Строение нейтронной звезды


Нынешний год богат на открытия необычных космических объектов. Так, недавно мы писали о том, что астрономы обнаружили планету, которая не должна существовать. Теперь же, с помощью радиотелескопа Green Bank Telescope, ученые нашли самую массивную нейтронную звезду за всю историю наблюдений. Нейтронные звезды довольно странные — они практически полностью состоят из нейтронов и обладают невероятной плотностью. Масса обнаруженной звезды, которой дали не самое красивое название J0740+6620 в целых 2,17 раз превосходит массу Солнца, а ее диаметр равняется 30 километрам. Исследование будет опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Что такое нейтронные звезды?

Согласитесь, Вселенная — странная штука. В ней есть галактические нити, сверхскопления галактик, темная материя, пузыри Ферми, черные дыры, нейтронные звезды… список можно продолжать долго. И если о космической паутине мы рассказывали вам совсем недавно, то сегодня предлагаем обратить внимание на нейтронные звезды.


Начнем с того, что более плотными объектами во Вселенной кроме нейтронных звезд являются только черные дыры. Исследователи справедливо считают, что изучение нейтронных звезд способно приблизить их к пониманию экстремальной физики Вселенной — в конце-концов именно эти звезды коллапсируют в космических монстров. По сути нейтронная звезда — это массивное атомное ядро, которое обладает весьма странными свойствами. Так, J0740+6620 является самой плотной и самой странной нейтронной звездой за всю историю наблюдений.

Поскольку звезды, как и мы с вами, стареют и умирают, их конечное состояние зависит от массы. Чтобы понять, как нейтронные звезды образуются из умирающих звезд, сперва нужно понять, как образуются белые карлики. Дело в том, что 97% звезд во Вселенной — это белые карлики. Они состоят из электронно-ядерной плазмы и лишены источников термоядерной энергии. При этом, они являются следующим самым плотным видом звезд после нейтронных из-за своего рода “встроенного” космического знака остановки. Проще говоря, белые карлики настолько плотные, что атомные связи их материала разорваны. Это превращает их в плазму атомных ядер и электронов. При этом, обрести большую плотность чем у белых карликов довольно сложно — электроны не хотят находиться в одном и том же состоянии друг с другом и будут сопротивляться сжатию до определенной точки, где это может произойти. Физики называют это вырождением электронов.

Обсудить удивительные открытия астрономов можно с участниками нашего Telegram-чата.


Звезды, чья масса не превышает 10 солнечных масс, имеют тенденцию становиться белыми карликами. Предел массы белых карликов составляет около 1,44 солнечных масс. А вот более плотная звезда массой от 10 до 29 солнечных масс может стать нейтронной звездой. Дело в том, что в этот момент плотность звезды настолько велика, что преодолевает вырождение электронов: электроны по-прежнему не хотят занимать одно и то же состояние, поэтому вынуждены объединяться с протонами, в результате чего образуются нейтроны и испускаются нейтрино. Таким образом, нейтронные звезды почти полностью состоят из нейтронов и удерживаются благодаря их вырождению, которое схоже с вырождением электронов у белых карликов.

При этом, соавтор исследования Скотт Рэнсом отмечает, что у нейтронных звезд существует переломный момент, когда их внутренняя плотность становится настолько экстремальной, что сила тяжести подавляет способность нейтронов противостоять дальнейшему коллапсу. Таким образом, если бы масса J074+6620 была больше, то звезда просто коллапсировала бы в черную дыру. Каждая «самая массивная» нейтронная звезда, которую обнаруживают ученые, постепенно приближает специалистов к определению того самого переломного момента, который удерживает нейтронную звезду от коллапса.

Хотите быть в курсе последних научных открытий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram.


Как астрономы ищут нейтронные звезды?

В Млечном Пути насчитывается не менее 100 миллионов нейтронных звезд, однако большинство из них — древние, холодные звезды, поэтому их очень трудно обнаружить. К счастью, J0740+6620 — это пульсар. Напомним, что пульсарами называют тип быстро вращающейся нейтронной звезды, которая излучает радиоволны и другое электромагнитное излучение. Когда пульсар вращается, эти лучи «пульсируют» с завидной регулярностью, что несколько напоминает ход часов. Большинство нейтронных звезд трудно идентифицировать, но когда радиоволны пульсара проникают через Землю, их становится намного легче обнаружить и изучить.

Пульсар J0740+6620 обитает в бинарной системе по соседству с белым карликом. Когда белый карлик проходил перед пучком радиоволн нейтронной звезды, астрономы на нашей планете смогли обнаружить небольшую задержку в поступающих радиоволнах. Это произошло потому, что гравитация белого карлика искривляла пространство вокруг него, заставляя проходящие радиоволны перемещаться на одно касание дальше, чем обычно. Измерив это, астрономы смогли рассчитать массу белого карлика. А зная массу одного объекта в бинарной системе, можно легко рассчитать массу другого. Таким образом, исследователи обнаружили, что J0740+6620 является самой массивной нейтронной звездой на сегодняшний день.


Авторы исследования надеются, что их работа поможет ученым в таких областях науки как физика высоких энергий, релятивистская астрофизика и др. А все потому, что помимо свойств нейтронных звезд, перечисленных в статье, при слиянии этих объектов образуются самые тяжелые элементы во Вселенной.

Источник: Hi-News.ru

Звезды представляют собой огромные и массивные раскаленные газовые шары. В недрах звезд происходят термоядерные реакции с превращением водорода в гелий с образованием огромного количества энергии, гелий при термоядерных реакциях способен превращаться в углерод, который в свою очередь превращается в более тяжелые элементы вплоть до железа. Тяжелые элементы оседают в ядре звезды, во внешних слоях продолжаются реакции с самыми легкими химическими элементами.

У молодых звезд сила гравитационного сжатия уравновешивает силу давления раскаленного газа, которая стремится расширить звезду. Как только заканчивается водородное топливо баланс нарушается, звезда начинает расширяться становясь красным гигантом. Далее эволюция зависит от массы звезды, через 5-6 млрд лет Солнце исчерпает запасы водородного топлива, станет красным гигантом и сбросит свою внешнюю оболочку, обнажив ядро — белый карлик. Такое будущее ждет любую звезду схожей массой с Солнцем.


Звезды с массой намного больше солнечной заканчивают эволюцию грандиозным взрывом сверхновой, во время взрыва выделяется огромное количество энергии, сравнимое с произведенным звездой за все время ее существования, яркость при взрыве может увеличиться на 8 порядков. На ядро действуют огромные силы сжатия, разрушающие сами атомы, заставляя электроны сходить с орбит вокруг центра атома и вдавливаться в протоны и образуя нейтроны, таким образом получается сверхплотное вещество, состоящее не из атомов, а представляющее собой сплошную упаковку нейтронов. Так рождается нейтронная звезда.

Масса нейтронной звезды превосходит солнечную в среднем в 1,3-1,5 раза, но диаметр не превышает 10-20 километров, такой объект уместился бы целиком в центре Москвы. При рождении температура нейтронной звезды в 10000 раз превосходит температуру в центре Солнца, но всего за несколько минут падает в 100 раз за счет нейтринного охлаждения, за первый месяц жизни температура падает еще в 10 раз.

Наука предполагает, что нейтронные звезды состоят из нескольких слоев и имеют атмосферу в виде очень тонкого слоя плазмы, где формируется тепловое излучение. Ниже находится внешняя кора толщиной несколько сотен метров, состоящая из ионов и электронов. Во внутренней коре встречаются нейтроны, электроны и нейтронно-избыточные атомные ядра, чем глубже тем больше нейтронов, внутренняя кора может иметь глубину в несколько километров. Ядро почти полностью состоит из нейтронов.


У нейтронных звезд сильнейшее магнитное поле, они являются пульсарами, магнетарами, источниками рентгеновского, оптического и радио излучений с высокой частотой. Скорость вращения нейтронных звезд до 1000 оборотов вокруг своей оси в секунду.

Источник: zen.yandex.ru

Масса нейтронной звезды

Массы большинства нейтронных звёзд составляют 1,3—1,5 массы Солнца. Это близко к значению предела Чандрасекара. Теоретически допускается существование нейтронных звёзд с массами от 0,1 до примерно 2,5 солнечных масс. Однако значение верхнего предела массы в настоящее время достоверно неизвестно. 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 J1614-2230ruen (с оценкой массы 1,97±0,04 солнечных), и PSR J0348+0432ruen (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 звезд в кварковые.


Строение нейтронной звезды

Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013 Гс. Для сравнения — у Земли около 1 Гс. Именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Начиная с 1990-х годов, некоторые нейтронные звёзды отождествлены как магнетары. Это звёзды, обладающие магнитными полями порядка 1014 Гс и выше.

К 2012 году открыто около 2000 нейтронных звёзд. Порядка 90% из них — одиночные. Всего же в нашей Галактике могут существовать 108—109 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 нейтронная звезда может быть в этом случае видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический. На который приходится около 0,003% излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине).

Нейтронные звёзды — одни из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.

В 1933 году астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что нейтронная звезда может образоваться в результате взрыва сверхновой. Теоретические расчёты того времени показали, что излучение нейтронной звёзды слишком слабое, и ее невозможно обнаружить. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х гг., когда начала развиваться рентгеновская астрономия.


Открытие пульсаров

Теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты при радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирант Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы при столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков были пригодны только нейтронные звёзды. Пульсар PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.

Взаимодействие нейтронной звезды с окружающим веществом определяют два основных параметра и, как следствие, их наблюдаемые проявления: период (скорость) вращения и величину 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. Поскольку теория магнитосфер пульсаров все еще в состоянии развития, существуют альтернативные теоретические модели.

Источник: alivespace.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.