Открытие нейтронных звезд

Открытие нейтронных звезд

   История нейтронных  звезд начинается с 1932 г., когда  английский физик Дж. Чэдвик открыл нейтроны. Весть об открытии быстро докатилась до Копенгагена. Как-то вечером один из основателей современной физики атома датчанин Н. Бор обсуждал новость с гостившими в его институте Л. Розенфельдом и Л. Д. Ландау. Именно тогда Л. Д. Ландау предположил, что могут существовать холодные плотные звезды, состоящие из нейтронов. Об этом разговоре известно из воспоминаний Л. Розенфельда. Два года спустя появилась статья американских астрономов Вальтер Бааде и Фриц Цвикки. Они также предсказали существование нейтронных звезд и предположили, что эти звезды образуются при взрыве сверхновых. Теоретические расчеты того времени показали, что излучение нейтронных звёзд слишком слабо, и их невозможно обнаружить.   пер

   Более тридцати  лет после теоретического предсказания  не было никаких наблюдательных  подтверждений существования нейтронных  звезд. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён как узко направленный радиолуч от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический маяк». Но обычные звёзды разрушились бы от столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков могли подходить только нейтронные звезды. Пульсар PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой. За этот выдающийся результат Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию

   Сейчас, когда с  момента открытия нейтронных  звезд прошло 34 года стало ясно, что нейтронных звезд очeнь много. Одних только радиопульсаров известно болеe пятисот. Ясно также, что нейтронные звезды проявляют себя крайне разнообразно во многих диапазонах электромагнитного спектра: это и радиопульсары, рентгеновские пульсары и вспыхивающие рентгеновские источники. По-видимому, вблизи нейтронных звезд формируются наблюдаемые вспышки гамма-излучения и квазипериодические осцилляции рентгеновского излучения. 23 февраля 1987 г. нейтринные детекторы зарегистрировали мощный всплеск нейтринного излучения, возникшего при взрыве сверхновой и образовании нейтронной звезды в Большом Магеллановом Облаке.  Пер

Нейтро́нная звезда́ — астрономический объект, являющийся одним из конечных продуктов эволюции звёзд, состоящий из нейтронной сердцевины и сравнительно тонкой (∼1 км) коры вырожденного вещества, содержащей тяжёлые атомные ядра. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и у Солнца, но радиус составляет около 10 км. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8·1017 кг/м³). Считается, что нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых. Пер

Типичный радиус 10 км

Внутренняя температура от 1010 до 1011 гр K

Типичная масса (Солнце=1) 1,5

Средняя плотность вещества (г/см3) 2,8*1014

Сила тяжести на поверхности (Земля=1) 1011

 Пер

По современным представлениям в нейтронной звезде можно выделить несколько слоев: поверхностный  слой, внешнюю и внутреннюю кору, внешнее и внутреннее (загадочное) ядро. Толщины слоев и плотность  в центре звезды зависят от массы  звезды и свойств вещества ядра.

Поверхностный слой имеет толщину не более нескольких метров и простирается от поверхности до глубины, где плотность вещества достигает величины, скажем, 106 г/см3. Вещество этого слоя — обычная плазма — подвержено сильному влиянию магнитных полей, которые (по наблюдениям) могут достигать огромных величин, 1012 -- 1013 Гс

   Внешняя  кора расположена под поверхностью и имеет толщину в несколько сот метров. Плотность на ее дне примерно равна 4*1011 г/см3. Вещество состоит из электронов и атомов. Электроны образуют свободный вырожденный газ, подобный электронному газу в металлах: в газе имеются электроны с импульсами от нуля до граничного (максимального) импульса Ферми. Импульс Ферми определяется концентрацией электронов (т. е. плотностью) и не зависит от температуры. Такое возможно благодаря принципу Паули, который запрещает двум одинаковым частицам-фермионам (с полуцелым спином) пребывать в одном состоянии. К фермионам относятся как электроны, так и нуклоны (нейтроны и протоны); спин этих частиц равен 1/2. Вырожденный газ образуется при достаточно высоких плотностях и низких температурах. Он обладает большим давлением даже при нулевой температуре. Основной вклад в давление во внешней коре как раз и вносят вырожденные электроны. При плотности выше 106 г/см3 электроны с импульсами Ферми становятся релятивистскими частицами (т. е. их скорости приближаются к скорости света).

   Атомы во внешней  коре полностью ионизованы давлением  электронов и по существу являются  атомными ядрами. Как правило ядра образуют кристалл (отсюда и название — кора). При угублении в кору энергия электронов растет. Быстрые электроны могут захватываться ядрами и превращать протоны ядер в нейтроны: ядра обогащаются нейтронами. На дне внешней коры ядра имеют сильный избыток нейтронов и мало напоминают ядра, которые стабильны в земных условиях.

   Внутренняя кора расположена под внешней корой. Обычно ее толщина составляет несколько километров, а плотность у ее дна достигает примерно 0,5 от средней плотности. Внутренняя кора отличается от внешней тем, что в веществе появляются свободные нейтроны: ядра переобогащены нейтронами и испускают часть из них. Этот процесс называется нейтронизацией вещества. Свободные нейтроны, подобно электронам, образуют вырожденный газ. При углублении в кору число свободных нейтронов растет. У дна коры ядра полностью исчезают. Основной вклад в давление вблизи границы с внешней корой вносят электроны, а вблизи границы с ядром звезды — нейтроны. «Нейтронизация» делает вещество более «мягким» (сжимаемым). Интересно, что нейтроны во внутренней коре оказываются сверхтекучими. Нейтронная сверхтекучесть, по расчетам, появляется при огромных температурах, около 1010 -— 1011 К, фактически сразу после образования нейтронной звезды.

   Ядро располагается под корой и имеет радиус 7—15 км. В нем можно выделить внешнее ядро и внутреннее (загадочное) ядро.

   Внешнее ядро - простирается до плотности порядка 2ух плотностей атомного ядра (средняя плотность самой нейтронной звезды). Оно состоит из нейтронов с небольшой, несколько процентов, примесью электронов и протонов. Протоны представляют останки атомных ядер, имевшихся в коре. Вещество внешнего ядра звезды похоже на материю в атомных ядрах. Однако, в обычных атомных ядрах нейтронов и протонов примерно поровну, а в нейтронных звездах нейтронов большинство. Все частицы в ядре звезды вырождены. Электроны — релятивистские, а нуклоны — нет, хотя их импульсы Ферми растут с глубиной. На границе с загадочным ядром нейтроны уже становятся слегка релятивистскими. Теория внешнего ядра упирается в три основные проблемы: уравнение состояния, сверхтекучесть нейтронов и сверхпроводимость протонов.

   Загадочное  ядро. Это самая непонятная область нейтронной звезды. Плотность вещества в загадочном ядре как минимум в несколько раз выше ядерной плотности. Основное отличие внешнего и загадочного ядер состоит в следующем. При переходе из внешнего ядра в загадочное нейтроны, протоны и электроны становятся столь энергичными, что, сталкиваясь, начинают рождать новые частицы, как это обычно бывает при столкновениях быстрых частиц. Весь вопрос в том, какие частицы рождаются и как они влияют на свойства вещества. Лабораторные данные о веществе со сверхядерной плотностью крайне скудны. Правильно рассчитать рождение новых частиц сложно. Выдвигаются три основные гипотезы: о модификации стандартной материи, и о появлении либо пионного конденсата, либо странной материи.    Пер

Возникновение нейтронных звезд

   Нейтронные звезды образуются после исчерпания источников термоядерной энергии в недрах обычной звезды, если ее масса к этому моменту превышает 1,4 массы Солнца. Поскольку источники термоядерной энергии отсутствуют, устойчивое равновесие звезды становится невозможным и начинается катастрофическое сжатие звезды к центру — гравитационный коллапс. Если исходная масса звезды не превышает некоторой критической величины, то коллапс в центральных частях останавливается и образуется горячая нейтронная звезда. Процесс коллапса занимает доли! секунды. За ним может последовать либо натекание оставшейся оболочки звезды на горячую нейтронную звезду с испусканием нейтрино, уносящих более 10% массы звезды, либо сброс оболочки за счет термоядерной энергии «непрогоревшего» вещества или энергии вращения. Такой выброс происходит очень быстро, и для наблюдателя на Земле он выглядит как грандиозный взрыв — вспышка сверхновой звезды. Наблюдаемые нейтронные звезды — пульсары часто связаны с остатками сверхновых звезд.

Нейтронные звезды могут  существовать, если их массы больше 0,05 массы Солнца. Если масса нейтронной звезды превышает 3—5 массы Солнца, равновесие ее становится невозможным, и такая звезда будет представлять собой черную дыру.   Пер

Классификация нейтронных звёзд

Существует два параметра, характеризующих взаимодействие нейтронных звёзд 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.

Эжектор (радиопульсар)

Сильные магнитные поля и  малый период вращения. Магнитное  поле вращается твердотельно, то есть с той же угловой скоростью, что и сама нейтронная звезда. На определённом 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 напряжённости поля в этом месте обрываются. Заряженные частицы, двигающиеся вдоль линий магнитного поля, через такие обрывы могут покидать нейтронную звезду и улетать на бесконечность. Нейтронная звезда данного типа эжектирует (извергать, выталкивать) релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне. Для наблюдателя эжекторы выглядят как радиопульсары.  ПЕР

Пропеллер

Скорость вращения уже  недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром. Однако она всё ещё велика, и захваченная магнитным полем окружающая нейтронную звезду материя не может упасть, то есть аккреция вещества не происходит. Нейтронные звёзды данного типа практически не имеют наблюдательных проявлений, и изучены плохо.

Аккретор (рентгеновский пульсар)

Скорость вращения снижается  до такой степени, что веществу теперь ничего не мешает падать на такую нейтронную звезду. Плазма, падая, движется по линиям магнитного поля и ударяется о  твёрдую поверхность в районе полюсов нейтронной звезды, разогреваясь до десятков 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.

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 срабатывает в магнитосфере Земли, из-за чего данный тип и получил своё название.  ПЕР

Пульса́р — космический источник радио- (радиопульсар), оптического (оптический пульсар), рентгеновского (рентгеновский пульсар) и/или гамма- (гамма-пульсар) излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов). Согласно доминирующей астрофизической модели, пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звёзды с магнитным полем, которое наклонено к оси вращения, что вызывает модуляцию приходящего на Землю излучения. ПЕР

Схематическое изображение  пульсара. Сфера в центре изображения  — нейтронная звезда, кривые линии  обозначают линии магнитного поля пульсара, голубые конусы — потоки излучения  пульсара    ПЕР

Результаты наблюдений несколько  месяцев хранились в тайне, а  первому открытому пульсару присвоили  имя LGM-1 (сокр. от Little Green Men — маленькие зелёные человечки). Такое название было связано с предположением, что эти строго периодические импульсы радиоизлучения имеют искусственное происхождение. Однако доплеровское смещение частоты (характерное для источника, совершающего орбитальное движение вокруг звезды) обнаружено не было. Кроме того, группа Хьюиша нашла ещё 3 источника аналогичных сигналов. После этого гипотеза о сигналах внеземной цивилизации отпала, и в феврале 1968 года в журнале «Nature» появилось сообщение об открытии быстропеременных внеземных радиоисточников неизвестной природы с высокостабильной частотой[2].

Сообщение вызвало научную  сенсацию. До конца 1968 г. различные обсерватории мира обнаружили ещё 58 объектов, получивших название пульсаров, число посвящённых  им публикаций в первые же годы после открытия составило несколько сотен. Вскоре астрофизики пришли к общему мнению, что пульсар, точнее радиопульсар, представляет собой нейтронную звезду. Она испускает узконаправленные потоки радиоизлучения, и в результате вращения нейтронной звезды поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени — так образуются импульсы пульсара.

На 2008 год уже известно около 1790 радиопульсаров

Несколько позже были открыты  источники периодического рентгеновского излучения, названные рентгеновскими пульсарами. Как и радио-, рентгеновские  пульсары являются сильно замагниченными нейтронными звёздами. В отличие от радиопульсаров, расходующих собственную энергию вращения на излучение, рентгеновские пульсары излучают за счёт аккреции вещества звезды-соседа, заполнившего свою полость Роша и под действием пульсара постепенно превращающегося в белого карлика. Как следствие, масса пульсара медленно растёт, увеличивается его момент инерции и частота вращения, в то время как радиопульсары со временем, наоборот, замедляются. Обычный пульсар совершает оборот за время от нескольких секунд до нескольких десятых долей секунды, а рентгеновский пульсар делает сотни оборотов в секунду.