Нейтронные звёзды

Нейтронные звёзды

 

 

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 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 радио - излучения, 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 вес-

 

точками 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 три 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 радио обсерваторий начали поступать сообщения об обнаружении  пульсаров. После открытия пульсара в Крабовидной Туманности, возникшей  из-за взрыва сверхновой звезды. В1054 году эта звезда была видна днем, (о  чем упоминают в своих летописях  китайцы, арабы и североамериканцы), 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.

 

 

ФИЗИКА ПУЛЬСАРА

 

Пульсар – это огромный намагниченный  волчок, крутящейся во круг оси не совпадающей  с осью магнита. Если бы на него не падало и он ни чего 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 создаёт огромное по напряжённости электрическое  поле, способное разгонять протоны  и электроны почти до световых скоростей. Причём все эти заряженные частицы, носящиеся во круг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального  магнитного поля. И только в пределах не большого телесного угла около  магнитной оси они могут вырваться  на волю (нейтронные звёзды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими (10-10, 10-14) десять в десятой,  десять в четырнадцатой степени  ГАУСС,  к примеру, земное магнитное  поле составляет один(1) ГАУСС, солнечное  десять, пятьдесят (10-50) ГАУСС.) Именно эти  потоки заряженных частиц и являются источником того радиоизлучения, по которому, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся в дальнейшем нейтронными  звёздами. Поскольку магнитная ось  нейтронной звезды не совпадает с  осью её вращения,  то при вращении звезды поток радио волн распространяется в космосе подобно лучу проблескового  маячка – лишь на миг прорезая окружающую мглу.

 

 

ВСЕСИЛЬНАЯ ГРАВИТАЦИЯ

 

 

Согласно современной теории эволюции массивные звезды заканчивают свою жизнь колоссальным взрывом, превращающим большую их часть в расширяющуюся  газовую 

 

туманность. 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 супер ядра 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  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 десять раз плотнее обычной  воды. Это огромное различие вполне объяснимо - ведь атомы состоят в  основном из пустого пространства, в котором вокруг крошечного, но тяжёлого 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 температура падают, образуя  твердую корку толщиной около  километра. Как полагают, состоит  она в основном из ядер железа.

 

 

ОТКРЫТЫЙ ВОПРОС

 

 

Хотя нейтронные звезды интенсивно изучаются уже около трех десятилетий, их внутренняя структура доподлинно не - известна. 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 распадается на кварки - строительные блоки протонов и нейтронов.

 

Согласно современной квантовой  хромо динамике 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 гравитационном красном  смещении.

 

 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.

 

 

СУДОРОГИ ГИГАНТОВ

 

 

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  радио пульсара 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  три года подвергается большим «нарушениям», и это делает его очень интересным объектом для изучения подобных явлений.

 

 

МАГНЕТАРЫ

 

 

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  «звездо - трясениями» - 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

 

звёзд, похоже, подтверждают теорию о  том, что нерегулярные мощные всплески гамма- и рентгеновского излучений  вызваны «звездо – трясениями». 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 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, что- бы успело возникнуть нужное поле.

 

Магнитное поле вращающегося электропроводящего шара бывает неустойчивым, и 

 

резкая перестройка его структуры  может сопровождаться 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 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.

 

 

БЕСПОКОЙНОЕ СОСЕДСТВО

 

 

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.