"Сверхтяжелая" нейтронная звезда отрицает теорию "свободных" кварков. Фото нейтронная звезда
Нейтронные звезды - на "кончике пера" (6 фото)
Рожденная на кончике пера
Нейтронные звезды, которые часто называют «мертвыми», являются удивительнейшими объектами. Их изучение в последние десятилетия превратилось в одну из самых увлекательных и богатых открытиями областей астрофизики. Интерес к нейтронным звездам обусловлен не только загадочностью их строения, но и колоссальной плотностью, и сильнейшими магнитными и гравитационными полями. Материя там находится в особом состоянии, напоминающем огромное атомное ядро, и эти условия невозможно воспроизвести в земных лабораториях.
Пульсар - это просто огромный намагниченный волчок, крутящийся вокруг оси, не совпадающей с осью магнита. Если бы на него ничего не падало и он ничего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частоту вращения и мы никогда бы его не услышали на Земле. Но дело в том, что данный волчок имеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, да и вращающееся магнитное поле создает огромное по напряженности электрическое поле, способное разгонять протоны и электроны почти до световых скоростей. Причем все эти заряженные частицы, носящиеся вокруг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального магнитного поля. И только в пределах небольшого телесного угла около магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими 1010-1014 гаусс, для сравнения: земное поле составляет 1 гаусс, солнечное - 10-50 гаусс). Именно эти потоки заряженных частиц и являются источником того радиоизлучения, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся в дальнейшем нейтронными звездами. Поскольку магнитная ось нейтронной звезды необязательно совпадает с осью ее вращения, то при вращении звезды поток радиоволн распространяется в космосе подобно лучу проблескового маяка - лишь на миг прорезая окружающую мглу.
Открытие в 1932 году новой элементарной частицы - нейтрона заставило астрофизиков задуматься над тем, какую роль он может играть в эволюции звезд. Два года спустя было высказано предположение о том, что взрывы сверхновых
Нейтронные звезды были идентифицированы как источники мощных гамма-всплесков после огромной гамма-вспышки 5 марта 1979 года, когда было выброшено столько энергии в течение первой же секунды, сколько Солнце излучает за 1000 лет.
Взрыв сверхновой звезды достаточно часто сообщает новорожденному пульсару немалую скорость. Результат компьютерного моделирования позволяет очень наглядно, в разрезе, представить процессы, происходящие вблизи быстро летящего пульсара.
звезд связаны с превращением обычных звезд в нейтронные. Затем Были выполнены расчеты структуры и параметров последних, и стало ясно, что если небольшие звезды (типа нашего Солнца) в конце своей эволюции превращаются в белых карликов, то более тяжелые становятся нейтронными. В августе 1967 года радиоастрономы при изучении мерцаний космических радиоисточников обнаружили странные сигналы - фиксировались очень короткие, длительностью около 50 миллисекунд, импульсы радиоизлучения, повторявшиеся через строго определенный интервал времени (порядка одной секунды). Это было совершенно не похоже на обычную хаотическую картину случайных нерегулярных колебаний радиоизлучения. После тщательной проверки всей аппаратуры пришла уверенность, что импульсы имеют внеземное происхождение. Астрономов трудно удивить объектами, излучающими с переменной интенсивностью, но в данном случае период был столь мал, а сигналы - столь регулярны, что ученые всерьез предположили, что они могут быть весточками от внеземных цивилизаций. А потому первый пульсар получил название LGM-1 (от английского Little Green Men - «Маленькие Зеленые Человечки»), хотя попытки найти какой-либо смысл в принимаемых импульсах окончились безрезультатно. Вскоре были обнаружены еще 3 пульсирующих радиоисточника. Их период опять оказался много меньше характерных времен колебания и вращения всех известных астрономических объектов. Из-за импульсного характера излучения новые объекты стали называть пульсарами. Это открытие буквально всколыхнуло астрономию, и из многих радиообсерваторий начали поступать сообщения об обнаружении пульсаров. После открытия пульсара в Крабовидной Туманности, возникшей из-за взрыва сверхновой в 1054 году, стало ясно, что пульсары каким-то образом связаны с вспышками сверхновых звезд. Скорее всего, сигналы шли от объекта, оставшегося после взрыва. Прошло немало времени, прежде чем астрофизики поняли, что пульсары - это и есть быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые они так долго искали.
Согласно современной теории эволюции массивные звезды заканчивают свою жизнь колоссальным взрывом, превращающим большую их часть в расширяющуюся газовую тyманность. В итоге от гиганта, во много раз превышавшего размерами и массой наше Солнце, остается плотный горячий объект размером около 20 км, с тонкой атмосферой (из водорода и более тяжелых ионов) и гравитационным полем, в 100 млрд. раз превышающим земное. Его и назвали нейтронной звездой, полагая, что он состоит главным образом из нейтронов. Вещество нейтронной звезды - самая плотная форма материи (чайная ложка такого суперядра весит около миллиарда тонн).
Очень короткий период излучаемых пульсарами сигналов был первым и самым главным аргументом в пользу того, что это и есть нейтронные звезды, обладающие огромным магнитным полем и вращающиеся с бешеной скоростью. Только плотные и компактные объекты (размером всего в несколько десятков километров) с мощным гравитационным полем могут выдерживать такую скорость вращения, не разлетаясь на куски из-за центробежных сил инерции. Нейтронная звезда состоит из нейтронной жидкости с примесью протонов и электронов. «Ядерная жидкость», очень напоминающая вещество из атомных ядер, в 1014 раз плотнее обычной воды. Это огромное различие вполне объяснимо - ведь атомы состоят в основном из пустого пространства, в котором вокруг крошечного тяжелого ядра порхают легкие электроны. Ядро содержит почти всю массу, так как протоны и нейтроны в 2 000 раз тяжелее электронов. Экстремальные силы, возникающие при формировании нейтронной звезды, так сжимают атомы, что электроны, вдавленные в ядра, объединяются с протонами, образуя нейтроны. Таким образом рождается звезда, почти полностью состоящая из нейтронов. Сверхплотная ядерная жидкость, если ее принести на Землю, взорвалась бы, подобно ядерной бомбе, но в нейтронной звезде она устойчива благодаря огромному гравитационному давлению. Однако во внешних слоях нейтронной звезды (как, впрочем, и всех звезд) давление и темпepaтypa падают, образуя твердую корку толщиной около километра. Как полагают, состоит она в основном из ядер железа.
Внутренняя структура нейтронной звезды: (на верхнем среднем изображении)
[1] - Сердцевина пульсара скорее всего твердая и состоит уже не из протонов и нейтронов, а из кварков и глюонов, образующих особый сверхплотный конгломерат.[2] - Внешняя часть ядра нейтронной звезды - коктейль из сверхтекучей нейтронной жидкости, сверхпроводящей протонной и плотного электронного газа, растворенного в ядерном веществе.[3] - Внутренняя кора толщиной до 1 км, здесь давление столь велико, что часть электронов соединяется с протонами, образуя нейтроны, которые так же, как электроны, спокойно дефилируют между ядрами, стоящими в узлах решетки.[4] - Внешняя кора толщиной 200-300 метров очень напоминает сильно сжатую кристаллическую решетку металлов, почти все электроны могут свободно перемещаться от атома к атому. Твердая корка внешних слоев нейтронной звезды состоит из тяжёлых атомных ядер, упорядоченных в кубическую решетку, с электронами, свободно летающими между ними, чем напоминает земные металлы, но только намного более платные.[5] - Атмосфера звезды состоит из сильно ионизированной высокотемпературной плазмы, простирающейся на сотни километров, диаметр твердой части звезды обычно не превышает 20 км. [6] - Магнитный полюс пульсара, совсем не обязательно совпадающий с "северным", вокруг которого крутится этот маленький, но очень тяжелый шарик. Заряженные частицы могут двигаться только вдоль магнитных силовых линий, поэтому потоки падающих на нейтронную звезду и вылетающих из нее частиц концентрируются вблизи ее полюсов.[7] - Ядро однородный конгломерат нейтронов.[8] - Внутренняя кора некая упорядоченная кристаллическая структура ядер, между которыми летают нейтроны и электроны.
Активное динамо - получение энергии для поля. Все мы знаем, что энергия любит переходить из одной формы в другую. Электричество легко превращается в тепло, а кинетическая энергия - в потенциальную. Огромные конвективные потоки электропроводящей магмы плазмы или ядерного вещества, оказывается, тоже могут свою кинетическую энергию преобразовать во что-нибудь необычное, например в магнитное поле. Перемещение больших масс на вращающейся звезде в присутствии небольшого исходного магнитного поля могут приводить к электрическим токам, создающим поле того же направления, что и исходное. В результате начинается лавинообразное нарастание собственного магнитного поля вpaщающегося токопроводящего объекта. Чем больше поле, тем больше токи, чем больше токи, тем больше поле и все это из-за банальных конвективных потоков, обусловленных тем, что горячее вещество легче холодного, и потому всплывает...
Хотя нейтронные звезды интенсивно изучаются уже около трех десятилетий, их внутренняя структура доподлинно неизвестна. Более того, нет твердой уверенности и в том, что они действительно состоят в основном из нейтронов. С продвижением вглубь звезды давление и плотность увеличиваются и материя может быть настолько сжата, что она распадется на кварки - строительные блоки протонов и нейтронов. Согласно современной квантовой хромодинамике кварки не могут существовать в свободном состоянии, а объединяются в неразлучные «тройки» и «двойки». Но, возможно, у границы внутреннего ядра нейтронной звезды ситуация меняется и кварки вырываются из своего заточения. Чтобы глубже понять природу нейтронной звезды и экзотической кварковой материи, астрономам необходимо определить соотношение между массой звезды и ее радиусом (средняя плотность). Исследуя нейтронные звезды со спутниками, можно достаточно точно измерить их массу, но определить диаметр-намного труднее. Совсем недавно ученые, используя возможности рентгеновского спутника «ХММ-Ньютон», нашли способ оценки плотности нейтронных звезд, основанный на
Данный пульсар находится на расстоянии всего 450 световых лет от Земли и является двойной системой из нейтронной звезды и белого карлика с периодом обращения 5,5 дня. Мягкое рентгеновское излучение, принимаемое спутником ROSAT, испускают раскаленные до двух миллионов градусов полярные шапки PSR J0437-4715. В процессе своего быстрого вращения (период этого пульсара равен 5,75 миллисекунды) он поворачивается к Земле то одним, то другим магнитным полюсом, в результате интенсивность потока гамма-квантов меняется на 33%. Яркий объект рядом с маленьким пульсаром - это далекая галактика, которая по каким-то причинам активно светится в рентгеновском участке спектра.
Необычность нейтронных звезд состоит еще и в том, что при уменьшении массы звезды ее радиус возрастает - в результате наименьший размер имеют наиболее массивные нейтронные звезды. Пульсары считаются одной из ранних стадий жизни нейтронной звезды. благодаря их изучению ученые узнали и о магнитных полях, и о скорости вращения, и о дальнейшей судьбе нейтронных звезд. Постоянно наблюдая за поведением пульсара, можно точно установить: сколько энергии он теряет, насколько замедляется, и даже то, когда он прекратит свое существование, замедлившись настолько, что не сможет излучать мощные радиоволны. Эти исследования подтвердили многие теоретические предсказания относительно нейтронных звезд.
Уже к 1968 году были обнаружены пульсары с периодом вращения от 0,033 секунды до 2 секунд. Периодичность импульсов радиопульсара выдерживается с удивительной точностью, и поначалу стабильность этих сигналов была выше земных атомных часов. И все же по мере прогресса в области измерения времени для многих пульсаров удалось зарегистрировать регулярные изменения их периодов. Конечно, это исключительно малые изменения, и только за миллионы лет можно ожидать увеличения периода вдвое. Отношение текущей скорости вращения к замедлению вращения - один из способов оценки возраста пульсара.
Несмотря на поразительную стабильность радиосигнала, некоторые пульсары иногда испытывают так называемые «нарушения». За очень короткий интервал времени (менее 2 минут) скорость вращения пульсара увеличивается на существенную величину, а затем через некоторое время возвращается к той величине, которая была до «нарушения». Полагают, что «нарушения» могут быть вызваны перегруппировкой массы в пределах нейтронной звезды. Но в любом случае точный механизм пока неизвестен. Так, пульсар Вела примерно раз в 3 года подвергается большим «нарушениям», и это делает его очень интересным объектом для изучения подобных явлений.
Взрыв сверхновой звезды достаточно часто сообщает новорожденному пульсару немалую скорость. Такая летящая звезда с приличным собственным магнитным полем сильно возмущает ионизированный газ, заполняющий межзвездное пространство. Образуется своеобразная ударная волна, бегущая впереди звезды и расходящаяся широким конусом после нее. Совмещенное оптическое (сине-зеленая часть) и рентгеновское (оттенки красного) изображение пульсара "Черная Вдова" показывает, что здесь мы имеем дело не просто со светящимся газовым облаком, а с огромным потоком элементарных частиц, испускаемых данным миллисекундным пульсаром. Линейная скорость Черной Вдовы равна 1 млн. км/ч, оборот вокруг оси она делает за 1,6 мс, лет ей уже около миллиарда, и у нее есть звезда-компаньон, кружащаяся около Вдовы с периодом 9,2 часа. Свое название пульсар В1957+20 получил по той простой причине, что его мощнейшее излучение просто сжигает соседа, заставляя «кипеть» и испаряться образующий его газ. Красный сигарообразный кокон позади пульсара - это та часть пространства, где испускаемые нейтронной звездой электроны и протоны излучают мягкие гамма-кванты.
Результат компьютерного моделирования позволяет очень наглядно, в разрезе, представить процессы, происходящие вблизи быстро летящего пульсара. Расходящиеся от яркой точки лучи - это условное изображение того потока лучистой энергии, а также потока частиц и античапиц, который исходит от нейтронной звезды. Красная обводка на границе черного пространства вокруг нейтронной звезды и рыжих светящихся клубов плазмы - это то место, где поток релятивистских, летящих почти со скоростью света, частиц встречается с уплотненным ударной волной межзвездным газом. Резко тормозя, частицы испускают рентгеновское излучение и, потеряв основную энергию, уже не так сильно разогревают налетающий газ.
Магнетары - нейтронные оригиналы
Некоторые нейтронные звезды, названные источниками повторяющихся всплесков мягкого гамма-излучения - SGR, испускают мощные всплески «мягких» гамма-лучей через нерегулярные интервалы. Количество энергии, выбрасываемое SGR при обычной вспышке, длящейся несколько десятых секунды, Солнце может излучить только за целый год. Четыре известные SGR находятся в пределах нашей Галактики и только один - вне ее. Эти невероятные взрывы энергии могут быть вызваны звездотрясениями - мощными версиями землетрясений, когда разрывается твердая поверхность нейтронных звезд и из их недр вырываются мощные потоки протонов, которые, увязая в магнитном поле, испускают гамма- и рентгеновское излучение. Нейтронные звезды были идентифицированы как источники мощных гамма-всплесков после огромной гамма-вспышки 5 марта 1979 года, когда было выброшено столько энергии в течение первой же секунды, сколько Солнце излучает за 1 000 лет. Недавние наблюдения за одной из наиболее «активных» в настоящее время нейтронных звезд, похоже, подтверждают теорию о том, что нерегулярные мощные всплески гамма- и рентгеновского излучений вызваны звездотрясениями. В 1998 году внезапно очнулся от «дремоты» известный SGR, который 20 лет не подавал признаков активности и выплеснул почти столько же энергии, как и гамма-вспышка 5 марта 1979 года. Больше всего поразило исследователей при наблюдении за этим событием резкое замедление скорости вращения звезды, говорящее о ее разрушении. Для объяснения мощных гамма и рентгеновских вспышек была
Анализ данных (от RXTE) при наблюдениях пульсара SGR 1806-20, показал, что этот источник является самым мощным из известных на сегодняшний день магнитов во Вселенной. Величина его поля была определена по измерению частоты вращения протонов в магнитном поле нейтронной звезды. Магнитное поле вблизи поверхности этого магнитара достигает 10 15 гаусс.
предложена модель магнетара-нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем. Если нейтронная звезда рождается, вращаясь очень быстро, то совместное влияние вращения и конвекции, которая играет важную роль в первые несколько секунд существования нейтронной звезды, может создать огромное магнитное поле в результате сложного процесса, известного как «активное динамо» (таким же способом создается поле внутри Земли и Солнца). Теоретики были поражены, обнаружив, что такое динамо, работая в горячей, новорожденной нейтронной звезде, может создать магнитное поле, в 10 000 раз более сильное, чем обычное поле пульсаров. Когда звезда охлаждается (секунд через 10 или 20), конвекция и действие динамо прекращаются, но этого времени вполне достаточно, чтобы успело возникнуть нужное поле.
Магнитное поле вращающегося электропроводящего шара бывает неустойчивым, и резкая перестройка его структуры может со провождаться выбросом колоссальных количеств энергии (наглядный пример такой неустойчивости - периодическая переброска магнитных полюсов Земли). Аналогичные вещи случаются и на Солнце, во взрывных событиях, названных «солнечными вспышками». В магнетаре доступная магнитная энергия огромна, и этой энергии вполне достаточно для мощи таких гигантских вспышек, как 5 марта 1979 и 27 августа 1998 годов. Подобные события неизбежно вызывают глубокую ломку и изменения в структуре не только электрических токов в объеме нейтронной звезды, но и ее твердой коры. Другим загадочным типом объектов, которые испускают мощное рентгеновское излучение во время периодических взрывов, являются так называемые аномальные рентгеновские пульсары - АХР. Они отличаются от обычных рентгеновских пульсаров тем, что излучают только в рентгеновском диапазоне. Ученые полагают, что SGR и АХР являются фазами жизни одного и того же класса объектов, а именно магнетаров, или нейтронных звезд, которые излучают мягкие гамма-кванты, черпая энергию из магнитного поля. И хотя магнетары на сегодня остаются детищами теоретиков и нет достаточных данных, подтверждающих их существование, астрономы упорно ищут нужные доказательства.
Знаменитая космическая обсерватория «Чандра» обнаружила сотни объектов (в том числе и в других галактиках), свидетельствующих о том, что не всем нейтронным звездам предназначено вести жизнь в одиночестве. Такие объекты рождаются в двойных системах, которые пережили взрыв сверхновой, создавший нейтронную звезду. А иногда случается, что одиночные нейтронные звезды в плотных звездных областях типа шаровых скоплений захватывают себе компаньона. В таком случае нейтронная звезда будет «красть» вещество у своей соседки. И в зависимости оттого, насколько массивная звезда составит ей компанию, эта «кража» будет вызывать разные последствия. Газ, текущий с компаньона, массой, меньшей, чем у нашего Солнца, на такую «крошку», как нейтронная звезда, не сможет сразу упасть из-за слишком большого собственного углового момента, поэтому он создает вокруг нее так называемый аккреционный диск из «украденной» материи. Трение при накручивании на нейтронную звезду и сжатие в гравитационном поле разогревает газ до миллионов градусов, и он начинает испускать рентгеновское излучение.
Другое интересное явление, связанное с нейтронными звездами, имеющими маломассивного компаньона, - рентгеновские вспышки (барстеры). Они обычно длятся от нескольких секунд до нескольких минут и в максимуме дают звезде светимость, почти в 100 тысяч раз превышающую светимость Солнца. Эти вспышки объясняют тем, что, когда водород и гелий переносятся на нейтронную звезду с компаньона, они образуют плотный слой. Постепенно этот слой становится настолько плотным и горячим, что начинается реакция термоядерного синтеза и выделяется огромное количество энергии. По мощности это эквивалентно взрыву всего ядерного арсенала землян на каждом квадратном сантиметре поверхности нейтронной звезды в течение минуты. Совсем другая картина наблюдается, если нейтронная звезда имеет массивного компаньона. 3везда-гигант теряет вещество в виде звездного ветра (исходящего от ее поверхности потока ионизированного газа), и огромная гравитация нейтронной звезды захватывает часть этого вещества себе. Но здесь вступает в свои права магнитное поле, которое заставляет падающее вещество течь по силовым линиям к магнитным полюсам. Это означает, что рентгеновское излучение прежде всего генерируется в горячих точках на полюсах, и если магнитная ось и ось вращения звезды не совпадают, то яркость звезды оказывается переменной - это тоже пульсар, но только рентгеновский.
Нейтронные звезды в рентгеновских пульсарах имеют компаньонами яркие звезды-гиганты. В барстерах же компаньонами нейтронных звезд являются слабые по блеску звезды малых масс. Возраст ярких гигантов не превышает нескольких десятков миллионов лет, тогда как возраст слабых звезд - карликов может насчитывать миллиарды лет, поскольку первые гораздо быстрее расходуют свое ядерное топливо, чем вторые. Отсюда следует, что барстеры - это старые системы, в которых магнитное поле успело со временем ослабеть, а пульсары - относительно молодые, и потому магнитные поля в них сильнее. Может быть, барстеры когда-то в прошлом пульсировали, а пульсарам еще предстоит вспыхивать в будущем.
Большая звезда, отпуская по кусочку свою массу, постепенно перемещается на маленького соседа, имеющего огромное гравитационное поле вблизи своей поверхности. Поскольку эвезды кружатся в хороводе, то падающая материя, прежде чем она окажется на поверхности, должна потерять большую часть своего момента импульса. И здесь взаимное трение частиц, двигающихся по различным траекториям, и взаимодействие ионизированной плазмы, образующей аккреционный диск, с магнитным полем пульсара по процессу падения материи успешно закончиться ударом поверхность нейтронной звезды в области ее магнитных полюсов.
С двойными системами связывают и пульсары с самыми короткими периодами (менее 30 миллисекунд) - так называемые миллисекундные пульсары. Несмотря на их быстрое вращение, они оказываются не молодыми, как следовало бы ожидать, а самыми старыми. Возникают они из двойных систем, где старая, медленно вращающаяся нейтронная звезда начинает поглощать материю со своего, тоже уже состарившегося компаньона (обычно красного гиганта). Падая на поверхность нейтронной звезды, материя передает ей вращательную энергию, заставляя крутиться все быстрее. Происходит это до тех пор, пока компаньон нейтронной звезды, почти освобожденный от лишней массы, не станет белым карликом, а пульсар не оживет и не начнет вращаться со скоростью сотни оборотов в секунду.
Впрочем, недавно астрономы обнаружили весьма необычную систему, где компаньоном миллисекундного пульсара является не белый карлик, а гигантская раздутая красная звезда. Ученые полагают, что они наблюдают эту двойную систему как раз в стадии «освобождения» красной звезды от лишнего веса и превращения в белого карлика. Если эта гипотеза неверна, тогда звезда-компаньон может быть обычной звездой из шарового скопления, случайно захваченной пульсаром.
Почти все нейтронные звезды, которые известны в настоящее время, найдены или в рентгеновских двойных системах, или как одиночные пульсары. И вот недавно «Хаббл» заметил в видимом свете нейтронную звезду, которая не является компонентом двойной системы и не пульсирует в рентгеновском и радиодиапазоне. Это дает уникальную возможность точно определить ее размер и внести коррективы в представления о составе и структуре этого причудливого класса выгоревших, сжатых гравитацией звезд. Эта звезда была обнаружена впервые как рентгеновский источник и излучает в этом диапазоне не потому, что собирает водородный газ, когда движется в пространстве, а потому, что она все еще молода. Возможно, она является остатком одной из звезд двойной системы. В результате взрыва сверхновой эта двойная система разрушилась и бывшие соседи начали независимое путешествие по Вселенной.
Всего на сегодняшний день астрономы обнаружили около 1 200 нейтронных звезд. Из них более 1 000 являются радиопульсарами, а остальные - просто рентгеновскими источниками. 3а годы исследований ученые пришли к выводу, что нейтронные звезды - настоящие оригиналы. Одни - очень яркие и спокойные, другие - периодически вспыхивающие и видоизменяющиеся звездотрясениями, третьи - существующие в двойных системах. Эти звезды относятся к самым загадочным и неуловимым астрономическим объектам, соединяющим в себе сильнейшие гравитационные и магнитные поля и экстремальные плотности и энергии. И каждое новое открытие из их бурной жизни дает ученым уникальные сведения, необходимые для понимания природы Материи и эволюции Вселенной.
Читайте также:
planetologia.ru
Нейтронная звезда
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.
Общие сведения
Общая схема внутреннего строения
Эти интересные объекты, рождаются от некогда массивных гигантов, которые в четыре-восемь раз больше нашего Солнца. Происходит это во вспышке сверхновой.
Материалы по теме
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.
Нейтронные звезды в одной картинке
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.
Пульсар в Крабовидной туманности
Магнетары
Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.
Магнетар в представлении художника
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
Аккрецирующая нейтронная звезда, схема
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.
comments powered by HyperComments
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Просмотров записи: 9904
spacegid.com
Опубликовано фото вспышки от слияния нейтронных звезд
17 октября исполнилось два месяца со дня знаменательного события в истории астрофизики: 17 августа 2017 года детекторы обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) впервые зарегистрировали гравитационные волны, порожденные слияние двух нейтронных звезд. Этот катаклизм, который случился в 130 миллионах световых лет от Земли в галактике NGC 4993, в свою очередь, породил гамма-всплеск и чудовищную вспышку — так называемую килонову.
Спустя две секунды после того, как гравитационные волны были зафиксированы, гамма-телескоп Ферми (NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope) засек гамма-всплеск. А потом с помощью космического телескопа «Хаббл» (NASA’s Hubble Space Telescope) удалось разглядеть и «огонек» вспышки, который не угасал 6 дней. Эти кадры NASA и опубликовало на своем сайте в честь славного двухмесячного юбилея.
Вспышка не угасала несколько дней.
Как полагают ученые, столкнулись сблизившиеся нейтронные звезды бинарной звездной системы. На их месте могла образоваться черная дыра или магнетар, данных, чтобы понять это точно ученым пока не хватает.
Ткань пространства-времени покрылась рябью от столкновения двух нейтронных звезд.
СПРАВКА «Комсомолки»:
Нейтронная звезда - очень тяжелый и плотный, но небольшой объект. Внутри него нейтроны, снаружи - электроны и ядра тяжелых элементов. Масса типичной нейтронной звезды около двух солнечных, диаметр - примерно 20 километров.
Слияние нейтронных звезд происходит в процессе их вращения друг относительно друга — словно бы в вальсе.
Гравитационные волны — «рябь» в ткани пространства-времени, которая распространяется со скоростью света. Впервые их ученые засекли 14 сентября 2015 года, о чем объявили 11 февраля 2016 года. А в октябре 2017 года уже получили по заслугам — Нобелевскую премию. Она досталась Кипу Торну (Kip Thorne), Барри Баришу (Barry Barish) и Райнеру Вайссу (Rainer Weiss) за наблюдение гравитационных волн в обсерватории LIGO.
www.kp.ru
Нейтронная звезда — википедия фото
Нейтро́нная звезда́ — космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звёзд, состоящее, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (∼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 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
Нейтронная звезда в разрезе.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[1] 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 %)[2], PSR J1614–2230ruen (с оценкой массы 1,97±0,04 солнечных)[3][4][5], 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 звёзд в кварковые.[6]
Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013Гс (для сравнения — у Земли около 1 Гс), именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. C 1990-х годов некоторые нейтронные звёзды отождествлены как магнетары — звёзды, обладающие магнитными полями порядка 1014 Гс и выше.
Магнитные поля, превышающие «критическое» значение 4,414·1013 Гс, при котором энергия взаимодействия электрона с магнитным полем превышает его энергию покоя mec², привносят качественно новое в физику, так как становятся существенны специфические релятивистские эффекты, поляризация физического вакуума и т. д.
К 2015 году открыто более 2500 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 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).[7]
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[8].
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[8].
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[8].
Внешнее ядро состоит из нейтронов с небольшой примесью (несколько процентов) протонов и электронов. В маломассивных нейтронных звёздах внешнее ядро может простираться до центра звезды[8].
В массивных нейтронных звёздах есть и внутреннее ядро. Его радиус может достигать нескольких километров, плотность в 10-15 раз превышает плотность атомных ядер. Состав и уравнение состояния внутреннего ядра достоверно неизвестны: существует несколько гипотез, но в настоящее время невозможно подтвердить или опровергнуть какую-либо из них[8].
Остывание нейтронных звёзд
В момент рождения нейтронной звезды (в результате вспышки сверхновой), её температура очень высока — порядка 1011 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 1011 до 109 K, за сто лет — до 108 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 105—106 K (хотя ядро, видимо, гораздо горячее)[8].
История открытия
Гравитационное отклонение света (из-за релятивистского отклонения света видно более половины поверхности)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».
В декабре 1933 года на съезде Американского физического общества (15—16 декабря 1933 года) астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки сделали первое строгое предсказание существования нейтронных звёзд. В частности, они выдвинули обоснованную точку зрения о том, что нейтронная звезда может образоваться в результате взрыва сверхновой. Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х гг., когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты в радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка 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.
Классификация нейтронных звёзд
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[9]. Поскольку теория магнитосфер пульсаров всё ещё в состоянии развития, существуют альтернативные теоретические модели (см. недавний обзор[10] и ссылки там).
Эжектор (радиопульсар)
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 RL=c/ω{\displaystyle R_{L}=c/\omega } линейная скорость вращения поля приближается к скорости света. Этот радиус называется «радиусом светового цилиндра». За этим радиусом обычное дипольное 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 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
Литература
- Шапиро С. Л., Тьюколски С. А. Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звёзды / Пер. с англ. под ред. Я. А. Смородинского. — М.: Мир, 1985. — Т. 1—2. — 656 с.
- С. Б. Попов, М. Е. Прохоров. Астрофизика одиночных нейтронных звёзд: радиотихие нейтронные звёзды и магнитары. — ГАИШ МГУ, 2002.
- Haensel P., Potekhin A.Y., Yakovlev D.G. Neutron Stars. — N. Y.: Springer, 2007. — Т. 1. — 619 с. — ISBN 978-0-387-33543-8.
- Д. Г. Яковлев, К. П. Левенфиш, Ю. А. Шибанов Остывание нейтронных звёзд и сверхтекучесть в их ядрах (рус.) // УФН. — 1999. — Т. 169, № 8. — С. 825–868. — DOI:10.3367/UFNr.0169.199908a.0825.
- А. Ю. Потехин. Физика нейтронных звёзд (рус.) // УФН. — 2010. — Т. 180. — С. 1279—1304.
- Коккедэ Я. Теория кварков. — М.: Мир, 1971. — С. 27. — 341 с.
- Попов С. Б. Суперобъекты. Звёзды размером с город. — М.: Литагент «Альпина», 2016.
Ссылки
org-wikipediya.ru
"Сверхтяжелая" нейтронная звезда отрицает теорию "свободных" кварков
Ученые обнаружили рекордно тяжелую нейтронную звезду, масса которой в два раза превышает массу Солнца, что заставит их пересмотреть ряд теорий, в частности, теории, согласно которой внутри сверхплотного вещества нейтронных звезд могут присутствовать "свободные" кварки.
МОСКВА, 28 авг - РИА Новости. Ученые обнаружили рекордно тяжелую нейтронную звезду, масса которой в два раза превышает массу Солнца, что заставит их пересмотреть ряд теорий, в частности, теории, согласно которой внутри сверхплотного вещества нейтронных звезд могут присутствовать "свободные" кварки, говорится в статье, опубликованной в четверг в журнале Nature.
Нейтронная звезда представляет собой "труп" звезды, оставшийся после вспышки сверхновой. Ее размер не превышает размеров небольшого города, однако вещество по плотности в 10-15 раз выше плотности атомного ядра - "щепотка" вещества нейтронной звезды весит более 500 миллионов тонн.
Гравитация "вдавливает" электроны в протоны, превращая их в нейтроны, почему нейтронные звезды и получили такое название. До последнего времени ученые полагали, что масса нейтронной звезды не может превысить две солнечных, поскольку иначе гравитация "схлопнет" звезду в черную дыру. Состояние недр нейтронных звезд во многом является загадкой. Например, обсуждается присутствие "свободных" кварков и таких элементарных частиц, как K-мезоны и гипероны в центральных областях нейтронной звезды.
Авторы исследования, группа американских ученых во главе с Полом Деморестом (Paul Demorest) из Национальной радиообсерватории, изучали двойную звезду J1614-2230 в трех тысячах световых лет от Земли, один из компонентов которой является нейтронной звездой, а второй белым карликом.
При этом нейтронная звезда представляет собой пульсар, то есть звезду, испускающую узконаправленные потоки радиоизлучения, в результате вращения звезды поток излучения можно уловить с поверхности Земли с помощью радиотелескопов через разные промежутки времени.
Белый карлик и нейтронная звезда вращаются друг относительно друга. Однако на скорость прохождения радиосигнала от центра нейтронной звезды влияет гравитация белого карлика, она "тормозит" его. Ученые, измеряя на Земле время прихода радиосигналов, могут с высокой точностью установить массу объекта, "ответственного" за задержку сигнала.
"Нам очень повезло с этой системой. Быстровращающийся пульсар дает нам сигнал, приходящий с орбиты, которая прекрасно расположена. Более того, наш белый карлик довольно крупный для звезд подобного типа. Эта уникальная комбинация позволяет использовать эффект Шапиро (гравитационную задержку сигнала) в полной мере и упрощает измерения", - говорит один из авторов статьи Скотт Ренсом (Scott Ransom).
Двойная система J1614-2230 расположена таким образом, что наблюдать ее можно почти "с ребра", то есть в плоскости орбиты. Это облегчает точное измерение масс, входящих в нее звезд.
В результате масса пульсара оказалась равна 1,97 солнечной массы, что стало рекордом для нейтронных звезд.
"Эти измерения массы говорят нам, что если кварки вообще есть в ядре нейтронной звезды, они не могут быть "свободными", а, скорее всего, должны взаимодействовать друг с другом гораздо сильнее, чем в "обычных" атомных ядрах", - поясняет руководитель группы астрофизиков, занимающихся этим вопросом, Ферьял Озел (Feryal Ozel) из университета штата Аризона.
"Меня удивляет, что такой простой факт, как масса нейтронной звезды, может сказать так много в различных областях физики и астрономии", - говорит Ренсом.
Астрофизик Сергей Попов из Государственного астрономического института имени Штернберга отмечает, что изучение нейтронных звезд может дать важнейшую информацию о строении материи.
"В земных лабораториях нельзя изучать вещество при плотности намного больше ядерной. А это очень важно для понимания того, как устроен мир. К счастью, такое плотное вещество есть в недрах нейтронных звезд. Для определения свойств этого вещества очень важно узнать, какую предельную массу может иметь нейтронная звезда и не превратиться в черную дыру", - сказал Попов РИА Новости.
ria.ru
Теперь мы можем предсказать, когда нейтронная звезда родит черную дыру (3 фото)
Нейтронная звезда — это одна из самых мощных, загадочных и, если честно, страшных вещей во Вселенной. Состоящая из нейтронов чуть менее, чем полностью, без чистого электрического заряда, она является заключительным этапом в жизненном цикле гигантской звезды, рожденной в огненных взрывах сверхновых. Они также представляют собой одни из самых плотных объектов во Вселенной, что зачастую приводит к тому, что они становятся черными дырами.
Некоторое время астрономы не понимали этот процесс, не зная, где или даже когда нейтронная звезда может пройти эту окончательную трансформацию. Но благодаря недавнему исследованию, проведенному группой ученых из Университета Гете во Франкфурте, Германия, теперь может стать возможным определение абсолютной максимальной массы, которая нужна нейтронной дыре для коллапса с последующим рождением черной дыры.
Как и все остальное, связанное с нейтронными дырами, процесс, который превращает их в черные дыры, совершенно непонятен для астрономов и часто вызывает восхищение пополам с недоумением. Масса самых плотных объектов во Вселенной не может расти неограниченно — любое увеличение массы должно приводить к увеличению плотности.
Как правило, этот процесс приводит к тому, что нейтронная звезда достигает нового состояния равновесия, либо к тому, что невращающаяся нейтронная звезда начинает вращаться. Последний эффект позволяет ей оставаться стабильной дольше, так как дополнительная центробежная сила помогает сбалансировать интенсивную гравитационную работу в недрах звезды.
Но даже этот процесс не может длиться вечно. Профессор Лучано Рецолла из Университета Гете говорит следующее:
«Если звезда не вращается, эту [предельную] массу несложно рассчитать, и называется она максимальной невращающейся массой, или M_TOV. Но это не самая большая возможная масса, поскольку если звезда вращается, она может выдержать большую массу, чем невращающаяся звезда. Впрочем, даже в этом случае есть ограничение в виде ограниченной массы, которую может иметь звезда при вращении, прежде чем будет разорвана центробежной силой. Следовательно, абсолютная и самая большая масса, которую может набрать нейтронная звезда, известна как «максимальная масса максимально вращающейся конфигурации», или M_max. Это самая большая возможная масса самой быстро вращающейся модели. Представьте, что вы создали такую модель: если вы добавите к ней один атом, она коллапсирует в черную дыру, а если раскрутите чуть больше, то разорвется на части».
По мере того как нейтронные звезды накапливают массу, скорость их вращения увеличивается; и здесь тоже есть предел. Рано или поздно нейтронная звезда достигнет максимальной массы и неизбежно коллапсирует в черную дыру. К сожалению, в прошлом астрономы не могли определить значение этой предельной массы.
Причина этому в том, что такая максимальная величина зависит от уравнения состояния вещества, составляющего звезду. Это уравнение описывает термодинамическое состояние вещества при заданном наборе физических условий — температуры, давления, объема или внутренней энергии. И хотя астрономы убедились с определенной долей вероятности, какой должна быть максимальная масса невращающейся звезды, они не смогли рассчитать максимальную массу для звезд, которые вращаются.
Короче говоря, они не смогли определить, какая масса необходима вращающейся нейтронной звезде, чтобы превзойти максимальную скорость вращения и сформировать новую черную дыру.
«Отчего в прошлом было сложно рассчитать M_max, — объясняет Рецолла, — так это оттого, что ее значение отличалось в зависимости от того, что составляет нейтронную звезду, а этого мы действительно не знаем. Вещество нейтронной звезды настолько отличается от того, что мы знаем, что мы можем лишь предполагать; к сожалению, предположений тоже очень много. Так что получались разные значения».
Но в своем исследовании под названием «Максимальная масса, момент инерции и компактность релятивистских звезд», которое появилось в ежемесячных заметках Королевского астрономического общества, Рецолла и Козима Брю из Университета Гете утверждают, что теперь стало возможным вывести максимальную массу быстро вращающейся звезды.
В своем исследовании Рецолла и Брю опирались на недавнюю работу астрономов, которые показали, что можно выразить свойства звездных равновесных конфигураций, которые не зависят от конкретного уравнения состояния их массы. Короче говоря, эти исследования показали, что могут быть «универсальные уравнения», если говорить о равновесии звезд.
В результате они смогли показать, что можно предсказать максимальную массу быстро вращающейся нейтронной звезды, просто принимая во внимание максимальную массу нейтронной звезды в соответствующей невращающейся конфигурации. Однако даже с учетом доступных данных, отмечает Рецолла, нужен был свежий взгляд:
«Универсальные отношения просто утверждают, что объекты, которые очевидно отличаются, имеют много общего. К примеру, хотя мы отличаемся от других млекопитающих, скажем, свиней, наш геном имеет огромное количество общих черт, потому что мы синтезируем те же белки, дышим тем же воздухом и так далее. И значит, если мы поймем, как работает гемоглобин у одних млекопитающих, это можно применить к намного большему их числу. В случае с нейтронными звездами все указывает на то, что применимо универсальное отношение между M_max и M_TOV. Если точно, мы выяснили, что M_max = 1,203 +- 0,022 M_TOV».
Выводы ученых, вероятно, будут иметь интересные последствия для будущих астрономических исследований. Для начала знание максимальной массы нейтронной звезды будет полезно для анализа сигналов гравитационных волн, произведенных нейтронными звездами, что позволит астрономам извлекать информацию из этого уравнения состояния до того, как объект коллапсирует в черную дыру.
Кроме того, это будет полезно для определения момента инерции нейтронных звезд, то есть для выяснения массы, необходимой для начала вращения звезды. Ученые смогут с большей точностью знать, когда нейтронная звезда начинает вращаться, и с большей точностью прогнозировать, останется ли она вращаться или коллапсирует в черную дыру. Прогнозировать место появления черных дыр — весьма полезная затея. Можно считать это еще одним шагом к пониманию того, как работает наша загадочная и грандиозная Вселенная.
Другие статьи:
nlo-mir.ru
Обнаружена нейтронная звезда рекордной массы — Naked Science
Крупные звезды массой от 10 до 30 масс Солнца погибают во взрывах сверхновых, а их внутренние слои образуют нейтронные звезды. Эти сверхплотные объекты имеют массу, сравнимую с массой Солнца, но их размеры — порядка пары десятков километров.
Рекорд массы для них до сих пор держался на уровне двух масс Солнца, однако новые исследования пульсара PSR J2215+5135 показали, что в состав этой системы входит нейтронная звезда в 2,4 солнечной массы. Отчет о его изучении испанские астрономы представили в статье, опубликованной в The Astrophysical Journal.
Сверхплотно «упакованные» вещества и энергия придают нейтронным звездам целый ряд удивительных свойств. Однако столь массивные среди них — большая редкость: из более чем 2000 известных на сегодня нейтронных звезд лишь несколько штук тяжелее двух Солнц. Они фактически находятся на границе с черными дырами — и позволяют изучать фундаментальные вопросы астрономии и физики частиц.
Открытый недавно пульсар PSR J2215+5135 включает быстровращающуюся нейтронную звезду и средних размеров звезду главной последовательности. Чтобы измерить их массу, испанские ученые провели параллельные наблюдения сразу четырьмя наземными телескопами, включая крупнейший оптический и ИК-инструмент Gran Telescopio Canarias.
Это позволило оценить влияние малого компаньона на общее излучение пульсара и измерить скорость его вращения и даже разницу температур между его полушариями: обращенная к нейтронной звезде «дневная» сторона оказалась нагрета примерно до 7800 °С, а «ночная» — до 5700 °С.
Наконец, астрономы подсчитали, что компаньоны по PSR J2215+5135 вращаются вокруг общего центра масс на скорости 412 км/с, делая оборот за 0,17 суток. Масса меньшей звезды оценивается всего в 0,33 массы Солнца; зато масса нейтронной звезды — в 2,27 Солнца.
Возможно, эта цифра позволит уточнить величину Предела Оппенгеймера — Волкова, определяющего верхнюю границу массы нейтронной звезды, после которой она коллапсирует в черную дыру. Эта цифра, первоначально установленная в 0,7 массы Солнца, сегодня, по разным данным, оценивается в промежутке от 1,6 до трех солнечных масс.
Стоит заметить, что пульсар B1957+20, по некоторым подсчетам, может содержать нейтронную звезду еще немного более тяжелую, от 1,6 до 2,4 солнечной массы. Возможно, новые исследования позволят уточнить эту цифру и явят нам нового рекордсмена.
naked-science.ru
