Склад нейтронної зірки. Що таке нейтронна зірка

Кінцевим продуктом еволюції зірок називають нейтронні зірки. Розмірами та масою вони просто вражають уяву! Маючи розмір до 20 км у діаметрі, але масою як . Щільність речовини у нейтронної зірки у багато разів перевищує густину атомного ядра. З'являються нейтронні зірки під час спалахів наднових.

Більшість відомих нейтронних зірок мають вагу приблизно 1,44 мас Сонцяі одно межі маси по Чандрасекара. Але теоретично можливо вони можуть мати і до 2,5 мас. Найважчі з відкритих на сьогоднішній момент має вагу 1,88 Сонячної маси і називається вона - Vele X-1, і друга з масою 1,97 Сонячної - PSR J1614-2230. При подальшому збільшення щільності зірка перетворюється вже на кваркову.

Магнітне поле у нейтронних зірок дуже сильне і досягає 10-12 ступеня Гс, Землі поле дорівнює 1Гс. Деякі нейтронні зірки з 1990 року ототожнені як магнетари - це зірки у яких магнітні поля йдуть далеко за межі 10-14 ступеня Гс. За таких критичних магнітних полів змінюється і фізика, з'являються релятивістські ефекти (відхилення світла магнітним полем) та поляризація фізичного вакууму. Нейтронні зірки були передбачені, а вже потім відкриті.

Перші припущення були зроблені Вальтер Бааде і Фріц Цвіккі в 1933 році, вони зробили припущення, що нейтронні зірки народжуються внаслідок вибуху наднової. За розрахунками, випромінювання цих зірок дуже маленьке, його просто неможливо виявити. Але в 1967 році аспірантка Х'юїша Джоселін Белл відкрила , який випускав регулярні радіоімпульси.

Такі імпульси виходили в результаті швидкого обертання об'єкта, але звичайні зірки від такого сильного обертання просто розлетілися б, і тому вирішили, що це нейтронні зірки.

Пульсари в порядку зменшення швидкості обертання:

Ежектор це радіопульсар. Мала швидкість обертання та сильне магнітне поле. У такого пульсара магнітне поле та зірка обертається разом з рівною кутовою швидкістю. У певний момент лінійна швидкість поля досягає швидкості світла і починає перевершувати її. Далі вже дипольне поле не може існувати і лінії напруженості поля рвуться. Рухаючись цими лініями заряджені частинки досягають обриву і зриваються, таким чином вони залишають нейтронну зірку і можуть відлітати на будь-яку відстань аж до нескінченності. Тому ці пульсари називають ежектори (віддавати, вивергати) - радіопульсари.

ПропелерУ нього вже немає такої швидкості обертання як у ежектора, щоб розганяти частинки до післясвітлової швидкості, тому бути радіопульсаром він не може. Але швидкість обертання в нього ще дуже висока, речовина, захоплена магнітним полем, не може ще впасти на зірку, тобто акреція не відбувається. Такі зірки вивчені дуже погано, оскільки спостерігати їх практично неможливо.

Акретор це рентгенівський пульсар. Зірка обертається вже не так швидко і речовина починає падати на зірку, падаючи на лінія магнітного поля. Падаючи в районі полюса на тверду поверхню, речовина розігрівається до десятків мільйонів градусів, в результаті виходить рентгенівське випромінювання. Пульсації відбуваються в результаті того, що зірка ще обертається, а так як область падіння речовини всього близько 100 метрів, то пляма періодично пропадає з виду.

В астрофізиці, як, втім, і в будь-якій галузі науки, найбільш цікаві еволюційні проблеми, пов'язані з одвічними питаннями «що було?» і що буде?". Що трапиться із зірковою масою, приблизно рівною масі нашого Сонця, ми вже знаємо. Така зірка, пройшовши через стадію червоного гіганта, стане білим карликом. Білі карлики на діаграмі Герцшпрунга – Рессела лежать осторонь головної послідовності.

Білі карлики – кінець еволюції зірок сонячної маси. Вони є своєрідним еволюційним глухим кутом. Повільне і спокійне згасання - кінець шляху всіх зірок з масою, меншою за сонячну. А що можна сказати про масивніші зірки? Ми побачили, що їхнє життя сповнене бурхливими подіями. Але виникає природне питання про те, чим закінчуються жахливі катаклізми, що спостерігаються у вигляді спалахів наднових?

1054 року на небі спалахнула зірка-гостя. Вона була видна на небі навіть вдень і згасла лише за кілька місяців. Сьогодні ми бачимо залишки цієї зіркової катастрофи у вигляді яскравого оптичного об'єкта, позначеного у каталозі туманностей Месьє під номером M1. Це знаменита Крабоподібна туманність- залишок вибуху наднової.

У 40-х роках нашого століття американський астроном В. Бааде почав вивчати центральну частину «Краба» для того, щоб спробувати відшукати в центрі туманності зірковий залишок від вибуху наднової. До речі, назву «краб» цьому об'єкту дав у XIX столітті англійський астроном лорд Росс. Бааде знайшов кандидата на зірковий залишок у вигляді зірочки 17т.

Але астроному не пощастило, у нього не було відповідної техніки для детального дослідження, і тому він не зміг помітити, що ця зірочка мерехтить, пульсує. Якби період цих пульсацій яскравості не 0,033 секунди, а, скажімо, кілька секунд, Бааде, безперечно, помітив би це, і тоді честь відкриття першого пульсара належала б не А. Х'юїша і Д. Белл.

Років за десять до того, як Бааде направив свій телескоп до центру Крабоподібної туманності, Фізики-теоретики почали досліджувати стан речовини при щільності, що перевищують щільність білих карликів (106 - 107 г/см3). Інтерес до цього питання виник у зв'язку з проблемою кінцевих стадій еволюції зірок. Цікаво, що одним із співавторів цієї ідеї був той самий Бааде, який якраз і пов'язав сам факт існування нейтронної зірки з вибухом наднової.

Якщо речовина стискається до густин великих, ніж щільність білих карликів, починаються так звані процеси нейтронізації. Жахливий тиск усередині зірки «вганяє» електрони в атомні ядра. У звичайних умовах ядро, що поглинуло електрони, буде нестійким, оскільки воно містить надмірну кількість нейтронів. Проте у компактних зірках це не так. Зі збільшенням щільності зірки електрони виродженого газу поступово поглинаються ядрами, і помалу зірка перетворюється на гігантську. нейтронну зірку- Краплю. Вироджений електронний газ змінюється виродженим нейтронним газом із щільністю 1014-1015 г/см3. Іншими словами, щільність нейтронної зірки в мільярди разів більша за щільність білого карлика.

Довгий час ця жахлива конфігурація зірки вважалася грою розуму теоретиків. Знадобилося понад тридцять років, щоб природа підтвердила це видатне передбачення. У ті ж 30-ті роки було зроблено ще одне важливе відкриття, яке вплинуло на всю теорію зоряної еволюції. Чандрасекар та Л. Ландау встановили, що для зірки, яка вичерпала джерела ядерної енергії, існує деяка гранична маса, коли зірка ще зберігає стійкість. При цій масі тиск виродженого газу ще може протистояти силам гравітації. Як наслідок у маси вироджених зірок (білі карлики, нейтронні зірки) існує кінцева межа (межа Чандрасекара), перевищення якої викликає катастрофічний стиск зірки, її колапс.

Зазначимо, що, якщо маса ядра зірки укладена між 1,2 М та 2,4 М, кінцевим «продуктом» еволюції такої зірки має бути нейтронна зірка. При масі ядра менше 1,2 М еволюція призведе нарешті до народження білого карлика.

Що ж є нейтронна зірка? Масу її ми знаємо, знаємо також, що вона складається переважно з нейтронів, розміри яких також відомі. Звідси легко визначити радіус зірки. Він виявляється близьким до... 10 кілометрів! Визначити радіус такого об'єкта дійсно нескладно, але дуже важко наочно уявити, що масу, близьку до маси Сонця, можна розмістити в об'єкті, діаметр якого трохи більше довжини Профспілкової вулиці в Москві. Це гігантська ядерна крапля, надядро елемента, що не вкладається в жодні періодичні системи і має несподівану, своєрідну будову.

Речовина нейтронної зірки має властивості надплинної рідини! У цей факт на перший погляд важко повірити, але це так. Стиснуте до жахливих щільностей речовина нагадує певною мірою рідкий гелій. До того ж не слід забувати, що температура нейтронної зірки – близько мільярда градусів, а, як ми знаємо, надплинність у земних умовах проявляється лише за наднизьких температур.

Щоправда, для поведінки самої нейтронної зірки температура особливої ролі не грає, оскільки стійкість її визначається тиском виродженого нейтронного газу – рідини. Будова нейтронної зірки багато в чому нагадує будову планети. Крім «мантії», що складається з речовини з дивовижними властивостями надпровідної рідини, така зірка має тонку тверду кору завтовшки приблизно кілометр. Передбачається, що кора має своєрідну кристалічну структуру. Своєрідною тому, що на відміну від відомих нам кристалів, де будова кристала залежить від конфігурації електронних оболонок атома, у корі нейтронної зірки атомні ядра позбавлені електронів. Тому вони утворюють грати, що нагадує кубічні решітки заліза, міді, цинку, але, відповідно, при незмірно вищих щільностях. Далі йде мантія, про властивості якої ми вже говорили. У центрі нейтронної зірки щільності досягають 1015 г у кубічному сантиметрі. Іншими словами, чайна ложка речовини такої зірки важить мільярди тонн. Передбачається, що в центрі нейтронної зірки відбувається безперервне утворення всіх відомих у ядерній фізиці, а також не відкритих екзотичних елементарних частинок.

Нейтронні зірки досить швидко остигають. Оцінки показують, що за перші десять – сто тисяч років температура падає від кількох мільярдів до сотень мільйонів градусів. Нейтронні зірки швидко обертаються, і це призводить до цілого ряду дуже цікавих наслідків. До речі, саме малі розміри зірки дозволяють їй при швидкому обертанні залишатися цілою. Якби її діаметр не 10, а, скажімо, 100 кілометрів, вона була б просто розірвана відцентровими силами.

Ми вже говорили про історію відкриття пульсарів, що інтригує. Відразу ж була висловлена думка, що пульсар - нейтронна зірка, що швидко обертається, оскільки з усіх відомих зіркових конфігурацій лише вона одна могла б залишитися стійкою, обертаючись з великою швидкістю. Саме вивчення пульсарів дозволило дійти чудового висновку про те, що відкриті "на кінчику пера" теоретиками нейтронні зірки дійсно існують у природі і виникають вони в результаті спалахів наднових. Труднощі їх виявлення в оптичному діапазоні очевидні, оскільки через малий діаметр більшість нейтронних зірок не можна побачити в найпотужніші телескопи, хоча, як ми бачили, тут є і винятки - пульсар у Крабоподібної туманності.

Отже, астрономи відкрили новий клас об'єктів. пульсари, що швидко обертаються нейтронні зірки. Виникає природне питання: що є причиною такого швидкого обертання нейтронної зірки, чому, власне кажучи, вона має крутитися навколо своєї осі з величезною швидкістю?

Причина цього явища проста. Ми добре знаємо, як може збільшити швидкість обертання фігурист, коли притискає руки до тіла. У цьому він використовує закон збереження моменту кількості руху. Цей закон не порушується ніколи, і саме він під час вибуху наднової у багато разів збільшує швидкість обертання її залишку – пульсара.

Справді, у процесі колапсу зірки її маса (те, що залишилося після вибуху) не змінюється, а радіус зменшується приблизно сто разів. Але момент кількості руху, рівний добутку екваторіальної швидкості обертання на масу та на радіус, залишається тим самим. Маса не змінюється, отже швидкість повинна збільшуватися в ті ж сто тисяч разів.

Розглянемо найпростіший приклад. Наше Сонце досить повільно обертається довкола власної осі. Період цього обертання становить приблизно 25 діб. Так от, якби Сонце раптом стало нейтронною зіркою, період його обертання зменшився до однієї десятитисячної частки секунди.

Друге важливе слідство із законів збереження полягає в тому, що нейтронні зірки мають бути дуже сильно намагнічені. Насправді, в будь-якому природному процесі ми не можемо просто так взяти та знищити магнітне поле (якщо воно вже існує). Магнітні силові лінії назавжди пов'язані з речовиною зірки, що володіє прекрасною електропровідністю. Величина магнітного потоку лежить на поверхні зірки дорівнює добутку величини напруженості магнітного поля квадрат радіуса зірки. Ця величина суворо стала. Ось чому при стисненні зірки магнітне поле має дуже збільшитися. Зупинимося на цьому явищі дещо докладніше, оскільки саме воно обумовлює багато дивовижних властивостей пульсарів.

На поверхні Землі можна виміряти напруженість магнітного поля. Ми отримаємо невелику величину близько одного гауса. У хорошій фізичній лабораторії можна отримати магнітні поля завбільшки мільйон гаус. На поверхні білих карликів напруженість магнітного поля сягає ста мільйонів гаусів. Поблизу поля ще сильніше – до десяти мільярдів гаусів. Але на поверхні нейтронної зірки природа досягає абсолютного рекорду. Тут напруженість поля може становити сотні тисяч мільярдів гаусів. Порожнеча в літровій банці, що містить у собі таке поле, важила б близько тисячі тонн.

Настільки сильні магнітні поля не можуть не вплинути (зрозуміло, у поєднанні з гравітаційним полем) на характер взаємодії нейтронної зірки з навколишнім речовиною. Адже ми поки що не говорили про те, чому пульсари мають величезну активність, чому вони випромінюють радіохвилі. Та й не лише радіохвилі. На сьогоднішній день астрофізикам добре відомі рентгенівські пульсари, що спостерігаються лише в подвійних системах, гамма-джерела з незвичайними властивостями, так звані рентгенівські барстери.

Щоб уявити різні механізми взаємодії нейтронної зірки з речовиною, звернемося до загальної теорії повільного зміни режимів взаємодії нейтронних зірок з довкіллям. Розглянемо коротко основні етапи такої еволюції. Нейтронні зірки - залишки спалахів наднових - спочатку дуже швидко обертаються періодом 10 -2 - 10 -3 секунди. При такому швидкому обертанні зірка випромінює радіохвилі, електромагнітне випромінювання, частки.

Одним з найдивовижніших властивостей пульсарів є жахлива потужність їх випромінювання, що в мільярди разів перевершує потужність випромінювання зоряних надр. Так, наприклад, потужність радіовипромінювання пульсара в Крабі досягає 1031 ерг/сек, в оптиці-1034 ерг/сек, що набагато більше, ніж потужність випромінювання Сонця. Ще більше випромінює цей пульсар у рентгенівському та гамма-діапазонах.

Які ж влаштовані ці природні генератори енергії? Всі радіопульсари мають одну загальну властивість, яка і послужила ключем до розгадки механізму їх дії. Ця властивість полягає в тому, що період випромінювання імпульсів не залишається постійним, він повільно збільшується. Варто відзначити, що і ця властивість нейтронних зірок, що обертаються, була спочатку передбачена теоретиками, а потім дуже швидко підтверджена експериментально. Так, у 1969 році було встановлено, що період випромінювання імпульсів пульсара в «Краб» зростає на 36 мільярдних часток секунди на день.

Не будемо зараз говорити, яким чином вимірюються такі малі проміжки часу. Для нас важливий сам факт збільшення періоду між імпульсами, який, до речі, дає можливість оцінювати і вік пульсарів. Але чому пульсар випромінює імпульси радіовипромінювання? Цілком це явище не пояснено в рамках будь-якої закінченої теорії. Але якісну картину явища можна описати.

Справа в тому, що вісь обертання нейтронної зірки не збігається з її магнітною віссю. З електродинаміки добре відомо, що якщо обертати у вакуумі магніт навколо осі, яка не збігається з магнітною, виникне електромагнітне випромінювання якраз на частоті обертання магніту. Одночасно гальмуватиметься швидкість обертання магніту. Це з загальних міркувань, оскільки, якби гальмування не відбувалося, ми мали б просто вічний двигун.

Таким чином, наш передавач черпає енергію радіоімпульсів з обертання зірки, а магнітне поле її є ніби приводним ременем машини. Реальний процес набагато складніший, оскільки магніт, що обертається у вакуумі, лише частково є аналогом пульсара. Адже нейтронна зірка обертається аж ніяк не у вакуумі, вона оточена потужною магнітосферою, плазмовою хмарою, а це гарний провідник, який вносить свої корективи в намальовану нами просту і досить схематичну картину. В результаті взаємодії магнітного поля пульсара з навколишньою магнітосферою і утворюються вузькі пучки спрямованого випромінювання, яке при сприятливому «розташуванні світил» може спостерігатися в різних ділянках галактики, зокрема на Землі.

Швидке обертання радіопульсара на початку життя викликає як радіовипромінювання. Значна частина енергії забирається також релятивістськими частинками. У міру зменшення швидкості обертання пульсар тиск випромінювання падає. До цього випромінювання відкидало плазму від пульсара. Тепер оточуюча речовина починає падати на зірку і гасить її випромінювання. Цей процес може бути особливо ефективним, якщо пульсар входить у подвійну систему. У такій системі, особливо якщо вона досить тісна, пульсар перетягує він речовину «нормального» компаньйона.

Якщо пульсар молодий і сповнений сил, його радіовипромінювання ще може «пробитися» до спостерігача. Але старий пульсар вже не в змозі боротися з акрецією, і вона гасить зірку. У міру уповільнення обертання пульсара починають виявлятися інші чудові процеси. Оскільки гравітаційне поле у нейтронної зірки дуже сильне, при акреції речовини виділяється значна кількість енергії у вигляді рентгенівського випромінювання. Якщо подвійний системі нормальний компаньйон віддає пульсару помітну кількість матерії, приблизно 10 -5 - 10 -6 М на рік, нейтронна зірка буде спостерігатися не як радіопульсар, а як рентгенівський пульсар.

Але це ще не все. У деяких випадках, коли магнітосфера нейтронної зірки знаходиться близько до її поверхні, речовина починає там накопичуватися, утворюючи свого роду оболонку зірки. У цій оболонці можуть створити сприятливі умови для проходження термоядерних реакцій, і тоді ми можемо побачити на небі рентгенівський барстер (від англійського слова burst - «спалах»).

Власне кажучи, цей процес не повинен виглядати для нас несподіваним, ми вже говорили про нього стосовно білих карликів. Однак умови на поверхні білого карлика та нейтронної зірки сильно відрізняються, і тому рентгенівські барстери однозначно пов'язуються саме з нейтронними зірками. Термоядерні вибухи спостерігаються нами у вигляді рентгенівських спалахів і, можливо, гамма-сплесків. Деякі гамма-сплески можуть бути, мабуть, обумовлені термоядерними вибухами на поверхні нейтронних зірок.

Але повернемося до рентгенівських пульсарів. Механізм їхнього випромінювання, звичайно, зовсім інший, ніж у барстерів. Ядерні джерела енергії тут уже не відіграють жодної ролі. Кінетична енергія самої нейтронної зірки також може бути узгоджена з даними спостережень.

Візьмемо для прикладу рентгенівське джерело Центавр Х-1. Його потужність складає 10 ерг/сек. Отже, запас цієї енергії міг би вистачити лише на один рік. Крім того, цілком очевидно, що період обертання зірки в цьому випадку мав би збільшуватись. Однак у багатьох рентгенівських пульсарів, на відміну від радіопульсарів, період між імпульсами з часом зменшується. Значить, тут справа не в кінетичній енергії обертання. Як же працюють рентгенівські пульсари?

Ми пам'ятаємо, що виявляються вони у подвійних системах. Саме там процеси акреції особливо ефективні. Швидкість падіння речовини на нейтронну зірку може сягати однієї третини швидкості світла (100 тисяч кілометрів на секунду). Тоді один грам речовини виділить енергію 1020 ерг. А щоб забезпечити енерговиділення 1037 ерг/сек, необхідно, щоб потік речовини на нейтронну зірку становив 1017 грамів в секунду. Це загалом не дуже багато, близько однієї тисячної маси Землі на рік.

Постачальником матеріалу може бути оптичний компаньйон. З частини поверхні його до нейтронної зірки буде безупинно текти струмінь газу. Вона і постачатиме і енергією, і речовиною акреційний диск, що утворюється навколо нейтронної зірки.

Оскільки нейтронна зірка має величезне магнітне поле, газ «стікатиме» по магнітних силових лініях до полюсів. Саме там, у порівняно невеликих «плямах» розміром близько всього одного кілометра, розігруються грандіозні за своїми масштабами процеси народження найпотужнішого рентгенівського випромінювання. Випромінюють рентген релятивістські та звичайні електрони, що рухаються в магнітному полі пульсара. Газ, що падає на нього, може і «підживлювати» його обертання. Тому саме у рентгенівських пульсарів спостерігається у ряді випадків зменшення періоду обертання.

Рентгенівські джерела, що входять у подвійні системи, - одне з найчудовіших явищ у космосі. Їх трохи, мабуть, трохи більше сотні нашій Галактиці, але значення їх величезне як з погляду , зокрема розуміння I типу. Подвійні системи забезпечують найбільш природний та ефективний шлях перетікання речовини від зірки до зірки, і саме тут (за рахунок порівняно швидкої зміни маси зірок) ми можемо зіткнутися з різними варіантами прискореної еволюції.

Ще одне цікаве міркування. Ми знаємо, як важко практично неможливо оцінити масу одиночної зірки. Але оскільки нейтронні зірки входять до подвійних систем, може виявитися, що рано чи пізно вдасться емпірично (а це надзвичайно важливо!) визначити граничну масу нейтронної зірки, а також отримати пряму інформацію про її походження.

Речовини такого об'єкта у кілька разів перевищує густину атомного ядра (яка для важких ядер становить у середньому 2,8⋅10 17 кг/м³). Подальшому гравітаційному стиску нейтронної зірки перешкоджає тиск ядерної матерії, що виникає рахунок взаємодії нейтронів.

Багато нейтронні зірки мають надзвичайно високу швидкість обертання, - до кількох сотень обертів на секунду. Нейтронні зірки виникають у результаті спалахів наднових зірок.

Загальні відомості

Серед нейтронних зірок із надійно виміряними масами більшість потрапляє в інтервал від 1,3 до 1,5 мас Сонця, що близько до значення межі Чандрасекара. Теоретично допустимі нейтронні зірки з масами від 0,1 до приблизно 2,16 сонячних мас. Найбільш масивні нейтронні зірки з відомих - Vela X-1 (має масу не менше 1,88±0,13 сонячних мас на рівні 1σ, що відповідає рівню значимості α≈34 %) , PSR J1614–2230 en (з оцінкою маси 1, 97±0,04 сонячних) , та PSR J0348+0432 en (з оцінкою маси 2,01±0,04 сонячних). Гравітація в нейтронних зірках врівноважується тиском виродженого нейтронного газу, максимальне значення маси нейтронної зірки задається межею Оппенгеймера-Волкова, чисельне значення якого залежить від (поки що ще погано відомого) рівняння стану речовини в ядрі зірки. Існують теоретичні передумови до того, що при ще більшому збільшенні щільності можливе переродження нейтронних зірок у кваркові.

До 2015 року відкрито понад 2500 нейтронних зірок. Близько 90% їх - одиночні. Усього ж у нашій Галактиці можуть існувати 108-109 нейтронних зірок, тобто десь по одній на тисячу звичайних зірок. Для нейтронних зірок характерна висока швидкість руху (зазвичай, сотні км/с). В результаті акреції речовини хмари, нейтронна зірка може бути в цій ситуації видно з Землі в різних спектральних діапазонах, включаючи оптичний, на який припадає близько 0,003% енергії, що випромінюється (відповідає 10 зоряній величині) .

Будова

У нейтронній зірці можна назвати п'ять шарів: атмосфера, зовнішня кора, внутрішня кора, зовнішнє ядро і внутрішнє ядро.

Атмосфера нейтронної зірки – дуже тонкий шар плазми (від десятків сантиметрів у гарячих зірок до міліметрів у холодних), у ній формується теплове випромінювання нейтронної зірки.

Зовнішня кора складається з іонів та електронів, її товщина сягає кількох сотень метрів. Тонкий (не більше кількох метрів) приповерхневий шар гарячої нейтронної зірки містить невироджений електронний газ, глибші шари - вироджений електронний газ, зі збільшенням глибини він стає релятивістським та ультрарелятивістським.

Внутрішня кора складається з електронів, вільних нейтронів та нейтронно-надлишкових атомних ядер. Зі зростанням глибини частка вільних нейтронів збільшується, а атомних ядер – зменшується. Товщина внутрішньої кори може досягати кількох кілометрів.

Зовнішнє ядро складається з нейтронів з невеликою домішкою (кілька відсотків) протонів та електронів. У маломасивних нейтронних зірок зовнішнє ядро може простягатися до центру зірки.

У масивних нейтронних зірок є внутрішнє ядро. Його радіус може досягати кількох кілометрів, щільність у центрі ядра може перевищувати щільність атомних ядер у 10-15 разів. Склад і рівняння стану внутрішнього ядра достовірно невідомі: існує кілька гіпотез, три найбільш ймовірні з яких - 1) кваркове ядро, в якому нейтрони розвалюються на верхні і нижні кварки, що їх складають; 2) гіперонне ядро з баріонів включають дивні кварки; і 3) каонне ядро, що складається з двокваркових мезонів, що включають дивні (анти)кварки. Проте нині неможливо підтвердити чи спростувати якусь із цих гіпотез.

Вільний нейтрон, у звичайних умовах, не будучи частиною атомного ядра, зазвичай має час життя близько 880 секунд, але гравітаційний вплив нейтронної зірки не дозволяє нейтрону розпадатися, тому нейтронні зірки є одними з найстабільніших об'єктів у Всесвіті. [ ]

Охолодження нейтронних зірок

У момент народження нейтронної зірки (в результаті спалаху наднової), її температура дуже висока - близько 10 11 K (тобто на 4 порядки вище за температуру в центрі Сонця), але вона дуже швидко падає за рахунок нейтринного охолодження. Всього за кілька хвилин температура падає з 1011 до 109K, за місяць - до 108K. Потім нейтринна світність різко знижується (вона дуже залежить від температури), і охолодження відбувається набагато повільніше за рахунок фотонного (теплового) випромінювання поверхні. Температура поверхні відомих нейтронних зірок, у яких її вдалося виміряти, становить близько 105-106K (хоча ядро, мабуть, набагато гаряче).

Історія відкриття

Нейтронні зірки - один із небагатьох класів космічних об'єктів, які були теоретично передбачені до відкриття спостерігачами.

Вперше думку про існування зірок зі збільшеною щільністю ще до відкриття нейтрона, зробленого Чедвіком на початку лютого 1932, висловив відомий радянський учений Лев Ландау. Так, у своїй статті «Про теорію зірок», написаній у лютому 1931 року і з невідомих причин запізно опублікованою 29 лютого 1932 року (більш ніж через рік), він пише: «Ми очікуємо, що все це [порушення законів квантової механіки] має виявлятися, коли щільність матерії стане настільки великою, що атомні ядра прийдуть у тісний контакт, утворивши одне величезне ядро».

«Пропелер»

Швидкість обертання вже недостатня для ежекції частинок, тому така зірка може бути радіопульсаром . Однак швидкість обертання все ще велика, і захоплена магнітним полем матерія, що оточує нейтронну зірку, не може впасти, тобто акреція речовини не відбувається. Нейтронні зірки даного типу практично не мають проявів, що спостерігаються, і вивчені погано.

Акретор (рентгенівський пульсар)

Швидкість обертання знижується настільки, що речовині тепер нічого не перешкоджає падати на таку нейтронну зірку. Падаючи, речовина, вже в стані плазми, рухається лініями магнітного поля і вдаряється об тверду поверхню тіла нейтронної зірки в районі її полюсів, розігріваючись до десятків мільйонів градусів. Речовина, нагріта до таких високих температур, яскраво світиться в рентгенівському діапазоні. Область, де відбувається зіткнення падаючої речовини з поверхнею тіла нейтронної зірки, дуже мала - всього близько 100 метрів. Ця гаряча пляма через обертання зірки періодично зникає з виду, тому спостерігаються регулярні пульсації рентген-випромінювання. Такі об'єкти і називаються рентгенівськими пульсарами.

Георотатор

Швидкість обертання таких нейтронних зірок мала і не перешкоджає акреції. Але розміри магнітосфери такі, що плазма зупиняється магнітним полем раніше, ніж буде захоплена гравітацією. Подібний механізм працює в магнітосфері Землі, через що цей тип нейтронних зірок і отримав свою назву.

Примітки

Дмитро Трунін. Астрофізики уточнили граничну масу нейтронних зірок (неопр.) . nplus1.ru. Перевірено 18 січня 2018 року.
H. Quaintrell та ін.Маса neutron hvězdи в Vela X-1 і незважаючи на індустрію нерадіальних освітлення в GP Vel // Astronomy and Astrophysics. - квітень 2003. - №401. - С. 313-323. - arXiv: astro-ph/0301243.
P. B. Demorest, T. Pennucci, S. M. Ransom, M. S. E. Roberts & J. W. T. Hessels. A 2-solar-mass neutron star measured using Shapiro delay (англ.) // Nature. – 2010. – Vol. 467 . - P. 1081-1083.

Вона виникає після вибуху Наднової.

Це — захід сонця життя зірки. Її гравітація має таку силу, що вона скидає електрони з орбіт атомів, перетворюючи їх на нейтрони.

Коли вона втрачає підтримку свого внутрішнього тиску, вона хлопається, і це призводить до вибуху Наднової.

Залишки цього тіла стають нейтронною зіркою, маса якої становить 1,4 від маси Сонця, а радіус майже дорівнює радіусу Манхеттена в США.

Вага шматочка цукру із щільністю нейтронної зірки дорівнює…

Якщо, наприклад, взяти шматочок цукру об'ємом 1 см 3 і уявити, що він виготовлений з речовини нейтронної зірки, То його маса склала б приблизно близько мільярда тонн. Це дорівнює масі приблизно 8 тисяч авіаносців. Маленький об'єкт з неймовірною щільністю!

Новонароджена нейтронна зірка може похвалитися високою швидкістю обертання. Коли потужна зірка перетворюється на нейтронну, швидкість її обертання змінюється.

Обертова нейтронна зірка - природний електрогенератор. Її обертання створює потужне магнітне поле. Ця величезна сила магнетизму захоплює електрони та інші частинки атомів і відправляє їх углиб Всесвіту величезної швидкості. Високошвидкісні частинки мають властивість випромінювати радіацію. Мерехтіння, яке ми спостерігаємо у зірок-пульсарів, є випромінювання цих частинок.Але ми помічаємо його лише тоді, коли його випромінювання спрямоване в наш бік.

Нейтронна зірка, що обертається, — це Пульсар, екзотичний об'єкт, що з'явився, після вибуху Наднової. Це захід її життя.

Щільність нейтронних зірок розподілена по-різному. Вони мають кора, що відрізняється неймовірною щільністю. Але сили усередині нейтронної зірки здатні пробити кору. І коли це відбувається, зірка коригує своє становище, що призводить до зміни її обертання. Це називається: кора тріснула. На нейтронній зірці відбувається вибух.

Статті

Нейтронна зірка
Neutron star

Нейтронна зірка - Надщільна зірка, що утворюється в результаті вибуху Наднової. Речовина нейтронної зірки складається переважно з нейтронів.
Нейтронна зірка має ядерну щільність (1014-1015 г/см 3) і типовий радіус 10-20 км. Подальшому гравітаційному стиску нейтронної зірки перешкоджає тиск ядерної матерії, що виникає рахунок взаємодії нейтронів. Це тиск виродженого значно більш щільного нейтронного газу може утримувати від гравітаційного колапсу маси до 3M. Отже, маса нейтронної зірки змінюється не більше (1.4-3)M.

Рис. 1. Перетин нейтронної зірки масою 1.5M та радіусом R = 16 км. Вказана щільність в г/см 3 в різних частинах зірки.

Нейтрино, що утворюються в момент колапсу наднової, швидко охолоджують нейтронну зірку. Її температура за оцінками падає з 10 11 до 10 9 К протягом близько 100 с. Далі темп охолодження зменшується. Однак він високий за космічними масштабами. Зменшення температури з 109 до 108К відбувається за 100 років і до 106К – за мільйон років.
Відомо ≈ 1200 об'єктів, які відносять до нейтронних зірок. Близько 1000 із них розташовані в межах нашої галактики. Структура нейтронної зірки масою 1.5M та радіусом 16 км показана на рис. 1: I – тонкий зовнішній шар із щільно упакованих атомів. Область II є кристалічними гратами атомних ядер і вироджених електронів. Область III – твердий шар із атомних ядер, перенасичених нейтронами. IV – рідке ядро, що складається переважно з вироджених нейтронів. Область V утворює адронну серцевину нейтронної зірки. Вона, крім нуклонів, може містити півонії та гіперони. У цій частині нейтронної зірки можливий перехід нейтронної рідини у твердий кристалічний стан, поява піонного конденсату, утворення кварк-глюонної та гіперонної плазми. Окремі деталі будови нейтронної зірки нині уточнюються.
Виявити нейтронні зірки оптичними методами складно через малий розмір та низьку світність. У 1967 р. Еге. Х'юїш та Дж. Белл (Кембриджський університет) відкрили космічні джерела періодичного радіовипромінювання – пульсари. p align="justify"> Періоди повторення радіоімпульсів пульсарів суворо постійні і для більшості пульсарів лежать в інтервалі від 10 -2 до декількох секунд. Пульсари - це нейтронні зірки, що обертаються. Тільки компактні об'єкти, що мають властивості нейтронних зірок, можуть зберігати форму, не руйнуючись за таких швидкостей обертання. Збереження кутового моменту і магнітного поля при колапсі наднової і утворенні нейтронної зірки призводить до народження пульсарів, що швидко обертаються, з дуже сильним магнітним полем 10 10 -10 14 Гс. Магнітне поле обертається разом із нейтронною зіркою, проте, вісь цього поля не збігається з віссю обертання зірки. При такому обертанні радіовипромінювання зірки ковзає по землі як промінь маяка. Щоразу, коли промінь перетинає Землю і потрапляє на земного спостерігача, радіотелескоп фіксує короткий імпульс радіовипромінювання. Частота його повторення відповідає періоду обертання нейтронної зірки. Випромінювання нейтронної зірки виникає за рахунок того, що заряджені частинки (електрони) з поверхні зірки рухаються зовні силовими лініями магнітного поля, випускаючи електромагнітні хвилі. Такий механізм радіовипромінювання пульсара, вперше запропонований