Нейтронные звезды — это одни из самых экзотических объектов во Вселенной. Они рождаются во время взрывов сверхновых и могут проявлять себя многими интересными способами, в том числе и превращаясь в черные дыры. Кроме того, они обладают невероятными свойствами, о которых люди обычно мало что знают.
Как образуются нейтронные звезды?
Нейтронным звездам не повезло с пиаром. В то время как черные дыры у всех на слуху, об их близких родственниках люди в основном знают то, что они существуют и имеют чрезвычайно высокую плотность. Однако на самом деле этим интересные факты о них не ограничиваются. Чтобы понять все, что касается этих экзотических объектов, надо начать с их образования.
Когда звезда с массой, превышающей солнечную по крайней мере в 8-10 раз, завершает свое существование, то она находится на стадии очень массивного красного гиганта или сверхгиганта. Термоядерные реакции внутри нее приводят к преобразованию сначала водорода, а затем и гелия в более тяжелые элементы.
Однако чем дальше в периодической таблице находится элемент, тем меньше энергия, выделяемая при его термоядерном синтезе. Плазма звезды разогревается все меньше и давление газа начинает уступать силам гравитации. Ядро светила, состоящее из все более тяжелых атомов, начинает сжиматься.
В какой-то момент внутри синтезируется железо — элемент, ядра которого имеют самую высокую энергию связи и синтез которых не выделяет энергию, а поглощает ее. Именно тогда термоядерные реакции прекращаются и гигантская звезда взрывается как сверхновая. Большая часть ее массы выбрасывается в виде ударной волны, газа, насыщенного тяжелыми элементами. Это вещество образует холодные протопланетные облака, в которых затем рождается новое поколение звезд и планет.
Однако ядро мертвого светила остается неповрежденным. И его дальнейшая судьба зависит от массы. Если она превышает предел Толлмана-Оппенгеймера-Волкова, который сейчас оценивается в чуть более чем две массы Солнца, то этот объект продолжит сжиматься дальше, пока не превратится в черную дыру. В противном же случае он станет нейтронной звездой.
Из чего состоит нейтронная звезда?
Сейчас в нашей галактике открыто около 3200 черных дыр. Все они весят от 1,1 до 2,14 массы Солнца, то есть примерно одного размера. Причины этого заключаются в их внутреннем строении. Когда звезда только готовится стать сверхновой, температура в ее ядре может достичь невероятных 9 млрд градусов по Кельвину. В этих условиях ядра железа начинают разрушаться, а затем протоны и электроны начинают сливаться, образуя нейтроны.
Ядро звезды превращается в плотную упаковку этих частиц с плотностью .4х1017 кг/м3. Для дальнейшего сжатия надо их разрушить и для этого нужны чрезвычайно большие силы гравитации. Собственно, условия, когда нейтронное ядро уже может образоваться, но гравитационные силы еще не способны его разрушить, и определяют указанный выше диапазон масс.
При этом нейтронные звезды — совсем небольшие объекты. Их диаметр составляет около 10-12 км. И они не полностью состоят из нейтронов. Снаружи, как предполагается, они имеют железную кору толщиной около 1 км.
Еще одной особенностью образования нейтронных звезд является то, что именно этот крошечный по сравнению с начальным светилом объект получает большую часть его углового момента и массы. Это приводит к невероятно высоким скоростям вращения нейтронной звезды и возникновению мощных магнитных полей.
Свойства нейтронных звезд
Именно о магнитных полях в первую очередь вспоминают, когда речь идет о нейтронных звездах. Их размеры действительно впечатляют. Они составляют от 10 тыс. до 100 млрд тесла (Т). Для сравнения, магнитного поля напряженностью всего в 16 Т в земных лабораториях достаточно для того, чтобы заставить летать лягушку.
Второй особенностью нейтронных звезд, которую часто упоминают, является их невероятная плотность. Всего одна чайная ложка нейтрония из их глубин весила бы в 900 раз больше, чем Большая пирамида в Гизе.
Еще одной особенностью нейтронных звезд, которую не так часто упоминают, является то, что они чрезвычайно горячие. В момент образования температура их поверхности может достигать триллиона кельвинов (К). Правда, в течение нескольких лет эта температура достаточно быстро снижается до 1 000 000 К, но затем этот процесс замедляется. Поэтому в течение миллиардов лет своего существования нейтронные звезды остаются одними из самых горячих объектов во Вселенной.
Высокая температура поверхности нейтронных звезд приводит к тому, что пик их излучения приходится на рентгеновский диапазон. Вследствие этого в обычные телескопы увидеть их практически невозможно.
Следующей особенностью нейтронных звезд является их мощное гравитационное поле. Сила притяжения возле них сильно уступает таковой у черных дыр, однако она достаточно сильна для того, чтобы разорвать на куски любой материальный объект, который приблизится к ним ближе, чем на несколько километров.
Но если бы мы уцелели при этом и совершили посадку на поверхность нейтронной звезды, то столкнулись бы с еще одним следствием высокой плотности — эффектом замедления времени. За каждые 8 лет на поверхности этого объекта на Земле проходило бы десятилетие.
Одиночные нейтронные звезды
Нейтронные звезды могут порождать чрезвычайно широкий спектр явлений в зависимости от того, в каких условиях они находятся. Самый простой случай происходит тогда, когда этот объект оказывается в одиночестве и ни с чем вокруг не реагирует. В таком случае он становится почти столь же малозаметным, как черная дыра.
С расстояния, превышающего несколько световых лет, он виден почти исключительно в рентгеновском диапазоне. Вполне возможно, что абсолютное большинство нейтронных звезд во Млечном Пути относятся к этому типу, но мы их просто не видим.
Разновидностью одинокой нейтронной звезды является компактный центральный объект внутри остатка сверхновой. Его так же можно увидеть, только в рентгеновском диапазоне, однако сама туманность, возникшая на месте взрыва звезды, хорошо видна даже в видимой части спектра. Поэтому найти их относительно несложно.
Другим случаем одинокой нейтронной звезды является магнетар. Эти объекты по массе и радиусу ничем не отличаются от остальных, однако имеют магнитные поля, мощнее 109 Т. В таких условиях любая частица, расположенная вблизи них, получает огромную энергию и излучается в гамма-диапазоне.
Пульсары
Магнитное поле нейтронных звезд имеет дипольную природу, то есть у него есть полюса. И именно там происходят самые интересные процессы. Рождаются высокоэнергетические фотоны, которые взаимодействуют с частицами в магнитных полях и порождают сильное излучение в радиодиапазоне.
Когда оси вращения нейтронной звезды и ее магнитного поля собираются, этот поток все время указывает в одну и ту же точку, и стороннему наблюдателю очень трудно его заметить. Однако иногда между ними есть угол. Тогда луч радиоизлучения начинает описывать круги, и его становится видно значительно большему числу наблюдателей.
Поскольку скорость вращения нейтронных звезд чрезвычайно высокая, то за секунду луч успевает вернуться к наблюдателю десятки, а то и сотни раз. Возникает эффект сигнала, повторяющегося с чрезвычайно четкой периодичностью.
Такие объекты мы называем пульсарами. Именно к ним относилась первая нейтронная звезда, которую ученые открыли в 1967 году. Тогда они сначала решили, что это инопланетяне сигналят нам таким образом, однако впоследствии обнаружили истинную природу объекта.
Смещенные относительно оси вращения магнитные полюса могут быть и у магнетара. В таком случае он называется аномальным рентгеновским пульсаром. Для земного наблюдателя такая нейтронная звезда выглядит как источник высокочастотных импульсов, которые повторяются с периодичностью от 2 до 12 секунд, причем период остается неизменным.
Двойные рентгеновские звезды
Если нейтронная звезда является частью тесной двойной системы, то с ней происходят куда более интересные вещи. Подобных объектов есть несколько типов, в зависимости от того, какая звезда образует с ядром мертвой звезды пару. Это может быть любое светило — от белого карлика до сверхгиганта.
Однако общая картина во всех случаях примерно одинакова. Нейтронная звезда оттягивает на себя часть внешних слоев компаньона, и этот газ формирует вокруг нее аккреционный диск. Постепенно он падает на ее поверхность, что и вызывает усиление рентгеновского излучения.
Такие системы являются разновидностью рентгеновских двойных звезд. Другим типом являются пары, в которых компаньоном обычного светила является черная дыра. Ученые очень заинтересованы в изучении подобных систем, ведь они являются естественными лабораториями, в которых проявляются особенности эволюции различных космических объектов.
Особым случаем двойной рентгеновской системы является миллисекундный пульсар. Он образуется тогда, когда входящая в пару нейтронная звезда имеет смещенные относительно оси вращения полюса магнитного поля. В начале своего существования она ведет себя так же, как любой другой пульсар, с тем лишь отличием, что его луч, кроме радиодиапазона, заметен еще и в рентгеновском.
Однако со временем падения на поверхность материала с соседней звезды приводят к вращению. Импульсы становятся все чаще и чаще, пока их период не уменьшается до тысячных долей секунды. Такая высокая скорость вращения и точная периодичность очень интересуют ученых.
Ведь миллисекундные пульсары можно использовать как детекторы гравитационных волн. Когда одна из них, являющаяся искривлением пространства, проходит сквозь такой объект, то его периодичность сбивается как будто без всяких причин. Таким образом можно зарегистрировать даже те явления, которые слишком слабы для самых точных наземных обсерваторий.
Звездотрясения и транзиентные события на нейтронных звездах
Однако чудеса, связанные с нейтронными звездами, не заканчиваются. Например, время от времени эти объекты скачкообразно увеличивают скорость своего вращения на небольшую величину. Считается, что это связано с процессами, которые происходят внутри них.
Что они собой представляют, ученые до сих пор не уверены, ведь о внутреннем строении этих объектов мы практически ничего не знаем. Однако наиболее популярная теория говорит о том, что обычно нейтронное ядро этих объектов находится в сверхтекучем состоянии. Поэтому между ним и внешней железной корой нет трения.
Однако время от времени такое положение вещей нарушается и кора сминается. Возникает явление, подобное звездотрясениям, которые часто наблюдаются на звездах из-за колебаний магнитного поля. В этом случае радиус нейтронной звезды меняется и скорость вращения возрастает.
Кроме изменений скорости вращения, с нейтронными звездами иногда происходят и значительно более драматичные события. Астрономам известно немало событий на небе, которые длятся считанные секунды, часы или месяцы. Их называют транзиентами и некоторые из них могут быть связаны с нейтронными звездами. Примером здесь могут быть быстрые радиовсплески — очень мощные радиоимпульсы, которые длятся всего несколько миллисекунд и приходят к нам как бы ниоткуда. Наиболее вероятным их источником являются некоторые процессы, происходящие на магнетарах или, возможно, пульсарах.
Другим примером связанного с нейтронными звездами транзиента является вспышка килоновой. Это происходит, когда две нейтронные звезды или нейтронная звезда и черная дыра сливаются вместе. В этом случае происходит не только вспышка излучения во всех спектрах, но и рождение гравитационных волн.
Планеты пульсаров
В дополнение ко всему вышеперечисленному, нейтронные звезды могут иметь планеты. Собственно, три первых мира за пределами Солнечной системы в 1992 году были найдены у пульсара PSR B1257+12.
Учитывая то, что любая нейтронная звезда является остатком сверхновой, возникает интересный вопрос о том, существовали ли такие планеты еще во времена, когда нейтронная звезда была нормальным миром, или образовались уже после взрыва сверхновой из ее остатков; являются остатками звезды-компаньона или вообще мирами-сиротами, которые были захвачены гравитацией пульсара.
На сегодняшний день ученые не исключают ни одной из этих версий для различных известных пульсарных планет. Однако конкретно для планет PSR B1257+12 вероятность того, что они могли пережить вспышку сверхновой, считается очень низкой.
Как далеко от нас находятся нейтронные звезды?
Нейтронные звезды могут пугать и завораживать людей. Однако о них надо знать еще одну важную вещь. Они расположены чрезвычайно далеко от Земли. То, что пульсаров открыто так много, объясняется тем, что мы можем видеть их с огромного расстояния. Например, объект, открытый в 1967 году, находится на расстоянии более 1000, а PSR B1257+12 вместе со своими планетами — в 2300 св. лет от нас.
Магнетары и двойные рентгеновские звезды, которые потенциально могут представлять для нас опасность из-за радиации, находятся еще дальше. А вот изолированные «тихие» нейтронные звезды, наоборот, могут быть ближе. В частности, хорошо известна «великолепная семерка» — группа объектов, расположенных на расстоянии от 400 до 1600 св. лет от нас.
В любом случае встреча с любым из этих объектов нам в ближайшие несколько миллионов лет не грозит. Поэтому и вымирание человечества из-за быстрого радиовсплеска или взрыва килоновой тоже не предвидится.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
