Нейтронные звезды пульсары реферат

Обновлено: 17.05.2024

Нейтронная звезда — очень быстро вращающееся тело, оставшееся после взрыва сверхновой звезды. При диаметре 20 километров это тело имеет массу сравнимую с солнечной, один грамм нейтронной звезды весил бы в земных условиях более 500 миллионов тонн! Такая огромная плотность возникает от вдавливания электронов в ядра, от чего они объединяются с протонами и образуют нейтроны. По сути, нейтронные звезды по свойствам, включая плотность и состав, очень похожи на атомные ядра. Но есть существенная разница: в ядрах нуклоны притягивает сильное взаимодействие, а в звездах – сила гравитации.

Что из себя представляет

Состав нейтронных звёзд

Состав этих объектов (по понятным причинам) изучен пока только в теории и математических расчетах. Однако, известно уже многое. Как и следует из названия, состоят они преимущественно из плотно упакованных нейтронов.

Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров, но в ней сосредоточено все её тепловое излучение. За атмосферой находится кора, состоящая из плотно упакованных ионов и электронов. В середине находится ядро, состоящее из нейтронов. Ближе к центру достигается максимальная плотность вещества, которая в 15 раз больше ядерной. Нейтронные звезды — самые плотные объекты во вселенной. Если попытаться и далее увеличивать плотность вещества произойдет коллапс в черную дыру, или образуется кварковая звезда.

Магнитное поле

Нейтронные звёзды имеют скорости вращения до 1000 оборотов в секунду. При этом электропроводящие плазма и ядерное вещество вырабатывают магнитные поля гигантских величин.

Для примера — магнитное поле Земли -1 гаусс, нейтронной звезды — 10 000 000 000 000 гаусс. Самое сильное поле, созданное человеком, будет в миллиарды раз слабее.

Типы нейтронных звезд

Пульсары

Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.

Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.

Магнетары

Рентгеновские пульсары.

Они считаются другой фазой жизни магнетара и излучают исключительно в рентгеновском диапазоне. Излучение возникает в результате взрывов, имеющих определённый период.

Некоторые нейтронные звёзды появляются в двойных системах или же приобретают компаньона, захватив его в свое гравитационное поле. Такой компаньон будет отдавать своё вещество агрессивной соседке. Если компаньон нейтронной звезды по массе не меньше Солнца, то возможны интересные явления – барстеры. Это рентгеновские вспышки, продолжительностью в секунды или минуты. Но они способны усилить светимость звезды до 100 тыс. солнечных. Перенесённые с компаньона водород и гелий наслаиваются на поверхности барстера. Когда слой становится очень плотным и горячим, запускается термоядерная реакция. Мощность такого взрыва невероятна: на каждом квадратном сантиметре звезды выделяется мощь, эквивалентная взрыву всего земного ядерного потенциала.

При наличии компаньона-гиганта, вещество теряется им в виде звёздного ветра, а нейтронная звезда втягивает его своей гравитацией. Частицы летят по силовым линиям по направлению к магнитным полюсам. При несовпадении магнитной оси и оси вращения, яркость звезды будет переменной. Получается рентгеновский пульсар.

Миллисекундные пульсары.

Они тоже связаны с двойными системами и обладают самыми короткими периодами (меньше 30 миллисекунд). Вопреки ожиданиям, они оказываются не самыми молодыми, а достаточно старыми. Старая и медленная нейтронная звезда поглощает материю компаньона-гиганта. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается. Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе.

Экзопланеты у нейтронных звезд

Первую экзопланету открыли при исследовании радиопульсара. Так как нейтронные звезды очень стабильны, возможно очень точно отслеживать находящиеся рядом планеты с массами, намного меньшими массы Юпитера.

Очень легко отыскалась планетная система у пульсара PSR 1257+12, удалённого от Солнца на 1000 световых лет. Рядом со звездой три планеты, имеющие массы 0,2, 4,3 и 3,6 масс Земли с периодами обращений в 25, 67 и 98 суток. Позже нашлась ещё одна планета с массой Сатурна и периодом обращения 170 лет. Также известен пульсар с планетой немного массивнее Юпитера.

На самом деле парадоксально, что возле пульсара существуют планеты. Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой, и та теряет основную часть своей массы. Оставшаяся часть уже не обладает достаточной гравитацией для удержания спутников. Вероятно, найденные планеты образовались уже после катаклизма.

Исследования

Ближайший к нам нейтронный сосед расположен в 450 световых годах. Это двойная система – нейтронная звезда и белый карлик, период её пульсации 5,75 миллисекунды.

Вряд ли возможно оказаться рядом с нейтронной звездой и остаться в живых. Можно только фантазировать на эту тему. Да и как представить выходящие за границы разума величины температуры, магнитного поля и давления? Но пульсары ещё помогут нам в освоении межзвёздного пространства. Любое, даже самое дальнее галактическое путешествие, окажется не гибельным, если будут работать стабильные маяки, видимые во всех уголках Вселенной.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

РЕФЕРАТ ПО АСТРОНОМИИ

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-

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.

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).

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.

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.

Но, возможно, у границы внутреннего ядра нейтронной звезды ситуация меняется и кварки вырываются из своего заточения.

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 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.

их недр вырываются мощные потоки протонов, которые, увязая в магнитном поле, испускают гамма - и рентгеновское излучение.

и рентгеновских вспышек была предложена модель магнетара - нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем. Если нейтронная звезда рождается, вращаясь

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

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.

Другое интересное явление, связанное с строчными звездами, имеющими мало-

пассивного 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. Звезда-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

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.

Если эта гипотеза неверна, тогда звезда-компаньон может быть обычной звездой из шарового скопления, случайно захваченной пульсаром.

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.

3 Образование нейтронных звезд При взрыве сверхновой с M ~ 25M остается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M. В звездах с остаточной массой M > 1.4M, не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой. Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы вдавливаются друг в друга и в результате реакции p + e - n + νе после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны. Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает г/см 3. Характерный размер нейтронной звезды км. В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро. Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как в случае белого карлика, но - давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M. Нейтрино, образующиеся в момент коллапса сверхновой, быстро охлаждают нейтронную звезду. Ее температура по оценкам падает с 10 п до 10 9 К за время около 100 с. Дальше темп остывания уменьшается. Однако он высок по космическим масштабам. Уменьшение температуры с 10 9 до 10 8 К происходит за 100 лет и до 10 6 К за миллион лет. Образование нейтронных звезд не всегда является следствием вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм образования нейтронных звезд в ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах. Перетекание вещества звезды-компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого карлика и по достижении критической массы (предела Чандрасекара) белый карлик превращается в нейтронную звезду. В случае, когда перетекание вещества продолжается и после образования нейтронной звезды, её масса может существенно увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в черную дыру. Это соответствует так называемому тихому коллапсу.

4 Строение нейтронных звезд 1. Атмосфера тонкий слой плазмы, в котором формируется спектр теплового электромагнитного излучения. Оно содержит богатую информацию о параметрах звезды( температуре, ускорении силы тяжести и химическом составе её поверхности, о магнитном поле) и, как следствие, о внутреннем строении. Геометрическая толщина атмосферы меняется от десятков сантиметров у горячих нейтронных звезд до нескольких миллиметров у холодных. Совсем холодные звезды могут быть лишены атмосферы и иметь твердую поверхность. 2. Внешняя кора простирается от основания атмосферы до слоя плотностью ρ= ρ d 4, г/см 3 и имеет толщину несколько сотен метров. Её вещество состоит из пионов и электронов. Тонкий ( не более нескольких метров) приповерхностный слой горячей звезды содержит невырожденный электронный газ. Глубже электроны образуют сильно вырожденный, почти идеальный газ, который становится релятивистским при ρ >> 10 6 г/см 3. При ρ 10 4 г/см 3 атомы полностью ионизируются давлением давлением электронов, превращаясь, по сути дела, в атомные ядра. С ростом ρ энергия Ферми электронов растет, ядра испытывают бета-захваты и обогащаются нейтронами.

5 У основания внешней коры (ρ = ρ d ) ядра наинают испускать нейтроны происходит нейтронизация вещества. 3. Толщина внутренней коры может достигать нескольких км. Плотность ρ в коре меняется от ρ d у внешнего края до ~0,5 ρ 0 у внутреннего. Здесь ρ 0 = 2, г/см 3 плотность материи в атомных ядрах. Вещество внутренней коры состоит из электронов свободных нейтронов и нейтронно-избыточных атомных ядер. С ростом ρ доля свободных нейтронов увеличивается. У основания коры атомные ядра могут сливаться в кластеры и приобретать несферическую форму. На границе с ядром нейтронной звезды атомные ядра исчезают. Нейтроны во внутренней коре могут быть сверхтекучими. Начинает действовать новый механизм образования нейтрино, связанный с образование куперовских пар испускание пары нейтрино нуклоном: N N+ νе+ e. В отсутствие свехтекучести реакция невозможна: испускание нейтринной пары свободным нуклоном запрещено законами сохранения энергии и импульса. 4. Внешнему ядру отвечает область с плотностью 0,5ρ 0 ρ 2ρ 0 и толщиной всего несколько км. Вещество ядра состоит из нейтронов с небольшой (несколько процентов по числу частиц) примесью протонов и электронов. Состав вещества определяется условиями электронейтральности плазмы и β- равновесия по отношению к реакциям: p + e - n + νе, n p + e - + e. Электронейтральность требует равенства протонной и электронной концентраций. Все компоненты пре-плазмы сильно вырождены. Электроны образуют почти идеальный релятивистский ферми-газ. Нейтроны и протоны, взаимодействующие посредством ядерных сил, образуют сильно неидеальную нерелятивистскую ферми-жидкость. С ростом плотности фермиевские энергии частиц растут, благодаря чему в веществе могут рождаться новые частицы. Прежде всего появляются мюоны, которые, как и электроны, образуют вырожденный почти идеальный газ. Свойства коры нейтронной звезды описываются достаточно проверенными микроскопическими теориями. Практически все они предсказывают появление сверхтекучести нейтронов и протонов во внешнем ядре. Протонная сверхтекучесть сопровождается сверхпроводимостью и оказывает влияние на эволюцию внутренних магнитных полей нейтронной звезды. Иначе дело обстоит с описанием вещества сверхъядерной плотности. Законченная квантовая теория такого вещества еще не построена.

6 Модели внутреннего ядра В маломассивных нейтронных звездах внешнее ядро простирается до центра звезды. У массивных звезд имеется внутреннее ядро. Его радиус может достигать нескольких км, а центратьная плотность (10-15)ρ 0. Состав и уравнение состояния внутреннего ядра достоверно не известны и составляют основную загадку нейтронных звезд. Существует несколько гипотез; в настоящее время невозможно опровергнуть какую-либо из них. 1. Происходит гиперонизация вещества рождаются Σ- и Λ- гипероны. Относительные концентрации протонов и электронов могут быть столь высоки, что разрешаются мощные реакции излучения нейтрино в β-распаде и е-захвате (урка-процессов). Могут быть разрешены и аналогичные реакции с участием гиперонов. В этих случаях нейтринная светимость звезды усиливается на 5-6 порядков по сравнению со стандартной светимостью её внешнего ядра за счет реакций модифицированного урка-процесса: n + n n + p + e - + e, n + p + e - n + n + νе, n + p p + p + e - + e, p + p + e - n + p + νе. Это существенно ускоряет остывание нейтронной звезды. 2. По второй гипотезе, в плотном веществе образуется пионный конденсат. Он усиливает нейтринную светимость звезды: в его присутствии становятся возможными реакции типа β-распада и е-захвата. 3. В плотном веществе появляется каонный конденсат. Его присутствие также может усилить нейтринную светимость на несколько порядков. 4. В последней модели предполагается, что носители темной материи массивные (масса должна быть на менее 4 ГэВ) слабо взаимодействующие частицы. Они тождественны своим античастицам и способны аннигилировать при столкновениях. Эта самоаннигиляция поставляет энергию для рождения странной кварковой материи. Под действием притяжения нейтронной звезды частицы темной материи аккрецируют на её поверхнось из окружающего пространства, претерпевают однократное или множественное рассеивание на веществе звезды, проникают в центральную зону и там дают начало зародышам странной кварковой материи. Оценка общей мощности энергии, выделяемой при аннигиляции частиц темной материи внутри нейтронной звезды: ГэВ/сек. Этой энергии достаточно, чтобы породить внутри звезды пузыри

7 нейтронной материи, нагретой до температур, при которых делается возможным преодоление конфайнмента. В результате замкнутые внутри нейтронов кварки переходят в квазисвободное состояние и образуют udматерию. При этом они обретают возможность взаимодействовать друг с другом, порождая s-кварки. При этом нейтринная светимость нейтронной звезды, как правило, оказывается значительно выше стандартной благодаря включению прямых урка-процессов с участием кварков.

8 Пульсары Обнаружить нейтронные звезды оптическими методами сложно из-за их малого размера и низкой светимости. В 1967 г. Э. Хьюиш и Дж. Белл (Кембриджский университет) открыли космические источники периодического радиоизлучения пульсары. Периоды повторения радиоимпульсов пульсаров строго постоянны и для большинства пульсаров лежат в интервале от 10-2 до нескольких секунд. Пульсары это вращающиеся нейтронные звезды. Только компактные объекты, имеющие свойства нейтронных звезд, могут сохранять форму, не разрушаясь при таких скоростях вращения. Сохранение углового момента и магнитного поля при коллапсе сверхновой и образовании нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с очень сильным магнитным полем Гс. Магнитное поле вращается вместе с нейтронной звездой, однако ось этого поля не совпадает с осью вращения звезды. При таком вращении радиоизлучение звезды скользит по Земле как луч маяка. Каждый раз, когда луч пересекает Землю и попадает на земного наблюдателя, радиотелескоп фиксирует короткий импульс радиоизлучения. Частота его повторения соответствует периоду вращения нейтронной звезды. Излучение нейтронной звезды возникает за счет того, что заряженные частицы (электроны) с поверхности звезды двигаются вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Таков механизм радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Т. Голдом

9 Если при взрыве сверхновой сохраняется остаток массой М > 3М, то он не может существовать в виде устойчивой нейтронной звезды. Ядерные силы отталкивания на малых ( 10 Заключение В данной работе был рассмотрен механизм образования нейтронных звезд, реакции, которые обеспечивают нейтринную светимость звезды. Было подробно рассмотрено внутреннее строение исследуемого объекта, описаны физические условия, в которых находится вещество каждой области звезды. Особое внимание было уделено теориям строения внутреннего ядра, данная часть звезды меньше всего изучена и представляет наибольший интерес, так как там вещество находится в экстремальном сверхплотном состоянии. Изучение нейтронных звезд. превратилось за последнее десятилетие в одну из самых увлекательных и богатых открытиями областей астрофизики. Большие перспективы в этой области связываются с успехами нейтринной астрономии, методы которой позволяют определить параметры мощного всплеска нейтринного излучения, сопровождающего рождение звезд в нашей Галактике. Тем самым появляется принципиальная возможность проследить в деталях за самим процессом образования нейтронной звезды.

11 Литература 1. Д.Г. Яковлев, К.П. Левенфиш, Ю.А. Шибанов. Остывание нейтронных звезд и сверхтекучесть в их ядрах. Т , УФН Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин. Частицы и атомные ядра. М.: Издательство ЛКИ, С.Л. Шапиро, С.А. Тьюколски. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. Т. 2 М.: Мир,

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

РЕФЕРАТ ПО АСТРОНОМИИ

ТЕМА РЕФЕРАТА:

Нейтронные звёзды

ФИЗИКА ПУЛЬСАРА

Пульсары представляют собою сферические компактные объекты, размеры которых не выходят за границу большого города. Удивительно то, что при таком объеме они по массивности превосходят солнечную. Их используют для исследования экстремальных состояний материи, обнаружения планет за пределами нашей системы и измерения космических дистанций. Кроме того, они помогли найти гравитационные волны, указывающие на энергетические события, вроде столкновений сверхмассивных черных дыр. Впервые обнаружены в 1967 году.

Что такое пульсар?

В центре галактики М82 можно увидеть пульсар (розовый)

Если высматривать на небе пульсар, то кажется обычной мерцающей звездой, следующей по определенному ритму. На самом деле, их свет не мерцает и не пульсирует, и они не выступают звездами.

Пульсар вырабатывает два стойких узких световых луча в противоположных направлениях. Эффект мерцания создается из-за того, что они вращаются (принцип маяка). В этот момент луч попадает на Землю, а затем снова поворачивается. Почему это происходит? Дело в том, что световой луч пульсара обычно не совмещается с его осью вращения.

Если мигание создается вращением, то скорость импульсов отображает ту, с которой вращается пульсар. Всего было найдено 2000 пульсаров, большая часть их которых делает один оборот в секунду. Но есть примерно 200 объектов, умудряющихся за то же время совершать по сотне оборотов. Наиболее быстрые называют миллисекундными, потому что их количество оборотов за секунду приравнивается к 700.

Число найденных пульсаров

Диаметр пульсаров во Вселенной достигает 20-24 км, а по массе вдвое больше солнечной. Чтобы вы понимали, кусочек такого объекта размером с сахарный куб будет весить 1 миллиард тонн. То есть, у вас в руке помещается нечто весом с Эверест! Правда есть еще более плотный объект – черная дыра. Наиболее массивная достигает 2.04 солнечной массы.

Пульсары обладают сильным магнитным полем, которое от 100 миллионов до 1 квадриллиона раз сильнее земного. Чтобы нейтронная звезда начала излучать свет подобный пульсару, она должна обладать правильным соотношением напряженности магнитного поля и частоты вращения. Случается так, что луч радиоволн может не пройти через поле зрения наземного телескопа и остаться невидимым.

Почему пульсары вращаются?

Медлительность для пульсара – одно вращение в секунду. Наиболее быстрые разгоняются до сотен оборотов в секунду и называются миллисекундными. Процесс вращения происходит, потому что звезды, из которых они образовались, также вращались. Но, чтобы добраться до такой скорости, нужен дополнительный источник.

Исследователи полагают, что миллисекундные пульсары сформировались при помощи воровства энергии у соседа. Можно заметить наличие чужого вещества, которое увеличивает скорость вращения. И это не очень хорошо для пострадавшего компаньона, который однажды может полностью поглотиться пульсаром. Такие системы называют черными вдовами (в честь опасного вида паука).

Художественная интерпретация связи между пульсаром и его спутником

Пульсары способны излучать свет в нескольких длинах волн (от радио до гамма-лучей). Но как они это делают? Ученые пока не могут найти точного ответа. Полагают, что за каждую длину волн отвечает отдельный механизм. Маякоподобные лучи состоят из радиоволн. Они отличаются яркостью и узостью и напоминают когерентный свет, где частицы формируют сфокусированный луч.

Чем быстрее вращение, тем слабее магнитное поле. Но скорости вращения достаточно, чтобы они излучали такие же яркие лучи, как и медленные.

Здесь отображены линии магнитного поля, вращающиеся вокруг пульсара. Фиолетовое свечение – гамма-лучи

Во время вращения, магнитное поле создает электрическое, которое способно привести заряженные частицы в подвижное состояние (электрический ток). Участок над поверхностью, где доминирует магнитное поле, называют магнитосферой. Здесь заряженные частицы ускоряются до невероятно высоких скоростей из-за сильного электрического поля. При каждом ускорении они излучают свет. Он отображается в оптическом и рентгеновском диапазоне.

А что с гамма-лучами? Исследования говорят о том, что их источник нужно искать в другом месте возле пульсара. И они будут напоминать веер.

Поиск пульсаров

Главным методом для поиска пульсаров в космосе остаются радиотелескопы. Они небольшие и слабые по сравнению с другими объектами, поэтому приходится сканировать все небо и постепенно в объектив попадают эти объекты. Большая часть была найдена при помощи Обсерватории Паркса в Австралии. Много новых данных можно будет получить с Антенной решетки в квадрантный километр (SKA), стартующий в 2018 году.

В 2008 году запустили телескоп GLAST, который нашел 2050 гамма-излучающих пульсаров, среди которых 93 были миллисекундными. Этот телескоп невероятно полезен, так как сканирует все небо, в то время как другие выделяют лишь небольшие участки вдоль плоскости Млечного Пути.

Небесная карта, отображающая гамма-пульсары, найденные телескопом GLAST

Поиск различных длин волн может сталкиваться с проблемами. Дело в том, что радиоволны невероятно мощные, но могут просто не попадать в объектив телескопа. А вот гамма-излучения распространяются по больше части неба, но уступают по яркости.

Сейчас ученые знают о существовании 2300 пульсаров, найденных по радиоволнам и 160 через гамма-лучи. Есть также 240 миллисекундных пульсаров, из которых 60 производят гамма-излучение.

Использование пульсаров

Пульсары приносят много пользы благодаря точности импульсов. Ученые знают конкретные объекты и воспринимают их как космические часы. Именно так начали появляться догадки о наличии других планет. Фактически, первая найденная экзопланета вращалась вокруг пульсара.

Снимок пульсара PSR B0531+21, сделанный рентгеновской обсерваторией Чандра. В центре вы видите белый пульсар и струи выбрасывающегося материала

Кладбища пульсаров

Постепенно все пульсары замедляются. Излучение питается от магнитного поля, создаваемого вращением. В итоге, он также теряет свою мощность и прекращает посылать лучи. Ученые вывели специальную черту, где еще можно обнаружить гамма-лучи перед радиоволнами. Как только пульсар опускается ниже, его списывают в кладбище пульсаров.

Если пульсар сформировался из остатков сверхновой, то обладает огромным энергетическим запасом и быстрой скоростью вращения. Среди примеров можно вспомнить молодой объект PSR B0531+21. В такой фазе он может пробыть несколько сотен тысяч лет, после чего начнет терять скорость. Пульсары среднего возраста составляют большую часть населения и производят только радиоволны.

Однако, пульсар может продлить себе жизнь, если рядом есть спутник. Тогда он будет вытягивать его материал и увеличивать скорость вращения. Такие изменения могут произойти в любое время, поэтому пульсар способен возрождаться. Подобный контакт называют маломассивной рентгеновской двойной системой. Наиболее старые пульсары – миллисекундные. Некоторые достигают возраста в миллиарды лет.

Нейтронные звезды

Нейтронные звезды – довольно загадочные объекты, превышающие солнечную массу в 1.4 раза. Они рождаются после взрыва более крупных звезд. Давайте узнаем эти формирования поближе.

Когда взрывается звезда, массивнее Солнца в 4-8 раз, остается ядро с большой плотностью, продолжающее разрушаться. Гравитация так сильно давит на материал, что заставляет протоны и электроны сливаться, чтобы предстать в виде нейтронов. Так и рождается нейтронная звезда высокой плотности.

Нейтронные звезды появляются после смерти гигантов в виде сверхновых

Эти массивные объекты способны достигать в диаметре всего 20 км. Чтобы вы осознали плотность, всего одна ложечка материала нейтронной звезды будет весить миллиард тонн. Гравитация на таком объекте в 2 миллиарда раз сильнее земной, а мощности хватает для гравитационного линзирования, позволяющего ученым рассмотреть заднюю часть звезды.

Внутреннее строение пульсара

Толчок от взрыва оставляет импульс, который заставляет нейтронную звезду вращаться, достигая нескольких оборотов в секунду. Хотя они могут разгоняться до 43000 раз в минуту.

К 2010 году было найдено 1800 пульсаров при помощи радиообнаружения и 70 через гамма-лучи. У некоторых экземпляров даже замечали планеты.

Типы нейтронных звезд

У некоторых представителей нейтронных звезд струи материала текут практически со скоростью света. Когда они пролетают мимо нас, то вспыхивают как свет маяка. Из-за этого их прозвали пульсарами.

Когда рентгеновские пульсары отбирают материал у более массивных соседей, то он контактирует с магнитным полем и создает мощные лучи, наблюдаемые в радио, рентгеновском, гамма и оптическом спектре. Так как источник располагается в компаньоне, то их именуют пульсарами с аккрецией.

Строение магнитного поля нейтронной звезды

Вращающиеся пульсары в небе подчиняются вращению звезд, потому что высокоэнергетические электроны взаимодействуют с магнитным полем пульсара над полюсами. Так как вещество внутри магнитосферы пульсара ускоряется, это заставляет его вырабатывать гамма-лучи. Отдача энергии замедляет вращение.

Магнитные поля магнетар в 1000 раз сильнее, чем у нейтронных звезд. Из-за чего заставляют вращаться звезду намного дольше.

Читайте также: