Плотность нейтронной звезды


Нейтронная звезда — очень быстро вращающееся тело, оставшееся после взрыва сверхновой звезды. При диаметре 20 километров это тело имеет массу сравнимую с солнечной, один грамм нейтронной звезды весил бы в земных условиях более 500 миллионов тонн! Такая огромная плотность возникает от вдавливания электронов в ядра, от чего они объединяются с протонами и образуют нейтроны. По сути, нейтронные звезды по свойствам, включая плотность и состав, очень похожи на атомные ядра. Но есть существенная разница: в ядрах нуклоны притягивает сильное взаимодействие, а в звездах – сила гравитации.

Что из себя представляет

Для того, чтобы понять, что же из себя представляют эти загадочные объекты мы настоятельно рекомендуем обратиться к выступлениям Сергея Борисовича ПоповаСергей Борисович ПоповАстрофизик и популяризатор науки, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга. Лауреат фонда «Династия» (2015). Лауреат государственной премии «За верность науке» как лучший популяризатор 2015 года


Состав нейтронных звёзд

Состав этих объектов (по понятным причинам) изучен пока только в теории и математических расчетах. Однако, известно уже многое. Как и следует из названия, состоят они преимущественно из плотно упакованных нейтронов.

Строение нейтронной звезды

Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров, но в ней сосредоточено все её тепловое излучение. За атмосферой находится кора, состоящая из плотно упакованных ионов и электронов. В середине находится ядро, состоящее из нейтронов. Ближе к центру достигается максимальная плотность вещества, которая в 15 раз больше ядерной. Нейтронные звезды — самые плотные объекты во вселенной. Если попытаться и далее увеличивать плотность вещества произойдет коллапс в черную дыру, или образуется кварковая звезда.

Магнитное поле


Нейтронные звёзды имеют скорости вращения до 1000 оборотов в секунду. При этом электропроводящие плазма и ядерное вещество вырабатывают магнитные поля гигантских величин.

Магнитное поле нейтронной звезды

Для примера — магнитное поле Земли -1 гаусс, нейтронной звезды —  10 000 000 000 000 гаусс. Самое сильное поле, созданное человеком, будет в миллиарды раз слабее.

Типы нейтронных звезд

Пульсары

Это обобщающее название для всех нейтронных звезд. Пульсары имеют четко определенный период вращения, который не меняется очень долгое время. Благодаря этому свойству их прозвали «маяками вселенной»Вращение пульсара

Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.


Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.

Магнетары

При рождении очень быстро крутящейся нейтронной звезды, общие вращение и конвекция создают громадное магнитное поле. Это происходит за счёт процесса «активного динамо». Это поле превышает величины полей обычных пульсаров в десятки тысяч раз. Действие динамо заканчивается через 10 – 20 секунд, и происходит охлаждение атмосферы звезды, но магнитное поле успевает возникнуть заново за этот срок. Оно неустойчиво, и быстрая смена его структуры порождает выброс гигантского количества энергии. Получается, что магнитное поле звезды разрывает её саму. Кандидатов на роль магнетаров в нашей галактике насчитывается около десятка. Появление его возможно из звезды, превосходящей минимум в 8 раз массу нашего Солнца. Размеры же их порядка 15 км в диаметре, при массе около одной солнечной. Но достаточного подтверждения существования магнетаров пока не получено.

Рентгеновские пульсары.

Они считаются другой фазой жизни магнетара и излучают исключительно в рентгеновском диапазоне. Излучение возникает в результате взрывов, имеющих определённый период.

Некоторые нейтронные звёзды появляются в двойных системах или же приобретают компаньона, захватив его в свое гравитационное поле. Такой компаньон будет отдавать своё вещество агрессивной соседке.


ли компаньон нейтронной звезды по массе не меньше Солнца, то возможны интересные явления – барстеры. Это рентгеновские вспышки, продолжительностью в секунды или минуты. Но они способны усилить светимость звезды до 100 тыс. солнечных. Перенесённые с компаньона водород и гелий наслаиваются на поверхности барстера. Когда слой становится очень плотным и горячим, запускается термоядерная реакция. Мощность такого взрыва невероятна: на каждом квадратном сантиметре звезды выделяется мощь, эквивалентная взрыву всего земного ядерного потенциала.

При наличии компаньона-гиганта, вещество теряется им в виде звёздного ветра, а нейтронная звезда втягивает его своей гравитацией. Частицы летят по силовым линиям по направлению к магнитным полюсам. При несовпадении магнитной оси  и  оси вращения, яркость звезды будет переменной. Получается рентгеновский пульсар.

Миллисекундные пульсары.

Они тоже связаны с двойными системами и обладают самыми короткими периодами (меньше 30 миллисекунд). Вопреки ожиданиям, они оказываются не самыми молодыми, а достаточно старыми. Старая и медленная нейтронная звезда поглощает материю компаньона-гиганта. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается. Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе.

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.

Исследования

Число известных нейтронных звёзд около 1200. Из них 1000 считаются радиопульсарами, а остальные определены как рентгеновские источники. Изучать эти объекты невозможно, послав к ним какой-либо аппарат. В кораблях «Пионер» были отправлены послания разумным существам. И местоположение нашей Солнечной системы указано именно с ориентацией на ближайшие к Земле пульсары. От Солнца линиями показаны направления на эти пульсары и расстояния до них. А прерывистость линии обозначает период их обращения.


Ближайший к нам нейтронный сосед расположен в 450 световых годах. Это двойная система – нейтронная звезда и белый карлик, период её пульсации 5,75 миллисекунды.

Вряд ли возможно оказаться рядом с нейтронной звездой и остаться в живых. Можно только фантазировать на эту тему. Да и как представить выходящие за границы разума величины температуры, магнитного поля и давления? Но пульсары ещё помогут нам в освоении межзвёздного пространства. Любое, даже самое дальнее галактическое путешествие, окажется не гибельным, если будут работать стабильные маяки, видимые во всех уголках Вселенной.

Источник: light-science.ru

Строение нейтронной звезды.

Нейтро́нная звезда́ — космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звезд, состоящее, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (около 1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов.


Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус нейтронной звезды составляет лишь 10—20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅1017 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерного вещества, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.

Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью осевого вращения, — до нескольких сотен оборотов в секунду. По современным представлениям нейтронные звёзды возникают в результате вспышек сверхновых звезд.

В нейтронной звезде можно условно 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 ядер и электронов, её толщина достигает нескольких сотен метров. В тонком (не более нескольких метров) приповерхностном слое горячей внешней коры нейтронной звезды электронный газ находится в невырожденном состоянии, в более глубоких слоях электронный газ вырожденный, с увеличением глубины его вырождение становится релятивистским и ультрарелятивистским.


Внутренняя кора состоит из электронов, свободных нейтронов и атомных ядер с избытком нейтронов. С ростом глубины доля свободных нейтронов увеличивается, а доля атомных ядер уменьшается. Толщина внутренней коры может достигать нескольких километров.

Внешнее ядро состоит из нейтронов с небольшой примесью (несколько процентов) протонов и электронов. У нейтронных звёзд с малой массой 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.

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[12]. Поскольку теория магнитосфер пульсаров всё ещё в состоянии развития, существуют альтернативные теоретические модели (см. недавний обзор[13] и ссылки там).


Эжектор

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 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


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 звезд.

Источник: zen.yandex.ru

НЕЙТРО́ННЫЕ ЗВЁЗДЫ, класс ком­пакт­ных ас­тро­но­мич. объ­ек­тов, со­стоя­щих из вы­ро­ж­ден­но­го ве­ще­ст­ва. В не­драх Н. з. су­ще­ст­ву­ют об­лас­ти с вы­со­кой плот­но­стью ве­ще­ст­ва, дос­та­точ­ной для ста­биль­но­сти сво­бод­ных ней­тро­нов от­но­си­тель­но бе­та-рас­па­да. Н. з. тео­ре­ти­че­ски пред­ска­за­ны в 1930-х гг. в ра­бо­тах Л. Д. Лан­дау, В. Баа­де, Ф. Цвик­ки и др. От­кры­ты в 1967 как ра­дио­пуль­са­ры – им­пульс­ные ис­точ­ни­ки ра­дио­из­лу­че­ния (см. Пуль­са­ры).

При мас­се 1–2 мас­сы Солн­ца Н. з. име­ют ра­ди­ус 10–15 км, что со­от­вет­ст­ву­ет ср. плот­но­сти ве­ще­ст­ва ок. 5·1017 кг/м3 – вы­ше плот­но­сти ядер­ной ма­те­рии. Н. з. об­ла­да­ют силь­ны­ми маг­нит­ны­ми по­ля­ми (с маг­нит­ной ин­дук­ци­ей от 104 до 1011 Тл). Н. з. ус­той­чи­вы за счёт дав­ления, свя­зан­но­го с фер­ми-дви­же­ни­ем ба­рио­нов и силь­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ем этих час­тиц. Су­ще­ст­ву­ет верх­ний пре­дел мас­сы Н. з., оп­ре­де­ляе­мый урав­не­ни­ем со­стоя­ния ве­ще­ст­ва в их не­драх. При мас­се боль­ше пре­дель­ной (ок. 2,5 масс Солн­ца) про­ис­хо­дит гра­ви­тац. кол­лапс с об­ра­зо­ва­ни­ем чёр­ной ды­ры.

Наи­бо­лее час­то го­во­рят о Н. з. как ко­неч­ных ста­ди­ях эво­лю­ции мас­сив­ных звёзд. Это един­ст­вен­ный из­вест­ный ме­ха­низм об­ра­зо­ва­ния по­доб­ных объ­ек­тов в при­ро­де. Звёз­ды с на­чаль­ны­ми мас­са­ми вы­ше ок. 8–10 масс Солн­ца, ис­чер­пав тер­мо­ядер­ное го­рю­чее, пре­тер­пе­ва­ют гра­ви­тац. кол­лапс яд­ра, по­ро­ж­дая ком­пакт­ный объ­ект. При на­чаль­ных мас­сах от 8 до 30 масс Солн­ца по­сле кол­лап­са об­ра­зу­ет­ся Н. з.; при бóль­ших мас­сах, ве­ро­ят­нее все­го, фор­ми­ру­ют­ся чёр­ные ды­ры. При­мер­но 70–90% взры­вов сверх­но­вых звёзд с кол­лап­сом яд­ра при­во­дят к об­ра­зо­ва­нию Н. з. (рис. 1). Совр. темп ро­ж­де­ния Н. з. в Га­лак­ти­ке со­став­ля­ет ок. 2–3 объ­ек­тов за 100 лет. За вре­мя жиз­ни Га­лак­ти­ки в ней об­ра­зо­ва­лось неск. со­тен мил­лио­нов Н. з. Часть из них по­ки­ну­ла Га­лак­ти­ку из-за боль­ших на­чаль­ных ско­ро­стей, свя­зан­ных со взры­вом сверх­но­вых звёзд и осо­бен­но­стя­ми эво­лю­ции Н. з. в са­мом на­ча­ле их су­ще­ст­во­ва­ния.

Н. з. на­блю­да­ют­ся как ас­тро­но­мич. ис­точ­ни­ки раз­ных ти­пов. Сре­ди об­на­ру­жен­ных Н. з. наи­бо­лее мно­го­чис­лен­ны ра­дио­пуль­са­ры. К 2012 их из­вест­но ок. 2000. Кро­ме это­го, оди­ноч­ные Н. з. на­блю­да­ют­ся как мо­ло­дые ос­ты­ваю­щие объ­ек­ты, маг­ни­та­ры и гам­ма-ис­точ­ни­ки. Боль­шое ко­ли­че­ст­во Н. з. (сот­ни ис­точ­ни­ков) на­блю­да­ет­ся в тес­ных двой­ных сис­те­мах бла­го­да­ря ак­кре­ции.

На­блю­да­тель­ные про­яв­ле­ния из­вест­ных Н. з. мо­гут быть свя­за­ны с гра­ви­тац. энер­ги­ей (ак­кре­ци­рую­щие объ­ек­ты), вра­ща­тель­ной энер­ги­ей (ра­дио­пуль­са­ры), те­п­ло­вой энер­ги­ей (ос­ты­ваю­щие Н. з.) или энер­ги­ей маг­нит­но­го по­ля (маг­ни­та­ры). В пер­вом слу­чае ве­ще­ст­во вто­ро­го ком­по­нен­та двой­ной сис­те­мы или меж­звёзд­ный газ гра­ви­та­ци­он­но за­хва­ты­ва­ет­ся Н. з., раз­го­ня­ет­ся в по­ле тя­го­те­ния, а за­тем в ак­кре­ци­он­ном по­то­ке или не­по­сред­ст­вен­но при взаи­мо­дей­ст­вии с по­верх­но­стью часть энер­гии вы­све­чи­ва­ет­ся в осн. в рент­ге­нов­ском диа­па­зо­не. Во вто­ром слу­чае бы­строе вра­ще­ние (ра­дио­пуль­са­ры име­ют пе­рио­ды собств. осе­во­го вра­ще­ния при­мер­но от 1 мс до 10 с) Н. з. с силь­ным маг­нит­ным по­лем при­во­дит к ге­не­ра­ции элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния и по­то­ка ре­ля­ти­ви­ст­ских час­тиц. Кро­ме им­пуль­сов в ра­дио­диа­па­зо­не, у ря­да ис­точ­ни­ков так­же за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­ны им­пуль­сы в др. диа­па­зо­нах спек­тра. В треть­ем слу­чае на­блю­да­ет­ся те­п­ло­вое из­лу­че­ние мо­ло­дой (воз­рас­том до не­сколь­ких со­тен ты­сяч лет) Н. з. с темп-рой по­верх­но­сти око­ло мил­лио­на гра­ду­сов. На­ко­нец, маг­ни­та­ры, со­глас­но об­ще­при­ня­той мо­де­ли, вы­све­чи­ва­ют в ре­гу­ляр­ном или вспы­шеч­ном ре­жи­ме энер­гию сво­его очень силь­но­го маг­нит­но­го по­ля (так­же мож­но го­во­рить о вы­де­ле­нии энер­гии мощ­ных элек­трич. то­ков, те­ку­щих в ко­ре Н. з. и соз­даю­щих это маг­нит­ное по­ле).

В ран­них мо­де­лях Н. з. пред­по­ла­га­лось, что ком­пакт­ные объ­ек­ты в осн. (ок. 90% по мас­се) долж­ны со­сто­ять из ней­тро­нов – от­сю­да назв. дан­но­го клас­са объ­ек­тов. По­сле­дую­щие ис­сле­до­ва­ния по­ка­за­ли, что су­ще­ст­ву­ет мно­го воз­мож­но­стей для внутр. строе­ния и со­ста­ва ком­пакт­ных объ­ек­тов. До сих пор точ­но не ус­та­нов­ле­но, ка­кая из них реа­ли­зу­ет­ся в при­ро­де. Для рас­чё­та струк­ту­ры Н. з. су­ще­ст­вен­ным яв­ля­ет­ся учёт эф­фек­тов об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти. Вы­де­ля­ют ко­ру и яд­ро Н. з., ко­то­рые, в свою оче­редь, под­раз­де­ля­ют на внутр. и внеш­нюю ко­ру и внутр. и внеш­нее ядро (рис. 2). Внеш­няя ко­ра име­ет тол­щи­ну в неск. со­тен мет­ров и со­сто­ит в осн. из ядер тя­жё­лых хи­мич. эле­мен­тов ($Z$), обо­га­щён­ных ней­тро­на­ми, и вы­ро­ж­ден­ных элек­тро­нов ($e^–$). Кро­ме са­мых на­руж­ных сло­ёв, внеш­няя ко­ра твёр­дая, т. к. яд­ра фор­ми­ру­ют кри­стал­лич. ре­шёт­ку. Во внутр. ко­ре тол­щи­ной 1–2 км на­чи­на­ет­ся про­цесс ней­тро­ни­за­ции: из пе­ре­обо­га­щён­ных ней­тро­на­ми ядер в сре­ду по­па­да­ют сво­бод­ные ней­тро­ны ($n$). Это проиcходит при плот­ности $ρ≈4·10^{14}$ кг/м3. До­ля сво­бод­ных ней­тро­нов рас­тёт с уве­ли­че­ни­ем плот­но­сти в глубь ко­ры. Ней­тро­ны во внутр. ко­ре мо­гут на­хо­дить­ся в сверх­те­ку­чем со­стоя­нии. Внеш­нее яд­ро име­ет тол­щи­ну в неск. ки­ло­мет­ров; плот­ность со­став­ля­ет от $0,!5ρ_0$ до $2ρ_0$, где ядер­ная плот­ность $ρ_0≈2,!8·10^{17}$ кг/м3. Ве­ще­ст­во пред­став­ля­ет со­бой силь­но не­иде­аль­ную фер­ми-жид­кость и со­сто­ит в осн. из ней­тро­нов ($n$), про­то­нов ($p$), элек­тро­нов ($e^–$) и мюо­нов ($μ$); атом­ных ядер там уже нет. Про­то­ны и ней­тро­ны мо­гут на­хо­дить­ся в сверх­те­ку­чем со­стоя­нии; для про­то­нов это оз­на­ча­ет и сверх­про­во­ди­мость. Свой­ст­ва ве­ще­ст­ва во внутр. яд­ре из­вест­ны пло­хо, по­сколь­ку плот­ность там в неск. раз пре­вос­хо­дит ядер­ную. Осн. ги­по­те­зы строе­ния внутр. яд­ра вклю­ча­ют в се­бя по­яв­ле­ние ги­пе­ро­нов, об­ра­зо­ва­ние пи­он­но­го или ка­он­но­го кон­ден­са­та, по­яв­ле­ние квар­ко­вой ма­те­рии.

Источник: bigenc.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.