Пульсары и нейтронные звезды. Что такое нейтронная звезда
Были предсказаны в начале 30-х гг. XX в. советским физиком Л. Д. Ландау, астрономами В. Бааде и Ф. Цвикки. В 1967 г. были открыты пульсары, которые к 1977 г. были окончательно отождествлены с нейтронными звёздами.
Нейтронные звёзды обра-зовываются в результате взрыва сверхновой на последней стадии эволюции звезды большой массы.
Если масса остатка сверхновой (т. е. то, что остаётся пос-ле сброса оболочки) больше 1,4 M ☉ , но меньше 2,5 M ☉ , то сжатие его продолжается и после взрыва до тех пор, пока плотность не достигнет ядерных значений. Это приведёт к то-му, что электроны будут «вдавлены» в ядра, и образуется ве-щество, состоящее из одних нейтронов. Возникает нейтронная звезда.
Радиусы нейтронных звёзд, как и радиусы белых карли-ков, уменьшаются при увеличении массы. Так, нейтронная звезда массой 1,4 M ☉ (минимальная масса нейтронной звезды) имеет радиус 100—200 км, а при массе 2,5 M ☉ (максималь-ная масса) — всего 10—12 км. Материал с сайта
Схематический разрез нейтрон-ной звезды показан на рисунке 86. Наружные слои звезды (рис. 86, III) состоят из железа, образующего твёрдую ко-ру. На глубине примерно 1 км начинается твёрдая кора из железа с примесью нейтронов (рис. 86), которая перехо-дит в жидкое сверхтекучее и сверхпроводящее ядро (рис. 86, I). При массах, близких к предельным (2,5—2,7 M ☉), в центральных областях нейтронной звезды появля-ются более тяжёлые элементарные частицы (гипероны).
Плотность нейтронной звезды
Плотность вещества в нейтронной звезде сравнима с плот-ностью вещества в атомном ядре: она достигает 10 15 —10 18 кг/м 3 . При таких плотностях самостоятельное существование элек-тронов и протонов невозможно, и вещество звезды состоит практически из одних нейтронов.
Картинки (фото, рисунки)
На этой странице материал по темам:
Гипотезу о существовании нейтронных звезд выдвинули астрономы В.Бааде и Ф.Цвикки сразу после открытия нейтрона в 1932. Но подтвердить эту гипотезу наблюдениями удалось лишь после открытия пульсаров в 1967.
Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса нормальных звезд с массами в несколько раз больше солнечной. Плотность нейтронной звезды близка к плотности атомного ядра, т.е. в 100 млн. раз выше плотности обычного вещества. Поэтому при своей огромной массе нейтронная звезда имеет радиус всего ок. 10 км.
Из-за малого радиуса нейтронной звезды сила тяжести на ее поверхности чрезвычайно велика: примерно в 100 млрд. раз выше, чем на Земле . От коллапса эту звезду удерживает «давление вырождения» плотного нейтронного вещества, не зависящее от его температуры. Однако если масса нейтронной звезды станет выше примерно 2 солнечных, то сила тяжести превысит это давление и звезда не сможет противостоять коллапсу .
У нейтронных звезд очень сильное магнитное поле, достигающее на поверхности 10 12 –10 13 Гс (для сравнения: у Земли ок. 1 Гс). С нейтронными звездами связывают небесные объекты двух разных типов.
Пульсары
(радиопульсары). Эти объекты строго регулярно излучают импульсы радиоволн. Механизм излучения до конца не ясен, но считают, что вращающаяся нейтронная звезда излучает радиолуч в направлении, связанном с ее магнитным полем, ось симметрии которого не совпадает с осью вращения звезды. Поэтому вращение вызывает поворот радиолуча, периодически направляющегося на Землю.
Рентгеновские двойные.
С нейтронными звездами, входящими в двойную систему с массивной нормальной звездой, связаны также пульсирующие рентгеновские источники. В таких системах газ с поверхности нормальной звезды падает на нейтронную звезду, разгоняясь до огромной скорости. При ударе о поверхность нейтронной звезды газ выделяет 10–30% своей энергии покоя, тогда как при ядерных реакциях этот показатель не достигает и 1%. Нагретая до высокой температуры поверхность нейтронной звезды становится источником рентгеновского излучения. Однако падение газа не происходит равномерно по всей поверхности: сильное магнитное поле нейтронной звезды захватывает падающий ионизованный газ и направляет его к магнитным полюсам, куда он и падает, как в воронку. Поэтому сильно нагреваются только районы полюсов, которые на вращающейся звезде становятся источниками рентгеновских импульсов. Радиоимпульсы от такой звезды уже не поступают, поскольку радиоволны поглощаются в окружающем ее газе.
Состав.
Плотность нейтронной звезды растет с глубиной. Под слоем атмосферы толщиной всего несколько сантиметров находится жидкая металлическая оболочка толщиной несколько метров, а ниже – твердая кора километровой толщины. Вещество коры напоминает обычный металл, но гораздо плотнее. В наружной части коры это в основном железо; с глубиной в его составе увеличивается доля нейтронов. Там, где плотность достигает ок. 4Ч 10 11 г/см 3 , доля нейтронов увеличивается настолько, что некоторые из них уже не входят в состав ядер, а образуют сплошную среду. Там вещество похоже на «море» из нейтронов и электронов, в которое вкраплены ядра атомов. А при плотности ок. 2Ч 10 14 г/см 3 (плотность атомного ядра) вообще исчезают отдельные ядра и остается сплошная нейтронная «жидкость» с примесью протонов и электронов. Вероятно, нейтроны и протоны ведут себя при этом как сверхтекучая жидкость, подобная жидкому гелию и сверхпроводящим металлам в земных лабораториях.
Kevin Gill / flickr.com
Немецкие астрофизики уточнили максимально возможную массу нейтронной звезды, опираясь на результаты измерений гравитационных волн и электромагнитного излучения от . Оказалось, что масса невращающейся нейтронной звезды не может быть больше 2,16 масс Солнца, говорится в статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters .
Нейтронные звезды - это сверхплотные компактные звезды, которые образуются во время вспышек сверхновых. Радиус нейтронных звезд не превышает нескольких десятков километров, а масса может быть сравнима с массой Солнца, что приводит к огромной плотности вещества звезды (порядка 10 17 килограмм на кубический метр). В то же время, масса нейтронной звезды не может превышать определенный предел - объекты с большими массами коллапсируют в черные дыры под действием собственной гравитации.
По различным оценкам, верхняя граница для массы нейтронной звезды лежит в диапазоне от двух до трех масс Солнца и зависит от уравнения состояния вещества, а также от скорости вращения звезды. В зависимости от плотности и массы звезды ученые выделяют несколько различных типов звезд, схематичная диаграмма изображена на рисунке. Во-первых, не вращающиеся звезды не могут иметь массу, большую M TOV (белая область). Во-вторых, когда звезда вращается с постоянной скоростью, ее масса может быть, как меньше M TOV (светло-зеленая область), так и больше (ярко-зеленая), но все же не должна превышать еще один предел, M max . Наконец, нейтронная звезда с переменной скоростью вращения теоретически может иметь произвольную массу (красные области разной яркости). Впрочем, всегда следует помнить, что плотность вращающихся звезд не может быть больше определенной величины, иначе звезда все равно коллапсирует в черную дыру (вертикальная линия на диаграмме отделяет стабильные решения от нестабильных).
Диаграмма различных типов нейтронных звезд в зависимости от их массы и плотности. Крестом отмечены параметры объекта, образовавшегося после слияния звезд двойной системы, пунктирными линиями - один из двух вариантов эволюции объекта
L. Rezzolla et al. / The Astrophysocal Journal
Группа астрофизиков под руководством Лучиано Реццолла (Luciano Rezzolla) установила новые, более точные ограничения на максимально возможную массу не вращающейся нейтронной звезды M TOV . В своей работе ученые использовали данные предыдущих исследований, посвященных процессам, которые происходили в системе двух сливающихся нейтронных звезд и привели к излучению гравитационных (событие GW170817) и электромагнитных (GRB 170817A) волн. Одновременная регистрация этих волн оказалось очень важным событием для науки, подробнее про него можно прочитать в нашей и в материале .
Из предыдущих работ астрофизиков следует , что после слияния нейтронных звезд образовалась гипермассивная нейтронная звезда (то есть ее масса M > M max), которая в дальнейшем развивалась по одному из двух возможных сценариев и через небольшой промежуток времени превратилась в черную дыру (пунктирные линии на диаграмме). Наблюдение за электромагнитной компонентой излучения звезды указывает на первый сценарий , в котором барионная масса звезды остается практически постоянной, а гравитационная масса относительно медленно уменьшается за счет излучения гравитационных волн. С другой стороны, гамма-всплеск от системы пришел практически одновременно с гравитационными волнами (всего на 1,7 секунды позже), а значит, точка превращения в черную дыру должна лежать близко к M max .
Поэтому если проследить эволюцию гипермассивной нейтронной звезды обратно до начального состояния, параметры которого были с хорошей точностью рассчитаны в предыдущих работах, можно найти значение интересующей нас M max . Зная M max , несложно уже найти M TOV , поскольку эти две массы связаны соотношением M max ≈ 1,2 M TOV . В этой статье астрофизики выполнили такие вычисления, используя так называемые «универсальные соотношения» , которые связывают параметры нейтронных звезд различной массы и не зависят от вида уравнения состояния их вещества. Авторы подчеркивают, что их вычисления используют только простые предположения и не опираются на численное моделирование. Конечный результат для максимально возможной массы составил от 2,01 до 2,16 масс Солнца. Нижняя граница для нее была получена раньше в результате наблюдений за массивными пульсарами в двойных системах - проще говоря, максимальная масса не может быть меньше 2,01 масс Солнца, поскольку астрономы в действительности наблюдали нейтронные звезды с такой большой массой.
Ранее мы писали о том, как астрофизики с помощью компьютерных симуляций на массу и радиус нейтронных звезд, слияние которых привело к событиям GW170817 и GRB 170817A.
Дмитрий Трунин
Остаток сверхновой Корма-А, в центре которой находится нейтронная звезда
Нейтронные звезды являются остатками массивных звезд, которые достигли конца своего эволюционного пути во времени и пространстве.
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.
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.
Магнетары
Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.
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
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.
Вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅10 17 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.
Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью вращения, - до нескольких сотен оборотов в секунду. Нейтронные звёзды возникают в результате вспышек сверхновых звёзд .
Общие сведения
Среди нейтронных звёзд с надёжно измеренными массами большинство попадает в интервал 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 en (с оценкой массы 1,97±0,04 солнечных) , и PSR J0348+0432 en (с оценкой массы 2,01±0,04 солнечных). Гравитация в нейтронных звёздах уравновешивается давлением вырожденного нейтронного газа , максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера-Волкова , численное значение которого зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды. Существуют теоретические предпосылки к тому, что при ещё большем увеличении плотности возможно перерождение нейтронных звёзд в кварковые .
К 2015 году открыто более 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90 % из них - одиночные. Всего же в нашей Галактике могут существовать 10 8 -10 9 нейтронных звёзд, то есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость движения (как правило, сотни км/с). В результате аккреции вещества облака, нейтронная звезда может быть в этой ситуации видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический, на который приходится около 0,003 % излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине) .
Строение
В нейтронной звезде можно выделить пять слоёв: атмосфера, внешняя кора, внутренняя кора, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Атмосфера нейтронной звезды - очень тонкий слой плазмы (от десятков сантиметров у горячих звёзд до миллиметров у холодных), в ней формируется тепловое излучение нейтронной звезды .
Внешняя кора состоит из ионов и электронов, её толщина достигает нескольких сотен метров. Тонкий (не более нескольких метров) приповерхностный слой горячей нейтронной звезды содержит невырожденный электронный газ, более глубокие слои - вырожденный электронный газ, с увеличением глубины он становится релятивистским и ультрарелятивистским .
Внутренняя кора состоит из электронов, свободных нейтронов и нейтронно-избыточных атомных ядер. С ростом глубины доля свободных нейтронов увеличивается, а атомных ядер - уменьшается. Толщина внутренней коры может достигать нескольких километров .
Внешнее ядро состоит из нейтронов с небольшой примесью (несколько процентов) протонов и электронов. У маломассивных нейтронных звёзд внешнее ядро может простираться до центра звезды .
У массивных нейтронных звёзд есть и внутреннее ядро. Его радиус может достигать нескольких километров, плотность в центре ядра может превышать плотность атомных ядер в 10-15 раз. Состав и уравнение состояния внутреннего ядра достоверно неизвестны: существует несколько гипотез, три наиболее вероятные из которых - 1) кварковое ядро, в котором нейтроны разваливаются на составляющие их верхние и нижние кварки; 2) гиперонное ядро из барионов включающих в себя странные кварки; и 3) каонное ядро состоящее из двухкварковых мезонов, включающих в себя странные (анти)кварки. Однако в настоящее время невозможно подтвердить или опровергнуть какую-либо из этих гипотез .
Свободный нейтрон, в обычных условиях, не являясь частью атомного ядра, обычно имеет время жизни около 880 секунд, но гравитационное воздействие нейтронной звезды не позволяет нейтрону распадаться, поэтому нейтронные звёзды являются одними из самых стабильных объектов во Вселенной. [ ]
Остывание нейтронных звёзд
В момент рождения нейтронной звезды (в результате вспышки сверхновой), её температура очень высока - порядка 10 11 K (то есть на 4 порядка выше температуры в центре Солнца), но она очень быстро падает за счёт нейтринного охлаждения . Всего за несколько минут температура падает с 10 11 до 10 9 K, за месяц - до 10 8 K. Затем нейтринная светимость резко снижается (она очень сильно зависит от температуры), и охлаждение происходит гораздо медленнее за счёт фотонного (теплового) излучения поверхности. Температура поверхности известных нейтронных звёзд, у которых её удалось измерить, составляет порядка 10 5 -10 6 K (хотя ядро, видимо, гораздо горячее) .
История открытия
Нейтронные звёзды - один из немногих классов космических объектов , которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.
Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау . Так, в своей статье «О теории звёзд» , написанной в феврале 1931 года и по неизвестным причинам запоздало опубликованной 29 февраля 1932 года (более чем через год), он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».
«Пропеллер»
Скорость вращения уже недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром . Однако скорость вращения 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 наблюдаемых проявлений 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 твёрдую поверхность тела нейтронной звезды в районе её полюсов, разогреваясь до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, ярко светится в рентгеновском диапазоне . Область, 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 пропадает из вида, 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.
Примечания
- Дмитрий Трунин. Астрофизики уточнили предельную массу нейтронных звезд (неопр.) . nplus1.ru. Проверено 18 января 2018.
- H. Quaintrell и др. The mass of the neutron star in Vela X-1 and tidally induced non-radial oscillations in GP Vel // Astronomy and Astrophysics. - апрель 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 two-solar-mass neutron star measured using Shapiro delay (англ.) // Nature. - 2010. - Vol. 467 . - P. 1081-1083 .
