Плотность нейтронной звезды. Что такое нейтронная звезда? Пульсары в порядке убывания скорости вращения

Вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅10 17 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.

Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью вращения, - до нескольких сотен оборотов в секунду. Нейтронные звёзды возникают в результате вспышек сверхновых звёзд .

Общие сведения

Среди нейтронных звёзд с надёжно измеренными массами большинство попадает в интервал от 1,3 до 1,5 масс Солнца , что близко к значению предела Чандрасекара . Теоретически же допустимы нейтронные звёзды с массами от 0,1 до примерно 2,16 солнечных масс. Самые массивные нейтронные звёзды из известных - Vela X-1 (имеет массу не менее 1,88±0,13 солнечных масс на уровне 1σ , что соответствует уровню значимости α≈34 %) , PSR J1614–2230 en (с оценкой массы 1,97±0,04 солнечных) , и PSR J0348+0432 en (с оценкой массы 2,01±0,04 солнечных). Гравитация в нейтронных звёздах уравновешивается давлением вырожденного нейтронного газа , максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера-Волкова , численное значение которого зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды. Существуют теоретические предпосылки к тому, что при ещё большем увеличении плотности возможно перерождение нейтронных звёзд в кварковые .

К 2015 году открыто более 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90 % из них - одиночные. Всего же в нашей Галактике могут существовать 10 8 -10 9 нейтронных звёзд, то есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость движения (как правило, сотни км/с). В результате аккреции вещества облака, нейтронная звезда может быть в этой ситуации видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический, на который приходится около 0,003 % излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине) .

Строение

В нейтронной звезде можно выделить пять слоёв: атмосфера, внешняя кора, внутренняя кора, внешнее ядро и внутреннее ядро.

Атмосфера нейтронной звезды - очень тонкий слой плазмы (от десятков сантиметров у горячих звёзд до миллиметров у холодных), в ней формируется тепловое излучение нейтронной звезды .

Внешняя кора состоит из ионов и электронов, её толщина достигает нескольких сотен метров. Тонкий (не более нескольких метров) приповерхностный слой горячей нейтронной звезды содержит невырожденный электронный газ, более глубокие слои - вырожденный электронный газ, с увеличением глубины он становится релятивистским и ультрарелятивистским .

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

Внешнее ядро состоит из нейтронов с небольшой примесью (несколько процентов) протонов и электронов. У маломассивных нейтронных звёзд внешнее ядро может простираться до центра звезды .

У массивных нейтронных звёзд есть и внутреннее ядро. Его радиус может достигать нескольких километров, плотность в центре ядра может превышать плотность атомных ядер в 10-15 раз. Состав и уравнение состояния внутреннего ядра достоверно неизвестны: существует несколько гипотез, три наиболее вероятные из которых - 1) кварковое ядро, в котором нейтроны разваливаются на составляющие их верхние и нижние кварки; 2) гиперонное ядро из барионов включающих в себя странные кварки; и 3) каонное ядро состоящее из двухкварковых мезонов, включающих в себя странные (анти)кварки. Однако в настоящее время невозможно подтвердить или опровергнуть какую-либо из этих гипотез .

Свободный нейтрон, в обычных условиях, не являясь частью атомного ядра, обычно имеет время жизни около 880 секунд, но гравитационное воздействие нейтронной звезды не позволяет нейтрону распадаться, поэтому нейтронные звёзды являются одними из самых стабильных объектов во Вселенной. [ ]

Остывание нейтронных звёзд

В момент рождения нейтронной звезды (в результате вспышки сверхновой), её температура очень высока - порядка 10 11 K (то есть на 4 порядка выше температуры в центре Солнца), но она очень быстро падает за счёт нейтринного охлаждения . Всего за несколько минут температура падает с 10 11 до 10 9 K, за месяц - до 10 8 K. Затем нейтринная светимость резко снижается (она очень сильно зависит от температуры), и охлаждение происходит гораздо медленнее за счёт фотонного (теплового) излучения поверхности. Температура поверхности известных нейтронных звёзд, у которых её удалось измерить, составляет порядка 10 5 -10 6 K (хотя ядро, видимо, гораздо горячее) .

История открытия

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

Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау . Так, в своей статье «О теории звёзд» , написанной в феврале 1931 года и по неизвестным причинам запоздало опубликованной 29 февраля 1932 года (более чем через год), он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».

«Пропеллер»

Скорость вращения уже недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром . Однако скорость вращения всё ещё велика, и захваченная магнитным полем окружающая нейтронную звезду материя не может упасть, то есть аккреция вещества не происходит. Нейтронные звёзды данного типа практически не имеют наблюдаемых проявлений и изучены плохо.

Аккретор (рентгеновский пульсар)

Скорость вращения снижается настолько, что веществу теперь ничего не препятствует падать на такую нейтронную звезду. Падая, вещество, уже будучи в состоянии плазмы, движется по линиям магнитного поля и ударяется о твёрдую поверхность тела нейтронной звезды в районе её полюсов, разогреваясь до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, ярко светится в рентгеновском диапазоне . Область, в которой происходит столкновение падающего вещества с поверхностью тела нейтронной звезды, очень мала - всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически пропадает из вида, поэтому наблюдаются регулярные пульсации рентген-излучения. Такие объекты и называются рентгеновскими пульсарами .

Георотатор

Скорость вращения таких нейтронных звёзд мала и не препятствует аккреции. Но размеры магнитосферы таковы, что плазма останавливается магнитным полем раньше, чем она будет захвачена гравитацией. Подобный механизм работает в магнитосфере Земли , из-за чего данный тип нейтронных звёзд и получил своё название.

Примечания

1. Дмитрий Трунин. Астрофизики уточнили предельную массу нейтронных звезд (неопр.) . nplus1.ru. Проверено 18 января 2018.
2. H. Quaintrell и др. The mass of the neutron star in Vela X-1 and tidally induced non-radial oscillations in GP Vel // Astronomy and Astrophysics. - апрель 2003. - № 401 . - С. 313-323 . - arXiv :astro-ph/0301243 .
3. P. B. Demorest, T. Pennucci, S. M. Ransom, M. S. E. Roberts & J. W. T. Hessels. A two-solar-mass neutron star measured using Shapiro delay (англ.) // Nature. - 2010. - Vol. 467 . - P. 1081-1083 .

Были предсказаны в начале 30-х гг. XX в. советским физиком Л. Д. Ландау, астрономами В. Бааде и Ф. Цвикки. В 1967 г. были открыты пульсары, которые к 1977 г. были окончательно отождествлены с нейтронными звёздами.

Нейтронные звёзды обра-зовываются в результате взрыва сверхновой на последней стадии эволюции звезды большой массы.

Если масса остатка сверхновой (т. е. то, что остаётся пос-ле сброса оболочки) больше 1,4 M ☉ , но меньше 2,5 M ☉ , то сжатие его продолжается и после взрыва до тех пор, пока плотность не достигнет ядерных значений. Это приведёт к то-му, что электроны будут «вдавлены» в ядра, и образуется ве-щество, состоящее из одних нейтронов. Возникает нейтронная звезда.

Радиусы нейтронных звёзд, как и радиусы белых карли-ков, уменьшаются при увеличении массы. Так, нейтронная звезда массой 1,4 M ☉ (минимальная масса нейтронной звезды) имеет радиус 100—200 км, а при массе 2,5 M ☉ (максималь-ная масса) — всего 10—12 км. Материал с сайта

Схематический разрез нейтрон-ной звезды показан на рисунке 86. Наружные слои звезды (рис. 86, III) состоят из железа, образующего твёрдую ко-ру. На глубине примерно 1 км начинается твёрдая кора из железа с примесью нейтронов (рис. 86), которая перехо-дит в жидкое сверхтекучее и сверхпроводящее ядро (рис. 86, I). При массах, близких к предельным (2,5—2,7 M ☉), в центральных областях нейтронной звезды появля-ются более тяжёлые элементарные частицы (гипероны).

Плотность нейтронной звезды

Плотность вещества в нейтронной звезде сравнима с плот-ностью вещества в атомном ядре: она достигает 10 15 —10 18 кг/м 3 . При таких плотностях самостоятельное существование элек-тронов и протонов невозможно, и вещество звезды состоит практически из одних нейтронов.

Картинки (фото, рисунки)

На этой странице материал по темам:

Она возникает после взрыва Сверхновой.

Это — закат жизни звезды. Её гравитация имеет такую силу, что она сбрасывает электроны с орбит атомов, превращая их в нейтроны.

Когда она теряет поддержку своего внутреннего давления, она схлопывается, и это приводит к взрыву Сверхновой .

Остатки этого тела становятся Нейтронной звездой, масса которой составляет 1,4 от массы Солнца, а радиус почти равен радиусу Манхеттена в США.

Вес кусочка сахара с плотностью нейтронной звезды равен…

Если, к примеру, взять кусочек сахара объёмом 1 см 3 и представить, что он сделан из вещества нейтронной звезды , то его масса составила бы приблизительно около одного миллиарда тонн. Это равняется массе примерно 8-ми тысяч авианосцев. Маленький объект с невероятной плотностью !

Новорождённая нейтронная звезда может похвастаться высокой скоростью вращения. Когда массивная звезда превращается в нейтронную, скорость её вращения изменяется.

Вращающаяся нейтронная звезда — природный электрогенератор. Её вращение создаёт мощное магнитное поле. Эта огромная сила магнетизма захватывает электроны и прочие частицы атомов и отправляет их вглубь Вселенной на громадной скорости. Высокоскоростные частицы имеют свойство излучать радиацию. Мерцание, которое мы наблюдаем у звёзд-пульсаров, и есть излучение этих частиц. Но мы замечаем его только тогда, когда излучение его направлено в нашу сторону.

Вращающаяся нейтронная звезда — это Пульсар, экзотический объект, появившийся, после взрыва Сверхновой. Это — закат её жизни.

Плотность нейтронных звёзд распределена по-разному. У них есть кора, отличающаяся невероятной плотностью. Но силы внутри нейтронной звезды способны пробить кору. И когда это происходит, звезда корректирует своё положение, что приводит к изменению её вращения. Это называется: кора треснула. На нейтронной звезде происходит взрыв.

Статьи

Объекты, о которых пойдет речь в статье, были открыты случайно, хотя ученые Ландау Л. Д. и Оппенгеймер Р. предсказали их существование еще в 1930 году. Речь идет о нейтронных звездах. О характеристиках и особенностях этих космических светил и пойдет речь в статье.

Нейтрон и одноименная звезда

После предсказания в 30-х годах XX столетия о существовании нейтронных звезд и после того, как был открыт нейтрон (1932 г.), Бааде В. вместе с Цвики Ф. в 1933 году на съезде физиков в Америке заявили о возможности образования объекта под названием нейтронная звезда. Это космическое тело, возникающее в процессе взрыва сверхновых.

Однако все выкладки были только теоретическими, так как доказать на практике такую теорию не представлялось возможным из-за отсутствия соответствующего астрономического оборудования и слишком малых размеров нейтронной звезды. Но в 1960 году стала развиваться рентгеновская астрономия. Тогда, совершенно неожиданно, нейтронные звезды были открыты благодаря радионаблюдениям.

Открытие

1967 год стал знаменательным в этой области. Белл Д., будучи аспиранткой Хьюиша Э., смогла открыть космический объект - нейтронную звезду. Это испускающее постоянное излучение радиоволновых импульсов тело. Феномен сравнили с космическим радиомаяком из-за узкой направленности радиолуча, который исходил от вращающегося очень быстро объекта. Дело в том, что любая другая стандартная звезда не смогла бы сохранить свою целостность при такой высокой вращательной скорости. На это способны только нейтронные звёзды, среди которых первой открытой стал пульсар PSR B1919+21.

Судьба массивных звезд очень отличается от маленьких. В таких светилах наступает момент, когда давление газа уже не уравновешивает гравитационные силы. Такие процессы приводят к тому, что звезда начинает неограниченно сжиматься (коллапсировать). При массе звезды, превышающей солнечную в 1,5-2 раза, коллапс будет неизбежным. В процессе сжатия газ внутри звездного ядра нагревается. Поначалу все происходит очень медленно.

Коллапс

Достигая определенной температуры, протон способен превратится в нейтрино, которые сразу покидают звезду, унося с собой энергию. Коллапс будет усиливаться, пока все протоны не перейдут в нейтрино. Таким образом образуется пульсар, или нейтронная звезда. Это коллапсирующее ядро.

Внешняя оболочка при образовании пульсара получает энергию сжатия, которая после будет со скоростью не в одну тысячу км/сек. выброшена в пространство. При этом образуется ударная волна, способная привести к новому звездообразованию. У такой в миллиарды раз превысит первоначальную. После такого процесса, в течение времени от одной недели до месяца, звезда излучает свет в количестве, превышающем целую галактику. Такое небесное светило называют сверхновой звездой. Ее взрыв приводит к образованию туманности. В центре туманности находится пульсар, или нейтронная звезда. Это так называемый потомок звезды, которая взорвалась.

Визуализация

В глубинах всего пространства космоса происходят удивительные события, среди которых - столкновение звезд. Благодаря сложнейшей математической модели ученым НАСА удалось визуализировать буйство огромного количества энергии и вырождение материи, задействованной в этом. Перед глазами наблюдателей разыгрывается невероятно мощная картина космического катаклизма. Вероятность того, что произойдет столкновение нейтронных звезд, - очень велика. Встреча двух таких светил в пространстве начинается с их запутывания в гравитационных полях. Обладая огромной массой, они, так сказать, обмениваются объятиями. При столкновении происходит сильнейший взрыв, сопровождающийся невероятно мощным выбросом гамма-излучения.

Если рассматривать нейтронную звезду отдельно, то это остатки после взрыва сверхновой, у которой жизненный цикл заканчивается. Масса доживающей свой век звезды превышает солнечную в 8-30 раз. Вселенная часто озаряется взрывами сверхновых светил. Вероятность того, что нейтронные светила встретятся во вселенной, достаточно высока.

Встреча

Интересно, что при встрече двух звезд развитие событий нельзя предвидеть однозначно. Один из вариантов описывает математическая модель, предложенная учеными НАСА из Центра космических полетов. Процесс начинается с того, что две нейтронные звезды располагаются друг от друга в космическом пространстве на расстоянии, приблизительно равном 18 км. По космическим меркам нейтронные звезды с массой в 1,5-1,7 раз больше солнечной считаются крошечными объектами. Их диаметр колеблется в пределах 20 км. Благодаря такому несоответствию объема и массы нейтронная звезда является обладательницей сильнейшего гравитационного и магнитного поля. Только представьте себе: чайная ложка материи нейтронного светила весит как вся гора Эверест!

Вырождение

Невероятно высокие гравитационные волны нейтронной звезды, действующие вокруг нее, являются причиной того, что материя не может находиться в виде отдельных атомов, которые начинают разрушаться. Сама же материя переходит в вырожденную нейтронную, в которой строение самих нейтронов не даст возможности перейти звезде в сингулярность и затем - в черную дыру. Если же масса вырожденной материи начнет увеличиваться по причине добавления к ней, то гравитационные силы будут в состоянии преодолеть сопротивление нейтронов. Тогда ничто не будет препятствовать разрушению структуры, образовавшейся в результате столкновения нейтронных звездных объектов.

Математическая модель

Изучая эти небесные объекты, ученые пришли к выводу, что плотность нейтронной звезды сравнима с плотностью вещества в ядре атома. Ее показатели находятся в рамках от 1015 кг/м³ до 1018 кг/м³. Таким образом, самостоятельное существование электронов и протонов невозможно. Вещество звезды практически состоит из одних нейтронов.

Созданная математическая модель демонстрирует, как мощные периодические гравитационные взаимодействия, возникающие между двумя нейтронными звездами, прорывают тонкую оболочку двух звезд и выбрасывают в пространство, окружающее их, огромное количество излучения (энергии и материи). Процесс сближения происходит очень быстро, буквально за доли секунды. В результате столкновения образуется тороидальное кольцо материи с новорожденной черной дырой в центре.

Важное значение

Моделирование таких событий имеет важное значение. Благодаря им ученые смогли понять, как образуются нейтронная звезда и черная дыра, что происходит при столкновении светил, каким образом зарождаются и умирают сверхновые и многие другие процессы космического пространства. Все эти события являются источником появления самых тяжелых химических элементов во Вселенной, еще более тяжелых, чем железо, неспособных образоваться иным путем. Это говорит об очень важном значении нейтронных звезд во всей Вселенной.

Вращение небесного объекта огромного объема вокруг своей оси поражает. Такой процесс вызывает коллапс, но при всем этом масса нейтронной звезды практически остается прежней. Если представить себе, что звезда будет продолжать сжиматься, то, согласно закону сохранения момента вращения, угловая скорость вращения звезды увеличится до невероятных значений. Если для полного оборота звезде нужно было примерно 10 суток, то в результате она будет проделывать тот же оборот за 10 миллисекунд! Это невероятные процессы!

Развитие коллапса

Ученые занимаются исследованием таких процессов. Возможно, мы станем свидетелями новых открытий, которые пока для нас кажутся фантастикой! Но что может быть, если представить себе развитие коллапса дальше? Чтобы легче было представить, возьмем для сравнения пару нейтронная звезда/земля и их гравитационные радиусы. Так вот, при непрерывном сжатии звезда может дойти до такого состояния, когда нейтроны начнут превращаться в гипероны. Радиус небесного тела станет настолько маленьким, что перед нами окажется комок сверхпланетного тела с массой и полем тяготения звезды. Это можно сравнить с тем, как если бы земля стала по размерам равной мячику для пинг-понга, а гравитационный радиус нашего светила, Солнца, был бы равен 1 км.

Если представить, что маленький комок звездного вещества обладает притяжением огромной звезды, то он способен удержать возле себя целую планетарную систему. Но и плотность у такого небесного тела слишком высока. Через него постепенно перестают пробиваться лучи света, тело как бы потухает, оно перестает быть видимым для глаза. Не меняется лишь поле тяготения, которое предупреждает о том, что здесь находится гравитационная дыра.

Открытия и наблюдения

Впервые от слияния нейтронных звезд были зафиксированы совсем недавно: 17 августа. Два года назад было зарегистрировано слияние черных дыр. Это настолько важное событие в области астрофизики, что наблюдения одновременно вели 70 космических обсерваторий. Ученые смогли убедиться в правоте гипотез о гамма-всплесках, удалось наблюдать описанный ранее теоретиками синтез тяжелых элементов.

Такое повсеместное наблюдение за гамма-всплеском, гравитационными волнами и видимым светом дало возможность определить область на небе, в которой произошло знаменательное событие, и галактику, где были эти звезды. Это NGC 4993.

Безусловно, астрономы давно наблюдают за короткими Но до сих пор они не могли точно сказать об их происхождении. За основной теорией была версия слияния нейтронных звезд. Теперь она подтвердилась.

Для описания нейтронной звезды с помощью математического аппарата ученые обращаются к уравнению состояния, связывающему плотность с давлением вещества. Однако таких вариантов целое множество, и ученые просто не знают, какой же из существующих будет правильным. Есть надежда, что гравитационные наблюдения помогут разрешить этот вопрос. На данный момент сигнал не дал однозначного ответа, но уже помогает оценить форму звезды, зависящую от гравитационного притяжения ко второму светилу (звезде).

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.