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.

Нейтронні зірки, які часто називають "мертвими", є найдивовижнішими об'єктами. Їх вивчення в останні десятиліття перетворилося на одну з найцікавіших і найбагатших відкриттями областей астрофізики. Інтерес до нейтронних зірок обумовлений не тільки загадковістю їхньої будови, а й колосальною щільністю, і найсильнішими магнітними та гравітаційними полями. Матерія там знаходиться в особливому стані, що нагадує величезне атомне ядро, і ці умови неможливо відтворити у земних лабораторіях.

Народження на кінчику пера

Відкриття в 1932 році нової елементарної частинки нейтрону змусило астрофізиків задуматися над тим, яку роль він може грати в еволюції зірок. Через два роки було висловлено припущення про те, що вибухи наднових зірок пов'язані з перетворенням звичайних зірок на нейтронні. Потім були виконані розрахунки структури та параметрів останніх, і стало ясно, що якщо невеликі зірки (типу нашого Сонця) наприкінці своєї еволюції перетворюються на білих карликів, то важчі стають нейтронними. У серпні 1967 року радіоастрономи при вивченні мерехтінь космічних радіоджерел виявили дивні сигнали - фіксувалися дуже короткі, тривалістю близько 50 мілісекунд, імпульси радіовипромінювання, що повторювалися через певний інтервал часу (близько однієї секунди). Це було зовсім не схоже на звичайну хаотичну картину випадкових нерегулярних коливань радіовипромінювання. Після ретельної перевірки всієї апаратури з'явилася впевненість, що імпульси мають позаземне походження. Астрономів важко здивувати об'єктами, що випромінюють зі змінною інтенсивністю, але в даному випадку період був настільки малий, а сигнали настільки регулярні, що вчені всерйоз припустили, що вони можуть бути вісточками від позаземних цивілізацій.

А тому перший пульсар отримав назву LGM-1 (від англійського Little Green Men «Маленькі Зелені Людини»), хоча спроби знайти якийсь сенс у імпульсах закінчилися безрезультатно. Незабаром були виявлені ще 3 пульсуючі радіоджерела. Їхній період знову виявився набагато меншим за характерні часи коливання та обертання всіх відомих астрономічних об'єктів. Через імпульсний характер випромінювання нові об'єкти стали називати пульсарами. Це відкриття буквально сколихнуло астрономію, і з багатьох радіообсерваторій почали надходити повідомлення про виявлення пульсарів. Після відкриття пульсара в Крабовидної Туманності, що виникла через вибух наднової в 1054 році (ця зірка була видна вдень, про що згадують у своїх літописах китайці, араби і північноамериканці), стало ясно, що пульсари якимось чином пов'язані зі спалахами наднових зірок .

Швидше за все, сигнали йшли від об'єкта, що залишився після вибуху. Минуло чимало часу, перш ніж астрофізики зрозуміли, що пульсари - це і є нейтронні зірки, що швидко обертаються, які вони так довго шукали.

Крабоподібна туманність
Спалах цієї наднової зірки (фото вгорі), що сяяла на земному небосхилі яскравіша за Венеру і видима навіть вдень, стався в 1054 році по земному годиннику. Майже 1 000 років - це дуже маленький термін за космічними мірками, і тим не менш за цей час із залишків зірки, що вибухнула, встигла утворитися найкрасивіша Крабовидна туманність. Дане зображення є композицією двох картинок: одна з них отримана космічним оптичним телескопом "Хаббл" (відтінки червоного), інша - рентгенівським телескопом "Чандра" (блакитний). Добре видно, що високоенергійні електрони, що випромінюють у рентгенівському діапазоні, дуже швидко втрачають свою енергію, тому блакитні кольори переважають лише в центральній частині туманності.
Поєднання двох зображень допомагає більш точно зрозуміти механізм роботи цього дивовижного космічного генератора, що випромінює електромагнітні коливання найширшого частотного діапазону від гамма-квантів до радіохвиль. Хоча більшість нейтронних зірок було виявлено по радіовипромінюванню, все ж таки основну кількість енергії вони випускають у гамма-і рентгенівському діапазонах. Нейтронні зірки народжуються дуже гарячими, але досить швидко охолоджуються, і вже у тисячолітньому віці мають температуру поверхні близько 1 000 000 К. Тому лише молоді нейтронні зірки сяють у рентгенівському діапазоні за рахунок суто теплового випромінювання.

Фізика пульсара
Пульсар - це величезний намагнічений дзига, що крутиться навколо осі, що не збігається з віссю магніту. Якби на нього нічого не падало і він нічого не випускав, його радіовипромінювання мало б частоту обертання і ми ніколи б його не почули на Землі. Але справа в тому, що цей дзига має колосальну масу і високу температуру поверхні, та й магнітне поле, що обертається, створює величезне за напруженістю електричне поле, здатне розганяти протони і електрони майже до світлових швидкостей. Причому всі ці заряджені частинки, що носяться навколо пульсара, затиснуті в пастці з колосального магнітного поля. І лише в межах невеликого тілесного кута біля магнітної осі вони можуть вирватися на волю (нейтронні зірки мають найсильніші магнітні поля у Всесвіті, що досягають 10 10 10 14 гаусс, для порівняння: земне поле становить 1 гаус, сонячне 0 0 . Саме ці потоки заряджених частинок і є джерелом того радіовипромінювання, яким і були відкриті пульсари, що опинилися надалі нейтронними зірками. Оскільки магнітна вісь нейтронної зірки необов'язково збігається з віссю її обертання, то при обертанні зірки потік радіохвиль поширюється в космосі подібно до променя проблискового маяка лише на мить прорізаючи навколишню імлу.

Рентгенівські зображення пульсара Крабовидної туманності в активному (ліворуч) та звичайному (праворуч) станах

Найближчий сусід
Даний пульсар знаходиться на відстані всього 450 світлових років від Землі та є подвійною системою з нейтронної зірки та білого карлика з періодом обігу 5,5 дня. М'яке рентгенівське випромінювання, яке приймає супутник ROSAT, випускають розжарені до двох мільйонів градусів полярні шапки PSR J0437-4715. У процесі свого швидкого обертання (період цього пульсара дорівнює 5,75 мілісекунд) він повертається до Землі то одним, то іншим магнітним полюсом, в результаті інтенсивність потоку гамма-квантів змінюється на 33%. Яскравий об'єкт поруч із маленьким пульсаром - це далека галактика, яка з якихось причин активно світиться в рентгенівській ділянці спектра.

Всесильна гравітація

Відповідно до сучасної теорії еволюції масивні зірки закінчують своє життя колосальним вибухом, що перетворює більшу їх частину на газову туманність, що розширюється. В результаті від гіганта, що у багато разів перевищував розміри і масу наше Сонце, залишається щільний гарячий об'єкт розміром близько 20 км, з тонкою атмосферою (з водню і більш важких іонів) і гравітаційним полем, що у 100 млрд. разів перевищує земне. Його і назвали нейтронною зіркою, вважаючи, що він складається головним чином із нейтронів. Речовина нейтронної зірки - найщільніша форма матерії (чайна ложка такого суперядра важить близько мільярда тонн). Дуже короткий період випромінюваних пульсарами сигналів був першим і найголовнішим аргументом на користь того, що це і є нейтронні зірки, що мають величезне магнітне поле і обертаються з шаленою швидкістю. Тільки щільні та компактні об'єкти (розміром всього кілька десятків кілометрів) з потужним гравітаційним полем можуть витримувати таку швидкість обертання, не розлітаючись на шматки через відцентрові сили інерції.

Нейтронна зірка складається з нейтронної рідини з домішкою протонів та електронів. «Ядерна рідина», що дуже нагадує речовину з атомних ядер, у 1014 разів щільніша за звичайну воду. Ця величезна відмінність цілком зрозуміла - адже атоми складаються в основному з порожнього простору, в якому навколо крихітного важкого ядра пурхають легкі електрони. Ядро містить майже всю масу, тому що протони і нейтрони в 2 000 разів важчі за електрони. Екстремальні сили, що виникають при формуванні нейтронної зірки, так стискають атоми, що електрони, вдавлені в ядра, поєднуються з протонами, утворюючи нейтрони. Таким чином народжується зірка, що майже повністю складається з нейтронів. Надщільна ядерна рідина, якщо її принести на Землю, вибухнула б, подібно до ядерної бомби, але в нейтронній зірці вона стійка завдяки величезному гравітаційному тиску. Однак у зовнішніх шарах нейтронної зірки (як, втім, і всіх зірок) тиск і температура падають, утворюючи тверду кірку завтовшки близько кілометра. Як вважають, складається вона переважно з ядер заліза.

Спалах
Колосальний рентгенівський спалах 5 березня 1979 року, виявляється, стався далеко за межами нашої Галактики, у Великій Магеллановій Хмарі - супутнику нашого Чумацького Шляху, що знаходиться на відстані 180 тис. світлових років від Землі. Спільна обробка гаммавсплеску 5 березня, зафіксованого сімома космічними кораблями, дозволила досить точно визначити положення даного об'єкта, і те, що він знаходиться саме в Магеллановому Хмарі, сьогодні практично не викликає сумнівів.

Подія, що трапилося на даній далекій зірці 180 тис. років тому, важко уявити, але спалахнула вона тоді, як цілих 10 наднових зірок, більш ніж 10 разів перевищивши світність всіх зірок нашої Галактики. Яскрава точка у верхній частині малюнка - це давно і добре відомий SGR-пульсар, а неправильний контур - найбільш ймовірне положення об'єкта, що спалахнув 5 березня 1979 року.

Походження нейтронної зірки
Спалах наднової зірки - це просто перехід частини гравітаційної енергії в теплову. Коли в старій зірці закінчується паливо і термоядерна реакція вже не може розігріти її надра до потрібної температури, відбувається ніби обвалення колапс газової хмари на його центр тяжіння. Енергія, що вивільняється при цьому, розкидає зовнішні шари зірки на всі боки, утворюючи туманність, що розширюється. Якщо зірка маленька, типу нашого Сонця, відбувається спалах і утворюється білий карлик. Якщо маса світила більш ніж у 10 разів перевищує Сонячну, то таке обвалення призводить до спалаху наднової зірки та утворюється звичайна нейтронна зірка. Якщо ж наднова спалахує на місці дуже великої зірки, з масою 20?40 Сонячних, і утворюється нейтронна зірка з масою більшою за три Сонці, то процес гравітаційного стиску набуває незворотного характеру і утворюється чорна діра.

Внутрішня структура
Тверда кірка зовнішніх шарів нейтронної зірки складається з важких атомних ядер, упорядкованих у кубічні грати, з електронами, що вільно літають між ними, чим нагадує земні метали, але набагато щільніші.

Відкрите питання

Хоча нейтронні зірки інтенсивно вивчаються вже близько трьох десятиліть, їхня внутрішня структура достеменно невідома. Більше того, немає твердої впевненості й у тому, що вони справді складаються здебільшого з нейтронів. З просуванням вглиб зірки тиск і щільність збільшуються і матерія може бути настільки стиснута, що вона розпадеться на кварки будівельні блоки протонів і нейтронів. Відповідно до сучасної квантової хромодинаміки кварки не можуть існувати у вільному стані, а поєднуються в нерозлучні «трійки» та «двійки». Але, можливо, біля межі внутрішнього ядра нейтронної зірки ситуація змінюється і кварки вириваються зі свого ув'язнення. Щоб глибше зрозуміти природу нейтронної зірки та екзотичної кваркової матерії, астрономам необхідно визначити співвідношення між масою зірки та її радіусом (середня щільність). Досліджуючи нейтронні зірки з супутниками, можна досить точно виміряти їх масу, але визначити діаметр набагато важче. Нещодавно вчені, використовуючи можливості рентгенівського супутника «XMM-Ньютон», знайшли спосіб оцінки щільності нейтронних зірок, заснований на гравітаційному червоному зміщенні. Незвичайність нейтронних зірок полягає ще й у тому, що при зменшенні маси зірки її радіус зростає в результаті найменший розмір мають найбільш масивні нейтронні зірки.

Чорна вдова
Вибух наднової зірки часто повідомляє новонародженому пульсару чималу швидкість. Така зірка, що летить, з пристойним власним магнітним полем сильно обурює іонізований газ, що заповнює міжзоряний простір. Утворюється своєрідна ударна хвиля, що біжить попереду зірки і розходиться широким конусом після неї. Поєднане оптичне (синьо-зелена частина) і рентгенівське (відтінки червоного) зображення показує, що тут ми маємо справу не просто з газовою хмарою, що світиться, а з величезним потоком елементарних частинок, що випускаються цим мілісекундним пульсаром. Лінійна швидкість Чорної Вдови дорівнює 1 млн. км/год, оборот навколо осі вона робить за 1,6 мс, років їй вже близько мільярда, і вона має зірка-компаньйон, що кружляє біля Вдови з періодом 9,2 години. Свою назву пульсар B1957+20 отримав з тієї простої причини, що його потужне випромінювання просто спалює сусіда, змушуючи «кипіти» і випаровувати газ, що його утворює. Червоний сигароподібний кокон позаду пульсара - це та частина простору, де електрони і протони, що випускаються нейтронною зіркою, випромінюють м'які гамма-кванти.

Результат комп'ютерного моделювання дозволяє дуже наочно, в розрізі, уявити процеси, що відбуваються поблизу пульсара, що швидко летить. Промені, що розходяться від яскравої точки - це умовне зображення того потоку променистої енергії, а також потоку частинок і античасток, що походить від нейтронної зірки. Червоне обведення на межі чорного простору навколо нейтронної зірки і рудих клубів плазми, що світяться - це те місце, де потік релятивістських, що летять майже зі швидкістю світла, часток зустрічається з ущільненим ударною хвилею міжзоряним газом. Різко гальмуючи, частки випускають рентгенівське випромінювання і, втративши основну енергію, вже не так сильно розігрівають газ, що налітає.

Судоми гігантів

Пульсари вважаються однією із ранніх стадій життя нейтронної зірки. Завдяки їх вивченню вчені дізналися і про магнітні поля, і про швидкість обертання, і подальшу долю нейтронних зірок. Постійно спостерігаючи за поведінкою пульсара, можна точно встановити: скільки енергії він втрачає, наскільки сповільнюється, і навіть те, коли він припинить своє існування, сповільнившись настільки, що не зможе випромінювати потужні радіохвилі. Ці дослідження підтвердили багато теоретичних передбачень щодо нейтронних зірок.

Вже до 1968 року було виявлено пульсари з періодом обертання від 0,033 до 2 секунд. Періодичність імпульсів радіопульсара витримується з дивовижною точністю, і спочатку стабільність цих сигналів була вищою за земний атомний годинник. І все-таки в міру прогресу в галузі вимірювання часу для багатьох пульсарів вдалося зареєструвати регулярні зміни їх періодів. Звичайно, це виключно малі зміни, і лише за мільйони років очікується збільшення періоду вдвічі. Відношення поточної швидкості обертання до уповільнення обертання один із способів оцінки віку пульсара. Незважаючи на разючу стабільність радіосигналу, деякі пульсар іноді відчувають так звані «порушення». За дуже короткий інтервал часу (менше за 2 хвилини) швидкість обертання пульсара збільшується на суттєву величину, а потім через деякий час повертається до тієї величини, яка була до порушення. Вважають, що «порушення» можуть бути викликані перегрупуванням маси в межах нейтронної зірки. Але в жодному разі точний механізм поки невідомий.

Так, пульсар Вела приблизно раз на три роки піддається великим «порушенням», і це робить його дуже цікавим об'єктом для вивчення подібних явищ.

Магнетари

Деякі нейтронні зірки, названі джерелами повторюваних сплесків м'якого гамма-випромінювання SGR, випускають потужні сплески «м'яких» гамма-променів через нерегулярні інтервали. Кількість енергії, що викидається SGR при звичайному спалаху, що триває кілька десятих секунд, Сонце може випромінювати тільки за цілий рік. Чотири відомі SGR знаходяться в межах нашої Галактики і тільки один поза нею. Ці неймовірні вибухи енергії можуть бути викликані зіркотрусами потужними версіями землетрусів, коли розривається тверда поверхня нейтронних зірок і з їх надр вириваються потужні потоки протонів, які, ув'язуючи в магнітному полі, випускають гамма-і рентгенівське випромінювання. Нейтронні зірки були ідентифіковані як джерела потужних гамма-сплесків після величезного гаммаспалаху 5 березня 1979 року, коли було викинуто стільки енергії протягом першої секунди, скільки Сонце випромінює за 1 000 років. Нещодавні спостереження за однією з найбільш «активних» нині нейтронних зірок, схоже, підтверджують теорію про те, що нерегулярні потужні сплески гамма- та рентгенівського випромінювань спричинені зіркотрусами.

У 1998 році раптово отямився від «дрімоти» відомий SGR, який 20 років не подавав ознак активності та виплеснув майже стільки ж енергії, як і гамма-спалах 5 березня 1979 року. Найбільше вразило дослідників під час спостереження цієї подією різке уповільнення швидкості обертання зірки, що говорить про її руйнації. Для пояснення потужних гамма і рентгенівських спалахів було запропоновано модель магнетара нейтронної зірки з надсильним магнітним полем. Якщо нейтронна зірка народжується, обертаючись дуже швидко, то спільний вплив обертання та конвекції, яка відіграє важливу роль у перші кілька секунд існування нейтронної зірки, може створити величезне магнітне поле внаслідок складного процесу, відомого як «активне динамо» (таким самим способом створюється поле всередині Землі та Сонця). Теоретики були вражені, виявивши, що таке динамо, працюючи в гарячій, новонародженій нейтронній зірці, може створити магнітне поле, що у 10 000 разів сильніше, ніж звичайне поле пульсарів. Коли зірка охолоджується (секунд через 10 або 20), конвекція та дія динамо припиняються, але цього часу цілком достатньо, щоб встигло виникнути потрібне поле.

Магнітне поле електропровідної кулі, що обертається, буває нестійким, і різка перебудова його структури може супроводжуватися викидом колосальних кількостей енергії (наочний приклад такої нестійкості - періодичне перекидання магнітних полюсів Землі). Аналогічні речі трапляються і на Сонці у вибухових подіях, названих «сонячними спалахами». У магнетарі доступна магнітна енергія величезна, і цієї енергії цілком достатньо потужності таких гігантських спалахів, як 5 березня 1979 і 27 серпня 1998 років. Подібні події неминуче викликають глибоку ламку та зміни у структурі не тільки електричних струмів в обсязі нейтронної зірки, але й її твердої кори. Іншим загадковим типом об'єктів, що випромінюють потужне рентгенівське випромінювання під час періодичних вибухів, є так звані аномальні рентгенівські пульсари AXP. Вони від звичайних рентгенівських пульсарів тим, що випромінюють лише у рентгенівському діапазоні. Вчені вважають, що SGR та AXP є фазами життя одного і того ж класу об'єктів, а саме магнетарів, або нейтронних зірок, які випромінюють м'які гамма-кванти, черпаючи енергію з магнітного поля. І хоча магнетари сьогодні залишаються дітищами теоретиків немає достатніх даних, підтверджують їх існування, астрономи завзято шукають потрібні докази.

Кандидати у магнетари
Астрономи вже так ґрунтовно вивчили нашу рідну галактику Чумацький Шлях, що їм нічого не варто зобразити її вид збоку, позначивши на ньому становище найпрекрасніших із нейтронних зірок.

Вчені вважають, що AXP і SGR - це просто дві стадії життя одного і того ж гігантського магніту - нейтронної зірки. Перші 10 000 років магнетар - це SGR - пульсар, видимий у звичайному світлі і дає спалахи м'якого рентгенівського випромінювання, що повторюються, а наступні мільйони років він, вже як аномальний пульсар AXP, зникає з видимого діапазону і пахне тільки в рентгенівському.

Найсильніший магніт
Аналіз даних, отриманих супутником RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer, NASA) при спостереженнях незвичайного пульсара SGR 1806-20, показав, що це джерело є найпотужнішим із відомих на сьогоднішній день магнітів у Всесвіті. Величина його поля була визначена не тільки на підставі непрямих даних (щодо уповільнення пульсара), а й практично прямо з вимірювання частоти обертання протонів в магнітному полі нейтронної зірки. Магнітне поле поблизу поверхні цього магнітара досягає 1015гаус. Якби він був, наприклад, на орбіті Місяця, всі магнітні носії інформації на нашій Землі були б розмагнічені. Щоправда, з огляду на те, що його маса приблизно дорівнює Сонячній, це було б вже неважливо, оскільки навіть якби Земля і не впала на цю нейтронну зірочку, то крутилася б навколо неї як пригоріла, роблячи повний оборот всього за годину.

Активне динамо
Усі ми знаємо, що енергія любить переходити з однієї форми до іншої. Електрика легко перетворюється на тепло, а кінетична енергія в потенційну. Величезні конвективні потоки електропровідної магми плазми або ядерної речовини, виявляється, теж можуть свою кінетичну енергію перетворити на щось незвичайне, наприклад в магнітне поле. Переміщення великих мас на зірці, що обертається в присутності невеликого вихідного магнітного поля можуть призводити до електричних струмів, що створює поле того ж напрямку, що і вихідне. В результаті починається лавиноподібне наростання власного магнітного поля обертового струмопровідного об'єкта. Чим більше поле, тим більше струми, чим більше струми, тим більше поле і все це через банальні конвективні потоки, обумовлені тим, що гаряча речовина легша за холодну, і тому спливає

Неспокійне сусідство

Знаменита космічна обсерваторія «Чандра» виявила сотні об'єктів (у тому числі і в інших галактиках), що свідчать про те, що не всім нейтронним зіркам призначено життя на самоті. Такі об'єкти народжуються в подвійних системах, які пережили вибух наднової, що створила нейтронну зірку. А іноді трапляється, що поодинокі нейтронні зірки в щільних зоряних областях типу кульових скупчень захоплюють собі компаньйона. У такому разі нейтронна зірка «викрадатиме» речовину у своєї сусідки. І в залежності від того, наскільки масивна зірка складе їй компанію, ця «крадіжка» викликатиме різні наслідки. Газ, що тече з компаньйона, масою, меншою, ніж у нашого Сонця, на таку «крихту», як нейтронна зірка, не зможе відразу впасти через надто великий власний кутовий момент, тому він створює навколо неї так званий акреційний диск із «вкраденої» »Матерії. Тертя при накручуванні на нейтронну зірку і стиск у гравітаційному полі розігріває газ до мільйонів градусів, і він починає випускати рентгенівське випромінювання. Інше цікаве явище, пов'язане з нейтронними зірками, що мають маломасивного компаньйона, - рентгенівські спалахи (барстери). Вони зазвичай тривають від кількох секунд до кількох хвилин і в максимумі дають зірці світність, що майже в 100 тисяч разів перевищує світність Сонця.

Ці спалахи пояснюють тим, що коли водень і гелій переносяться на нейтронну зірку з компаньйона, вони утворюють щільний шар. Поступово цей шар стає настільки щільним та гарячим, що починається реакція термоядерного синтезу та виділяється величезна кількість енергії. За потужністю це еквівалентно вибуху всього ядерного арсеналу землян на кожному квадратному сантиметрі поверхні нейтронної зірки протягом хвилини. Зовсім інша картина спостерігається, якщо нейтронна зірка має потужного приятеля. Зірка-гігант втрачає речовину у вигляді зоряного вітру (виходить від поверхні потоку іонізованого газу), і величезна гравітація нейтронної зірки захоплює частину цієї речовини собі. Але тут вступає у свої права магнітне поле, яке змушує падаючу речовину текти силовими лініями до магнітних полюсів.

Це означає, що рентгенівське випромінювання перш за все генерується в гарячих точках на полюсах, і якщо магнітна вісь і вісь обертання зірки не збігаються, то яскравість зірки виявляється змінною - це теж пульсар, але тільки рентгенівський. Нейтронні зірки у рентгенівських пульсарах мають компаньйонами яскраві зірки-гіганти. У барстерах ж компаньйонами нейтронних зірок є слабкі по блиску зірки малих мас. Вік яскравих гігантів не перевищує кількох десятків мільйонів років, тоді як вік слабких зірок-карликів може налічувати мільярди років, оскільки перші набагато швидше витрачають своє ядерне паливо, ніж другі. Звідси випливає, що барстери - це старі системи, в яких магнітне поле встигло з часом ослабнути, а пульсари - відносно молоді, і тому магнітні поля в них сильніші. Можливо, барстери колись у минулому пульсували, а пульсарам ще доведеться спалахувати у майбутньому.

З подвійними системами пов'язують і пульсари з найкоротшими періодами (менше 30 мілісекунд) так звані мілісекундні пульсари. Незважаючи на їх швидке обертання, вони виявляються не молодими, як слід очікувати, а найстарішими.

Виникають вони з подвійних систем, де стара, нейтронна зірка, що повільно обертається, починає поглинати матерію зі свого, теж вже постарівшого компаньйона (зазвичай червоного гіганта). Падаючи на поверхню нейтронної зірки, матерія передає їй обертальну енергію, змушуючи крутитися дедалі швидше. Відбувається це доти, поки компаньйон нейтронної зірки, майже звільнений від зайвої маси, стане білим карликом, а пульсар не оживе і почне обертатися зі швидкістю сотні обертів на секунду. Втім, нещодавно астрономи виявили вельми незвичайну систему, де компаньйоном мілісекундного пульсара є не білий карлик, а гігантська роздута червона зірка. Вчені вважають, що вони спостерігають цю подвійну систему якраз у стадії «звільнення» червоної зірки від зайвої ваги та перетворення на білого карлика. Якщо ця гіпотеза неправильна, тоді зірка-компаньйон може бути звичайною зіркою із кульового скупчення, випадково захопленої пульсаром. Майже всі нейтронні зірки, які відомі в даний час, знайдені або в подвійних рентгенівських системах, або як одиночні пульсари.

І ось нещодавно «Хаббл» помітив у видимому світлі нейтронну зірку, яка не є компонентом подвійної системи та не пульсує у рентгенівському та радіодіапазоні. Це дає унікальну можливість точно визначити її розмір і внести корективи до уявлення про склад і структуру цього химерного класу зірок, що вигоріли, стиснуті гравітацією. Ця зірка була виявлена ​​вперше як рентгенівське джерело і випромінює у цьому діапазоні не тому, що збирає водневий газ, коли рухається у просторі, а тому, що вона все ще молода. Можливо, вона є залишком однієї із зірок подвійної системи. Внаслідок вибуху наднової ця подвійна система зруйнувалася і колишні сусіди розпочали незалежну подорож Всесвітом.

Малютка - пожирач зірок
Як каміння падає на землю, так і велика зірка, відпускаючи по шматочку свою масу, поступово переміщається на маленького та далекого сусіда, що має величезне гравітаційне поле поблизу своєї поверхні. Якби зірки не крутилися навколо загального центру тяжіння, то газовий струмінь міг би просто текти, як потік води з кухля, на маленьку нейтронну зірку. Але оскільки зірки кружляють у хороводі, то матерія, що падає, перш ніж вона опиниться на поверхні, повинна втратити більшу частину свого моменту імпульсу. І тут взаємне тертя частинок, що рухаються різними траєкторіями, і взаємодія іонізованої плазми, що утворює акреційний диск, з магнітним полем пульсара допомагають процесу падіння матерії успішно закінчитися ударом об поверхню нейтронної зірки в області її магнітних полюсів.

Загадка 4U2127 розгадана
Ця зірка більше 10 років морочила голову астрономам, виявляючи дивну повільну мінливість своїх параметрів і щоразу спалахуючи по-різному. Лише новітні дослідження космічної обсерваторії «Чандра» дозволили розгадати загадкову поведінку цього об'єкта. Виявилося, що це не одна, а дві нейтронні зірки. Причому обидві мають компаньйонів — одну зірку, схожу на наше Сонце, іншу — на невелику блакитну сусідку. Просторово ці пари зірок розділені досить великою відстанню і живуть незалежним життям. А ось на зірковій сфері вони проектуються майже в одну точку, тож так довго їх і вважали за один об'єкт. Знаходяться ці чотири зірочки у кульовому скупченні М15 з відривом 34 тис. світлових років.

Відкрите питання

Всього на сьогоднішній день астрономи виявили близько 1200 нейтронних зірок. З них понад 1000 є радіопульсарами, а решта - просто рентгенівськими джерелами. За роки досліджень вчені дійшли висновку, що нейтронні зірки – справжні оригінали. Одні дуже яскраві і спокійні, інші періодично спалахують і видозмінюються зоретрусами, треті існують у подвійних системах. Ці зірки відносяться до найзагадковіших і невловимих астрономічних об'єктів, що з'єднують у собі найсильніші гравітаційні та магнітні поля та екстремальні щільності та енергії. І кожне нове відкриття з їхнього бурхливого життя дає вченим унікальні відомості, необхідні для розуміння природи Матерії та еволюції Всесвіту.

Всесвітній стандарт
Надіслати що-небудь за межі Сонячної системи дуже навіть непросто, тому разом з космічними кораблями «Піонер-10 і -11», які туди рушили 30 років тому, земляни відправили і послання братам по розуму. Намалювати щось таке, що буде зрозуміло Позаземному Розуму, завдання не з простих, більше того, ще потрібно було вказати зворотну адресу і дату відправки листа... Наскільки зрозуміло все це зуміли зробити художники, людині зрозуміти важко, але сама ідея використання радіопульсарів для вказівки місця та часу відправлення послання геніальна. Уривчасті промені різної довжини, що виходять з точки, що символізує Сонце, вказують напрямок і відстань до найближчих до Землі пульсарів, а переривчастість лінії – це не що інше, як двійкове позначення періоду їхнього обігу. Найдовший промінь вказує на центр нашої Галактики - Чумацький Шлях. Як одиниця часу на посланні прийнята частота радіосигналу, що випускається атомом водню при зміні взаємної орієнтації спинів (напрямок обертання) протона та електрона.

Знамениті 21 см або 1420 МГц повинні знати всі розумні істоти у Всесвіті. За цими орієнтирами, що вказують на «радіомаяки» Всесвіту, можна буде відшукати землян навіть через багато мільйонів років, а порівнявши записану частоту пульсарів з поточною, можна буде прикинути, коли ці чоловік і жінка благословляли в політ перший космічний корабель, що покинув межі Сонячної системи.

Микола Андрєєв

Були передбачені на початку 30-х років. XX ст. радянським фізиком Л. Д. Ландау, астрономами В. Бааде та Ф. Цвіккі. У 1967 р. було відкрито пульсари, які до 1977 р. остаточно ототожнювалися з нейтронними зірками.

Нейтронні зірки утворюються в результаті вибуху наднової на останній стадії еволюції зірки великої маси.

Якщо маса залишку наднової (тобто те, що залишається після скидання оболонки) більше 1,4 M☉ , але менше 2,5 M☉ , то стиснення його продовжується і після вибуху доти, доки щільність не досягне ядерних значень. Це призведе до того, що електрони будуть «втиснуті» в ядра, і утворюється речовина, що складається з одних нейтронів. Виникає нейтронна зірка.

Радіуси нейтронних зірок, як і радіуси білих карликів, зменшуються зі збільшенням маси. Так, нейтронна зірка масою 1,4 M☉ (мінімальна маса нейтронної зірки) має радіус 100-200 км, а при масі 2,5 M☉ (максимальна маса) - всього 10-12 км. Матеріал із сайту

Схематичний розріз нейтронної зірки показаний на малюнку 86. Зовнішні шари зірки (рис. 86, III) складаються з заліза, що утворює тверду кору. На глибині приблизно 1 км починається тверда кора із заліза з домішкою нейтронів (рис. 86), яка переходить у рідке надтекуче і надпровідне ядро ​​(рис. 86, I). При масах, близьких до граничних (2,5-2,7 M☉), у центральних областях нейтронної зірки з'являються більш важкі елементарні частинки (гіперони).

Щільність нейтронної зірки

Щільність речовини в нейтронній зірці можна порівняти з щільністю речовини в атомному ядрі: вона досягає 10 15 -10 18 кг/м 3 . За таких щільностей самостійне існування електронів і протонів неможливе, і речовина зірки складається практично з одних нейтронів.

Зображення (фото, малюнки)

На цій сторінці матеріал за темами:

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.

Мал. 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

Kevin Gill / flickr.com

Німецькі астрофізики уточнили максимально можливу масу нейтронної зірки, спираючись на результати вимірів гравітаційних хвиль та електромагнітного випромінювання від . Виявилося, що маса нейтронної зірки, що не обертається, не може бути більше 2,16 мас Сонця, йдеться в статті, опублікованій в Astrophysical Journal Letters.

Нейтронні зірки – це надщільні компактні зірки, які утворюються під час спалахів наднових. Радіус нейтронних зірок вбирається у кількох десятків кілометрів, а маса можна порівняти з масою Сонця, що зумовлює величезної щільності речовини зірки (близько 10 17 кілограмів на кубічний метр). У той же час, маса нейтронної зірки не може перевищувати певну межу - об'єкти з великими масами колапсують у чорні дірки під дією власної гравітації.

За різними оцінками, верхня межа маси нейтронної зірки лежить у діапазоні від двох до трьох мас Сонця залежить від рівняння стану речовини, і навіть від швидкості обертання зірки. Залежно від густини та маси зірки вчені виділяють кілька різних типів зірок, схематична діаграма зображена на малюнку. По-перше, зірки, що не обертаються, не можуть мати масу, велику M TOV (біла область). По-друге, коли зірка обертається з постійною швидкістю, її маса може бути, як менше M TOV (світло-зелена область), так і більше (яскраво-зелена), але все ж таки не повинна перевищувати ще одну межу, M max . Нарешті, нейтронна зірка зі змінною швидкістю обертання теоретично може мати довільну масу (червоні області різної яскравості). Втім, завжди слід пам'ятати, що щільність зірок, що обертаються, не може бути більшою за певну величину, інакше зірка все одно колапсує в чорну дірку (вертикальна лінія на діаграмі відокремлює стабільні рішення від нестабільних).

Діаграма різних типів нейтронних зірок залежно від їхньої маси та щільності. Хрестом відзначено параметри об'єкта, що утворився після злиття зірок подвійної системи, пунктирними лініями - один із двох варіантів еволюції об'єкта

L. Rezzolla та ін. / The Astrophysocal Journal

Група астрофізиків під керівництвом Лучіано Реццолла (Luciano Rezzolla) встановила нові, більш точні обмеження на максимально можливу масу нейтронної зірки M TOV, що не обертається. У своїй роботі вчені використовували дані попередніх досліджень, присвячених процесам, які відбувалися в системі двох нейтронних зірок, що зливаються, і привели до випромінювання гравітаційних (подія GW170817) і електромагнітних (GRB 170817A) хвиль. Одночасна реєстрація цих хвиль виявилося дуже важливою подією для науки, докладніше про нього можна прочитати в нашій і матеріалі.

З попередніх робіт астрофізиків випливає, що після злиття нейтронних зірок утворилася гіпермасивна нейтронна зірка (тобто її маса M > M max), яка надалі розвивалася за одним із двох можливих сценаріїв і через невеликий проміжок часу перетворилася на чорну дірку (пунктирні лінії на діаграмі) ). Спостереження за електромагнітною компонентою випромінювання зірки вказує на перший сценарій , в якому баріонна маса зірки залишається практично постійною, а гравітаційна маса повільно зменшується за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль. З іншого боку, гамма-сплеск від системи прийшов практично одночасно з гравітаційними хвилями (всього на 1,7 секунд пізніше), а значить, точка перетворення в чорну дірку повинна лежати близько до M max .

Тому якщо простежити еволюцію гіпермасивної нейтронної зірки назад до початкового стану, параметри якого були з хорошою точністю розраховані в попередніх роботах, можна знайти значення цікавої для нас M max . Знаючи M max , неважко вже знайти M TOV , оскільки ці маси пов'язані співвідношенням M max ≈ 1,2 M TOV . У статті астрофізики виконали такі обчислення, використовуючи звані «універсальні співвідношення» , які пов'язують параметри нейтронних зірок різної маси і залежить від виду рівняння стану їх речовини. Автори підкреслюють, що їх обчислення використовують лише прості припущення та не спираються на чисельне моделювання. Кінцевий результат для максимально можливої ​​маси становив від 2,01 до 2,16 мас Сонця. Нижня межа для неї була отримана раніше в результаті спостережень за масивними пульсарами в подвійних системах - простіше кажучи, максимальна маса не може бути меншою за 2,01 мас Сонця, оскільки астрономи насправді спостерігали нейтронні зірки з такою великою масою.

Раніше ми писали про те, як астрофізики за допомогою комп'ютерних симуляцій на масу та радіус нейтронних зірок, злиття яких призвело до подій GW170817 та GRB 170817A.

Дмитро Трунін