Нейтронные звезды: что известно человечеству об этом явлении

Если у вас есть статья, заметка или обзор, которыми вы хотите поделиться с аудиторией нашего сайта, присылайте информацию на: aleksandr.belozerov@gmail.com. За статьи платим деньги!

С момента зарождения Вселенной прошло уже более десятка миллиарда лет, в течение которых происходит звездная эволюция, осуществляется изменение состава космического пространства. Одни космические объекты исчезают, а на их месте появляются другие. Этот процесс происходит постоянно, однако из-за огромных временных промежутков, мы в состоянии наблюдать только один единственный кадр колоссальной и увлекательной мультисессии.

Живая Вселенная
Живая Вселенная

Мы видим Вселенную во всей красе, наблюдая жизнь звезд, этапы эволюции и момент предсмертной агонии. Смерть звезды – это всегда грандиозное и яркое событие. Чем крупнее и массивнее звезда, тем масштабнее катаклизм.

Нейтронная звезда является ярким примером такой эволюции, живым памятником былого звездного могущества. В этом и заключается весь парадокс. На месте массивной звезды, размеры и масса которой в десятки и сотни раз превышают аналогичные параметры нашего Солнца, возникает крошечное небесное тело диаметром в пару десятков километров. Такое превращение не происходит в один момент. Образование нейтронных звезд — результат длинного эволюционного пути развития космического монстра, растянутого в пространстве и во времени.

Образование нейтронной звезды
Образование нейтронной звезды

Физика нейтронных звезд

Подобные объекты немногочисленны во Вселенной, как может показаться на первый взгляд. Как правило, нейтронная звезда может быть одна на тысячу звезд. Секрет такого небольшого числа заключается в уникальности эволюционных процессов, которые предшествуют рождению нейтронных звезд. Все звезды по-разному проживают свою жизнь. По-разному выглядит и финал звездной драмы. Масштабы действа определяются массой звезды. Чем больше масса космического тела, чем массивнее звезда, тем выше вероятность того что ее смерть будет быстрой и яркой.

Взрыв Сверхновой
Взрыв Сверхновой

Постоянно увеличившиеся силы гравитации приводят к трансформации звездного вещества в тепловую энергию. Этот процесс невольно сопровождается колоссальным выбросом – взрывом Сверхновой. Результатом такого катаклизма становится новый космический объект – нейтронная звезда.

Проще говоря, звездная материя перестает быть топливом, термоядерные реакции утрачивают свою интенсивность и не в состоянии поддерживать в недрах массивного тела необходимые температуры. Выходом из создавшегося состояния становится коллапс — обрушение звездного газа на центральную часть звезды.

Все это приводит к мгновенному высвобождению энергии, разбрасывающей внешние слои звездной материи во все стороны. На месте звезды возникает расширяющаяся туманность. Такая трансформация может произойти с любой звездой, однако при этом результаты коллапса могут быть разными.

Если масса космического объекта невелика, к примеру, мы имеем дело с желтым карликом вроде Солнца, на месте вспышки остается белый карлик. В том случае, если масса космического монстра превышает солнечную массу в десятки раз, в результате обрушения мы наблюдаем вспышку Сверхновой. На месте былого звездного величия образуется нейтронная звезда. Сверхмассивные звезды, масса которых в сотни раз больше массы Солнца, завершают свой жизненный цикл, нейтронная звезда является промежуточным этапом. Продолжающееся гравитационное сжатие приводит к тому, что жизнь нейтронной звезды завершается появлением черной дыры.

Варианты развития
Варианты развития

В результате коллапса от звезды остается только ядро, продолжающееся сжиматься. В связи с этим, характерной особенностью нейтронных звезд являются высокая плотность и огромная масса при мизерных размерах. Так масса нейтронной звезды диаметром 20 км. в 1,5-3 раза больше массы нашей звезды. Происходит уплотнение или нейтронизация электронов и протонов в нейтроны. Соответственно, при уменьшении объема и размеров, стремительно увеличивается плотность и масса звездного вещества.

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
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
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.

Именно вспышкам сверхновых Земля обязана тем, что в ее строении и структуре присутствуют частицы космического железа.

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
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.

Классификация нейтронных звезд

Такой специфический состав звездно-ядерной субстанции обуславливает высокую ядерную плотность нейтронной звезды 1014-1015 г/см³, при этом средний размер образовавшегося объекта составляет не менее 10 и не более 20 км. Дальнейшее увеличение плотности стабилизируется силами взаимодействия нейтронов. Другими словами, вырожденный звездный газ находится в состоянии равновесия, удерживая звезду от очередного коллапса.

Нейтронизация ядра
Нейтронизация ядра

Довольно сложная природа таких космических объектов, какими являются нейтронные звезды, стала причиной последующей классификации, которая объясняет их поведение и существование на просторах Вселенной. Основными параметрами, на основании которых осуществляется классификация, являются период вращения звезды и масштабы магнитного поля. В процессе своего существования нейтронная звезда утрачивает энергию вращения, уменьшается и магнитное поле объекта. Соответственно, небесное тело переходит из одного состояния в другое, среди которых наиболее характерными выделяются следующие типы:

  • Радиопульсары (эжекторы) представляют собой объекты, которые имеют малый период вращения, однако сила магнитного поля у них остается достаточно большой. Заряженные частицы, совершая движение вдоль силовых полей, в местах обрыва покидают оболочку звезды. Небесное тело данного типа эжектирует, периодически наполняя Вселенную радиоимпульсами, фиксируемыми в радиочастотном диапазоне;
  • Нейтронная звезда – пропеллер. В данном случае у объекта крайне малая скорость вращения, однако, магнитное поле не обладает достаточной силой, чтобы притягивать из окружающего пространства элементы материи. Звезда не излучает импульсов, не происходит в данном случае и аккреция (падение космической материи);
  • Рентгеновский пульсар (аккретор). Такие объекты имеют малую скорость вращения, но ввиду сильного магнитного поля звезда интенсивно поглощает материал из космического пространства. В результате в местах падения звездной материи на поверхности нейтронной звезды скапливается плазма, разогретая до миллионов градусов. Эти точки на поверхности небесного тела становятся источниками пульсирующего теплового, рентгеновского излучения. С появлением мощных радиотелескопов, способных заглянуть в глубину космоса в инфракрасном и рентгеновском диапазоне, стало возможным быстрее выявлять довольно много обычных рентгеновских пульсаров;
  • Георотатор – объект, который имеет малую скорость вращения, при этом на поверхности звезды в результате аккреции происходит скапливание звездной материи. Сильное магнитное поле препятствует образованию в поверхностном слое плазмы, и звезда постепенно набирает свою массу.
Радиопульсар (эжектор)
Радиопульсар (эжектор)
Аккреция нейтронной звезды
Аккреция нейтронной звезды

Как видно из существующей классификации, каждая из нейтронных звезд ведет себя по-разному. Отсюда вытекают и различные способы их обнаружения, и возможно, различна будет судьба этих небесных тел в будущем.

Парадоксы рождения нейтронных звезд

Первая версия о том, что нейтронные звезды — продукты взрыва Сверхновой, сегодня не является постулатом. Существует теория, что здесь может быть использован и другой механизм. В двойных звездных системах пищей для новых звезд становятся белые карлики. Звездное вещество постепенно перетекает из одного космического объекта на другой, увеличивая его массу до состояния критической. Другими словами, в будущем один из пары белый карлик – это нейтронная звезда.

Звезды-компаньоны
Звезды-компаньоны

Нередко одиночная нейтронная звезда, пребывая в тесном окружении звездных скоплений, обращает свое внимание на ближайшую соседку. Компаньонами нейтронных звезд могут стать любые звезды. Эти пары возникают довольно часто. Последствия такой дружбы зависят от массы компаньона. Если масса нового компаньона невелика, то украденное звездное вещество будет скапливаться вокруг в виде аккреционного диска. Этот процесс, сопровождаемый большим периодом вращения, приведет к тому, что звездный газ разогреется до температуры в миллион градусов. Нейтронная звезда вспыхнет потоком рентгеновского излучения, становясь рентгеновским пульсаром. У этого процесса есть два пути:

  • звезда остается в космосе тусклым небесным телом;
  • тело начинает излучать короткие рентгеновские вспышки (барстеры).

Во время рентгеновских вспышек яркость звезды стремительно увеличивается, делая такой объект в 100 тысяч раз ярче Солнца.

Барстеры
Барстеры

История изучения нейтронных звезд

Нейтронный звезды стали открытием второй половины XX века. Ранее обнаружить подобные объекты в нашей галактике и во Вселенной было технически невозможно. Тусклый свет и малые размеры таких небесных тел не позволяли их обнаружить с помощью оптических телескопов. Несмотря на отсутствие визуального контакта, существование подобных объектов в космосе предсказывали теоретически. Первая версия о существовании звезд с огромной плотностью появилась с подачи советского ученого Л. Ландау в 1932 году.

Фриц Цвикки и Вальтер Бааде
Фриц Цвикки и Вальтер Бааде

Через год, в 1933 году уже за океаном было сделано серьезное заявление о существовании звезд с необычным строением. Астрономы Фриц Цвикки и Вальтер Бааде выдвинули обоснованную теорию, что на месте вспышки Сверхновой обязательно остается нейтронная звезда.

В 60-е годы XX столетия обозначился прорыв в астрономических наблюдениях. Этому способствовало появление рентгеновских телескопов, способных выявлять в космосе источники мягкого рентгеновского излучения. Используя в наблюдениях теорию о существовании в космосе источников сильного теплового излучения, астрономы пришли к выводу, что мы имеем дело с новым типом звезд. Весомым дополнением теории о существовании нейтронных звезд стало открытие в 1967 году пульсаров. Американец Джоселин Белл с помощью своей радиоаппаратуры обнаружил поступающие из космоса радиосигналы. Источником радиоволн являлся стремительно вращающийся объект, который действовал подобно радиомаяку, посылая сигналы во все стороны.

Ближайшая нейтронная звезда
Ближайшая нейтронная звезда

Такой объект непременно имеет большую скорость вращения, что для обычной звезды стало бы фатальным. Первым пульсаром, который был открыт астрономами, является PSR В1919+21, находящийся на расстоянии 2283,12 св. года от нашей планеты. По мнению ученых, ближайшей нейтронной звездой к Земле является космический объект RX J1856.5-3754, расположенный в созвездии Южная Корона, который был открыт в 1992 году в обсерватории Чандра. Расстояние от Земли до ближайшей нейтронной звезды составляет 400 световых лет.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них