Нейтронные звезды

Открытый вопрос

Всего на сегодняшний день астрономы обнаружили около 1 200 нейтронных звезд. Из них более 1 000 являются радиопульсарами, а остальные просто рентгеновскими источниками. За годы исследований ученые пришли к выводу, что нейтронные звезды настоящие оригиналы. Одни очень яркие и спокойные, другие периодически вспыхивающие и видоизменяющиеся звездотрясениями, третьи существующие в двойных системах. Эти звезды относятся к самым загадочным и неуловимым астрономическим объектам, соединяющим в себе сильнейшие гравитационные и магнитные поля и экстремальные плотности и энергии. И каждое новое открытие из их бурной жизни дает ученым уникальные сведения, необходимые для понимания природы Материи и эволюции Вселенной.

Вселенкий эталонПослать что-нибудь за пределы Солнечной системы очень даже непросто, поэтому вместе с направившимися туда 30 лет назад космическими кораблями «Пионер-10 и -11» земляне отправили и послания братьям по разуму. Нарисовать нечто такое, что будет понятно Внеземному Уму, задача не из простых, более того, еще нужно было указать обратный адрес и дату отправки письма… Насколько доходчиво все это сумели сделать художники, человеку понять трудно, но сама идея использования радиопульсаров для указания места и времени отправки послания гениальна. Прерывистые лучи различной длины, исходящие из точки, символизирующей Солнце, указывают направление и расстояние до ближайших к Земле пульсаров, а прерывистость линии это не что иное, как двоичное обозначение периода их обращения. Самый длинный луч указывает на центр нашей Галактики Млечный Путь. В качестве единицы времени на послании принята частота радиосигнала, испускаемого атомом водорода при смене взаимной ориентации спинов (направление вращения) протона и электрона.

Знаменитые 21 см или 1420 МГц должны знать все разумные существа во Вселенной. По этим ориентирам, указывающим на «радиомаяки» Вселенной, можно будет отыскать землян даже через много миллионов лет, а сравнив записанную частоту пульсаров с текущей, можно будет прикинуть, когда эти мужчина и женщина благословляли в полет первый космический корабль, покинувший пределы Солнечной системы.

Николай Андреев

Общие сведения

Среди нейтронных звёзд с надёжно измеренными массами большинство имеют массу в интервале 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 J1614–2230<span title=»Статья «PSR J1614–2230» в русском разделе отсутствует»>ru</span>_en (с оценкой массы 1,97±0,04 солнечных), PSR J0348+0432<span title=»Статья «PSR J0348+0432» в русском разделе отсутствует»>ru</span>_en (с оценкой массы 2,01±0,04 солнечных) и, наконец, PSR J0740+6620 (с оценкой массы по разным данным 2,14 или 2,17 солнечных). Гравитационному сжатию нейтронных звёзд препятствует давление вырожденного нейтронного газа. Максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера — Волкова, которое сейчас неизвестно, так как плохо известно уравнение состояния вещества при ядерных плотностях. Существуют теоретические предположения, что при ещё большем увеличении плотности сверх ядерной плотности возможен переход вещества нейтронных звёзд в кварковые звёзды.

Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013Гс (для сравнения — у Земли около 1 Гс). Именно процессы в магнитосфере нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. C 1990-х годов некоторые нейтронные звёзды стали причислять к магнетарам — звёздам, с магнитным полем порядка 1014 Гс и выше.

При напряжённости магнитного поля, превышающего «критическое» значение 4,414⋅1013 Гс, при котором энергия взаимодействия магнитного момента электрона с магнитным полем превышает его энергию покоя m_ec² становятся существенны специфические релятивистские эффекты, поляризация физического вакуума и т. д.

К 2015 году открыто более 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90 % из них — одиночные звёзды, остальные входят в кратные звёздные системы.

Всего же в нашей Галактике по оценкам могут находиться 108—109 нейтронных звёзд, приблизительно одна нейтронная звезда на тысячу обычных звёзд.

Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость собственного движения (как правило, сотни км/с). В результате аккреции на поверхность нейтронной звезды межзвёздного газа нейтронная звезда может быть наблюдаема с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический, на который приходится около 0,003 % всей излучаемой звездой энергии (соответствует 10 абсолютной звёздной величине).

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.

Какая рыба плавает быстрее всех

На нейтронной звезде всё происходит очень быстро из-за сильной гравитации. Гравитационное ускорение на поверхности в сто миллиардов раз больше, чем на Земле. Это означает, что маятник, совершающий у нас колебание за 3 секунды, на нейтронной звезде совершит его за одну стотысячную.

Сильная гравитация приводит к быстрому разделению элементов на лёгкие и тяжёлые. В океане более тяжёлые элементы быстро идут на дно, а сверху остаются лёгкие, это происходит за несколько дней или месяцев. Поэтому океан (если в нём нет конвекции), скорее всего, состоит из чётких слоёв с разным составом (то есть, даже если вы перемешаете «Кровавую Мэри», очень быстро томатный сок ­окажется внизу). Воспрепятствовать этому может только турбулентное перемешивание, возникающее из-за большой разницы температур в разных частях поверхности океана и эффекта Холла.

Высокие плотность и температура тоже ускоряют процессы. Из этого было получено фантастическое следствие.

Фрэнк Дрейк (тот самый, автор формулы Дрейка) в 1973 году предложил наи­страннейшую идею о том, что нейтронные звёзды могут быть обитаемы. Здесь мы вступаем в запредельно странные тёмные воды.

Я помню, как в начале 90-х, когда в нашем отделе был единственный 286-й компьютер, приходилось работать на нём по ночам. При этом я учился на 4–5-м курсах, и лекции и семинары никто не отменял. В результате часам к пяти утра состояние ума было совершенно изменённым, работать было уже почти невозможно. Но все стены были уставлены полками с книгами, и я их листал с произвольного места. Именно в такой момент я и прочёл впервые о жизни на нейтронных звёздах. Удивительной, необычной, невероятной для человеческого понимания.

Идею Дрейка в фантастических романах «Звёздо­трясение» и «­Драконье ­яйцо» развил Роберт Фор­вард (кстати, Форвард по образованию инженер-­физик, его диссертация была посвящена детекторам гравитационных волн). Существа ­должны быть микроскопическими. И с очень высоким темпом жизни. Всё происходит в миллионы раз быстрее, чем у нас. Конечно, это фантастика. Но очень вдохновляюще. По мысли Дрейка, эта жизнь должна существовать на твёрдой поверхности. Инте­ресно, как бы ­обернулось дело, будь там ещё и океан?

Нейтронные звезды также могут принимать планеты

Художественная концепция системы PSR B1257 + 12

Как и другие, нейтронные звезды могут также принимать планеты и даже иметь четко определенную планетную систему. Теоретически, эти экзопланеты могут быть местными, захваченными или существующими в околоземной форме (планета в двойной системе звезд).

Кроме того, пульсирующая нейтронная звезда в двойной системе может полностью удалить атмосферу своей звезды-компаньона, оставив только голую небесную массу. Эти массы можно интерпретировать либо как планету, либо как звездный объект.

Только две такие планетные системы были подтверждены на сегодняшний день. Первая состоит из трех планет, а именно Полтергейста, Фобетора и Драугра, вращающихся вокруг PSR B1257 + 12. Вторая система содержит только один внесолнечный мир, и она вращается вокруг PSR B1620-26.

Сходство черной дыры и нейтронной звезды

Черная дыра, это и есть нейтронная звезда, точнее, черная дыра представляет собой одну из разновидностей нейтронных звезд.

Черня дыра, как и нейтронная звезда состоит из нейтронов. Причем, это не нейтронный газ, в котором нейтроны находятся в свободном состоянии, а очень плотная субстанция с плотностью атомного ядра.

Похожее по теме… Чёрные дырыЧёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью

Заметим, что среднее время жизни свободного нейтрона около 15 минут (период полураспада около 10 минут). Поэтому нейтроны в нейтронных звездах и в черных дырах могут быть только в связанном состоянии, как в атомных ядрах. Поэтому нейтронная звезда и черная дыра, это как бы атомное ядро макроскопических размеров, в котором нет протонов.

Отсутствие протонов, это одно отличие черной дыры и нейтронной звезды от атомного ядра. Второе отличие связано с тем, что в обычных атомных ядрах нейтроны и протоны «склеены» друг с другом с помощью ядерных сил (так называемое, «сильное» взаимодействие). А в нейтронных звездах нейтроны «склеены» с помощью гравитации.

Дело в том, что ядерным силам нужны еще и протоны для «склеивания» нейтронов друг с другом. Не существует таких ядер, которые состоят только из одних нейтронов. Обязательно должен быть хотя бы один протон. А для гравитации никакие протоны не нужны, чтобы «склеить» нейтроны друг с другом.

Еще одно отличие гравитации от ядерных сил заключается в том, что гравитация, это дальнодействующее взаимодействие, а ядерные силы, это короткодействующее взаимодействие. Поэтому атомные ядра не могут быть макроскопических размеров. Начиная с урана, все элементы периодической таблицы Менделеева имеют неустойчивые ядра, которые распадаются из-за того, что положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга и разрывают крупные ядра.

У нейтронных звезд и черных дыр такой проблемы нет, так как, во-первых, гравитационные силы дальнодействующие, а, во-вторых, в нейтронных звездах и черных дырах нет положительно заряженных протонов.

Нейтронная звезда и черная дыра под действием сил гравитации имеют форму шара, а точнее эллипсоида вращения, так как все нейтронные звезды (и черные дыры) вращаются вокруг своей оси. Причем достаточно быстро, с периодами вращения от нескольких секунд и меньше.

Похожее по теме… Большой взрыв и происхождение ВселеннойО теории Большого взрыва, о космологической инфляции, о чёрных и белых дырах, о космологической сингулярности, о теории относительности и квантовой гравитации, о н

Является ли поверхность черных дыр и нейтронных звезд твердой? Не в смысле твердого тела, как агрегатного состояния вещества, а в смысле четкой поверхности шара, без нейтронной атмосферы. Видимо, да, черные дыры и нейтронные звезды имеют твердую поверхность. Нейтронная атмосфера и нейтронная жидкость, это нейтроны в свободном состоянии, значит, они должны распадаться.

Но это не значит, что, если мы, например, уроним на поверхность черной дыры или нейтронной звезды какое-нибудь «изделие» из нейтронов с плотностью атомного ядра, то оно останется лежать на поверхности звезды. Такое гипотетическое «изделие» тут же «всосется» во внутрь нейтронной звезды и черной дыры.

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.

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.

 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. 

Состав нейтронных звезд

Точная информация о составе нейтронных звезд отсутствует. На сегодняшний день ученые-астрофизики при изучении подобных объектов пользуются рабочей моделью, предложенной физиками – ядерщиками.

Строение нейтронной звезды

Предположительно, звездное вещество в результате коллапса трансформируется в нейтронную, сверхтекучую жидкость. Этому способствует огромное гравитационное притяжение, оказывающее постоянное давление на вещество. Такая «ядерная жидкая субстанция» называется вырожденный газ и в 1000 раз плотнее воды. Атомы вырожденного газа состоят из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. При нейтронизации внутреннее пространство атомов под воздействием сил гравитации исчезает. Электроны сливаются с ядром, образуя нейтроны. Устойчивость сверхплотной субстанции придает внутренняя гравитация. В противном случае неизбежно началась бы цепная реакция, сопровождающаяся ядерным взрывом.

Гравитационный коллапс

Чем ближе к внешнему краю звезды, тем меньше температура и давление. В результате сложных процессов происходит «остывание» нейтронной субстанции, из которой интенсивно выделяются ядра железа. Коллапс и последующий взрыв является фабрикой планетарного железа, которое распространяется в космическом пространстве, становясь строительным материалом при формировании планет.

Условно рассматривая строение нейтронной звезды в микроскоп, можно выделить в строении объекта пять слоёв:

• атмосфера объекта;
• внешняя кора;
• внутренние слои;
• внешнее ядро;
• внутреннее ядро нейтронной звезды.

Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров и является самым тонким слоем. По своему составу – это слой плазмы, отвечающий за тепловое облучение звезды. Далее идет внешняя кора, которая имеет толщину в несколько сот метров. Между внешней корой и внутренними слоями — царство вырожденного электронного газа. Чем глубже к центру звезды, тем быстрее этот газ становится релятивистским. Другими словами, внутри звезды происходящие процессы связаны с уменьшением доли атомных ядер. При этом количество свободных нейтронов увеличивается. Внутренние области нейтронной звезды представляют собой внешнее ядро, где нейтроны продолжают соседствовать с электронами и протонами. Толщина этого слоя субстанции составляет несколько километров, при этом плотность материи в десятки раз выше, чем плотность атомного ядра.

Схема вращения нейтронной звезды

Весь этот атомарный супчик существует благодаря колоссальным температурам. В момент вспышки Сверхновой, температура нейтронной звезды составляет 1011К. В этот период новый небесный объект обладает максимальной светимостью. Сразу после взрыва наступает этап стремительного остывания, температура за несколько минут падает до отметки 109К. Впоследствии процесс остывания замедляется. Несмотря на то, что температура звезды все еще велика, светимость объекта снижается. Звезда продолжает светиться только за счет теплового и инфракрасного излучения.

Судороги гигантов

Пульсары считаются одной из ранних стадий жизни нейтронной звезды. Благодаря их изучению ученые узнали и о магнитных полях, и о скорости вращения, и о дальнейшей судьбе нейтронных звезд. Постоянно наблюдая за поведением пульсара, можно точно установить: сколько энергии он теряет, насколько замедляется, и даже то, когда он прекратит свое существование, замедлившись настолько, что не сможет излучать мощные радиоволны. Эти исследования подтвердили многие теоретические предсказания относительно нейтронных звезд.

Уже к 1968 году были обнаружены пульсары с периодом вращения от 0,033 секунды до 2 секунд. Периодичность импульсов радиопульсара выдерживается с удивительной точностью, и поначалу стабильность этих сигналов была выше земных атомных часов. И все же по мере прогресса в области измерения времени для многих пульсаров удалось зарегистрировать регулярные изменения их периодов. Конечно, это исключительно малые изменения, и только за миллионы лет можно ожидать увеличения периода вдвое. Отношение текущей скорости вращения к замедлению вращения один из способов оценки возраста пульсара. Несмотря на поразительную стабильность радиосигнала, некоторые пульсары иногда испытывают так называемые «нарушения». За очень короткий интервал времени (менее 2 минут) скорость вращения пульсара увеличивается на существенную величину, а затем через некоторое время возвращается к той величине, которая была до «нарушения». Полагают, что «нарушения» могут быть вызваны перегруппировкой массы в пределах нейтронной звезды. Но в любом случае точный механизм пока неизвестен.

Так, пульсар Вела примерно раз в 3 года подвергается большим «нарушениям», и это делает его очень интересным объектом для изучения подобных явлений.