейшие исследования космической обсерватории «Чандра» позволили разгадать загадочное поведение этого объекта. Оказалось, что это не одна, а две нейтронные звезды.
Загадка 4U2127 разгадана
Рис. 6.
Вывод
Всего на сегодняшний день астрономы обнаружили около 1 200 нейтронных звезд. Из них более 1 000 являются радио пульсарами, а остальные — просто рентгеновскими источниками.
Нейтронные звёзды
Category:Коротко и ясно о самом интересном
Нейтронная звезда в разрезе (v.uecdn.es).
Магнитар (тип нейтронных звёзд с исключительно сильным магнитным полем). Рисунок (ESO/L. Calçada).
Джоселин Белл Бернелл, первооткрыватель пульсаров (alchetron.com).
Нейтронная звезда EXO 0748-676 (синяя сфера в изображении) вращается вокруг общего центра масс вместе с обычной звездой. Художник показал, как вещество обычной звезды перетекает на нейтронную звезду под действием её сильной гравитации (NASA).
Кассиопея A – остаток сверхновой в созвездии Кассиопея, на расстоянии 11 тысяч световых лет от Солнца. В результате взрыва, который произошёл примерно в 1680 году, образовалась нейтронная звезда – самая молодая из наблюдаемых нейтронных звёзд нашей Галактики. Изображение составлено из трёх фотографий. Красный цвет – данные в инфракрасном диапазоне (телескоп «Спитцер»), оранжевый – видимый диапазон (телескоп «Хаббл»), зелёный и синий – рентгеновский диапазон (телескоп «Чандра»). На врезке – иллюстрация художника (X-ray: NASA / CXC / UNAM / Ioffe / D.Page, P.Shternin et al; Optical: NASA / STScI; Illustration: NASA / CXC / M.Weiss).
Следующее важное открытие шестидесятых годов – нейтронные звезды. Нейтронными звёздами я занимаюсь профессионально, у меня даже есть про них популярная книжка «Суперобъекты: звезды размером с город»
Открыты они были совершенно случайно, и это открытие в 1974 году было отмечено Нобелевской премией. Интересно, что девушка, которая их, собственно, и открыла, не была включена в число лауреатов – это считается одной из самых больших ошибок Нобелевского комитета. Нейтронные звёзды вобрали в себя всю физику, и это очень легко объяснить. Мы берём любой объект, начинаем его сжимать, и он становится всё концентрированнее. Выше температура, плотность, магнитные поля, гравитационные – всё интереснее и интереснее. Мы приближаемся к экстремальному режиму. Если вы пережмёте, то всё упадёт в чёрную дыру. И тогда информация к нам из-под горизонта не попадёт. А нейтронная звезда – это там, где природа вовремя остановилась. Часть процессов нам видна напрямую, если это происходит вблизи поверхности, часть не видна, потому что это происходит под поверхностью и в центре, но косвенными методами мы можем это вытаскивать. И это чрезвычайно важная, интересная область физики и астрофизики. Есть большая популяция самых разных нейтронных звёзд, их любят за эти экстремальные свойства. Пульсары используют для проверок теория гравитации, за открытие первой двойной нейтронной звезды (нейтронная звезда плюс нейтронная звезда) тоже дали Нобелевскую премию по физике. Это стало на тот момент лучшим тестом для проверки Общей теории относительности. Сейчас мы ждём, когда будут открыты слияния нейтронных звёзд и гравитационные волны от этого события. Это крайне интересно потому, что мы всё-таки хотим в деталях узнать, что находится внутри нейтронной звезды. Чтобы узнать, что находится внутри какого-то предмета, его надо разобрать. Чтобы разломать нейтронную звезду, нужна другая нейтронная звезда. Поэтому самый лучший способ это сделать – попытаться увидеть, как две нейтронные звезды сольются, при этом произойдёт яркая вспышка. И, по всей видимости, вспышки мы такие наблюдаем. Много важной информации приходит с гравитационными волнами. И мы ждём, пока детектор LIGO или достигнет такой чувствительности, чтобы точно за несколько месяцев увидеть это событие, или просто нам повезёт, и на расстоянии меньше, чем 100 млн световых лет произойдёт такое слияние, и тогда LIGO сможет это увидеть. Тогда мы сможем узнать, из чего состоят нейтронные звёзды. Это очень важный вопрос, важный не только для астрономии. То есть снова мы говорим о том, что важное астрономическое открытие выходит за рамки просто астрономии. В данном случае это будет важно для ядерной физики, и отчасти для физики элементарных частиц.
Это – глава из стенгазеты, выпущенной благотворительным проектом «Коротко и ясно о самом интересном». Нажмите на миниатюру газеты ниже и читайте остальные статьи по интересующей вас тематике. Спасибо!
Материал выпуска любезно предоставил Сергей Борисович Попов – астрофизик, доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга Московского государственного университета, лауреат нескольких престижных премий в области науки и просвещения. Надеемся, что знакомство с выпуском будет полезно и школьникам, и родителям, и учителям – особенно сейчас, когда астрономия снова вошла в список обязательных школьных предметов (приказ №506 Минобрнауки от 7 июня 2017 года).
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»
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.
