Как были открыты нейтронные звезды кратко

Обновлено: 07.07.2024

История нейтронных звезд начинается с 1932 г., когда английский физик Дж. Чэдвик открыл нейтроны. Весть об открытии быстро докатилась до Копенгагена. Как-то вечером один из основателей современной физики атома датчанин Н. Бор обсуждал новость с гостившими в его институте Л. Розенфельдом и Л. Д. Ландау. Именно тогда Л. Д. Ландау предположил, что могут существовать холодные плотные звезды, состоящие из нейтронов. Об этом разговоре известно из воспоминаний Л. Розенфельда. Два года спустя появилась статья американских астрономов В. Бааде и Ф. Цвикки. Они также предсказали существование нейтронных звезд и предположили, что эти звезды образуются при взрыве сверхновых.

Более тридцати лет после теоретического предсказания не было никаких наблюдательных подтверждений существования нейтронных звезд. Первая нейтронная звезда — радиопульсар PSR 1919+21 — была открыта английским радиоастрономом А. Хьюишем и его группой лишь в 1967 г. Уже спустя несколько лет нейтронные звезды стали привычными (и интереснейшими!) объектами наблюдений.

Сейчас, когда с момента открытия нейтронных звезд прошло 34 года стало ясно, что нейтронных звезд очeнь много. Одних только радиопульсаров известно болеe пятисот. Ясно также, что нейтронные звезды проявляют себя крайне разнообразно во многих диапазонах электромагнитного спектра: это и радиопульсары, рентгеновские пульсары и вспыхивающие рентгеновские источники. По-видимому, вблизи нейтронных звезд формируются наблюдаемые вспышки гамма-излучения и квазипериодические осцилляции рентгеновского излучения. 23 февраля 1987 г. нейтринные детекторы зарегистрировали мощный всплеск нейтринного излучения, возникшего при взрыве сверхновой и образовании нейтронной звезды в Большом Магеллановом Облаке.

По современным представлениям в нейтронной звезде можно выделить несколько слоев: поверхностный слой, внешнюю и внутреннюю кору, внешнее и внутреннее (загадочное) ядро. Толщины слоев и плотность в центре звезды зависят от массы звезды и свойств вещества ядра.

Поверхностный слой имеет толщину не более нескольких метров и простирается от поверхности до глубины, где плотность вещества достигает величины, скажем, 10 6 г/см3. Вещество этого слоя — обычная плазма — подвержено сильному влиянию магнитных полей, которые (по наблюдениям) могут достигать огромных величин, 10 12 -- 10 13 Гс

Внешняя кора расположена под поверхностью и имеет толщину в несколько сот метров. Плотность на ее дне примерно равна 4*10 11 г/см3. Вещество состоит из электронов и атомов. Электроны образуют свободный вырожденный газ, подобный электронному газу в металлах: в газе имеются электроны с импульсами от нуля до граничного (максимального) импульса Ферми. Импульс Ферми определяется концентрацией электронов (т. е. плотностью) и не зависит от температуры. Такое возможно благодаря принципу Паули, который запрещает двум одинаковым частицам-фермионам (с полуцелым спином) пребывать в одном состоянии. К фермионам относятся как электроны, так и нуклоны (нейтроны и протоны); спин этих частиц равен 1/2. Вырожденный газ образуется при достаточно высоких плотностях и низких температурах. Он обладает большим давлением даже при нулевой температуре. Основной вклад в давление во внешней коре как раз и вносят вырожденные электроны. При плотности выше 10 6 г/см3 электроны с импульсами Ферми становятся релятивистскими частицами (т. е. их скорости приближаются к скорости света).

Атомы во внешней коре полностью ионизованы давлением электронов и по существу являются атомными ядрами. Как правило ядра образуют кристалл (отсюда и название — кора). При угублении в кору энергия электронов растет. Быстрые электроны могут захватываться ядрами и превращать протоны ядер в нейтроны: ядра обогащаются нейтронами. На дне внешней коры ядра имеют сильный избыток нейтронов и мало напоминают ядра, которые стабильны в земных условиях.

Ядро располагается под корой и имеет радиус 7—15 км. В нем можно выделить внешнее ядро и внутреннее (загадочное) ядро.

Внешнее ядро - простирается до плотности порядка 2ух плотностей атомного ядра (средняя плотность самой нейтронной звезды). Оно состоит из нейтронов с небольшой, несколько процентов, примесью электронов и протонов. Протоны представляют останки атомных ядер, имевшихся в коре. Вещество внешнего ядра звезды похоже на материю в атомных ядрах. Однако, в обычных атомных ядрах нейтронов и протонов примерно поровну, а в нейтронных звездах нейтронов большинство. Все частицы в ядре звезды вырождены. Электроны — релятивистские, а нуклоны — нет, хотя их импульсы Ферми растут с глубиной. На границе с загадочным ядром нейтроны уже становятся слегка релятивистскими. Теория внешнего ядра упирается в три основные проблемы: уравнение состояния, сверхтекучесть нейтронов и сверхпроводимость протонов.

Загадочное ядро. Это самая непонятная область нейтронной звезды. Плотность вещества в загадочном ядре как минимум в несколько раз выше ядерной плотности. Основное отличие внешнего и загадочного ядер состоит в следующем. При переходе из внешнего ядра в загадочное нейтроны, протоны и электроны становятся столь энергичными, что, сталкиваясь, начинают рождать новые частицы, как это обычно бывает при столкновениях быстрых частиц. Весь вопрос в том, какие частицы рождаются и как они влияют на свойства вещества. Лабораторные данные о веществе со сверхядерной плотностью крайне скудны. Правильно рассчитать рождение новых частиц сложно. Выдвигаются три основные гипотезы: о модификации стандартной материи, и о появлении либо пионного конденсата, либо странной материи.

Нейтронные звезды могут существовать, если их массы больше 0,05 массы Солнца. Если масса нейтронной звезды превышает 3—5 массы Солнца, равновесие ее становится невозможным, и такая звезда будет представлять собой черную дыру.

Звёзды

Нейтронная звезда представляет собой космический объект, выступающий в качестве итога астрономической эволюции. Он включает в свой состав сердцевину нейтронного типа, которая покрыта корой из атомных ядер, электронов, имеющей максимальную толщину до 1 км. Масса, которую имеет это светило, может сравниться с Солнцем. Однако его типичный радиус равен 10-20 км. Многие подобные объекты отличает внушительная скорость вращения, достигающая нескольких оборотов в секунду. Возникновение нейтронных светил происходит вследствие вспышек сверхновых.

Общая информация

Среднестатистическая нейтронная звезда обычно попадает в интервал, составляющий 1,3-1,5 солнечных масс. Говоря о теоретически допустимых космических телах, диапазон их массовых значений составляет 0,1-2,16 масс земного светила. Самые массивные космические объекты такого плана – следующие:

VELA X-1 с весовым параметром 1,88 масс Солнца;
PSR J1614-2230 с показателем 1,97 весов земного светила;
PSR J0348 + 0432 с предварительной оценкой массового параметра приблизительно в 2,01 масс Солнца.

Нейтронная звезда – тело, обладающее гравитацией. Она уравновешивается посредством давления нейтронного газа, являющегося вырожденным. Максимальная величина массы задаётся так называемым пределом Оппенгеймера-Волкова. Его численное значение обычно пребывает в зависимости от уравнения состояния вещества в области ядерной части. В теории есть убеждения, что при повышении плотности возникнет вероятность перерождения в иной вид.

Что касается магнитного поля, которым обладает каждая нейтронная звезда, в области поверхности оно обычно достигает значения, равного 10^12 – 10^13 ГС. Начиная с 90-х годов прошлого столетия, некоторые светила нейтронного типа отождествлены как светила, имеющие магнитное поле, равное 10^14 ГС и более. При критически больших значениях наблюдается протекание специфических релятивистских эффектов, поляризации вакуума и т. д.

К 2015 г. была открыта ещё не одна нейтронная звезда. Около 90% всех обнаруженных объектов являются одиночными. В сумме в нашей галактической системе может присутствовать огромное число таких объектов, достигающее 10^8 или даже 10^9 единиц. Для всех них характерна существенная скорость движения, видимость с Земли в различных спектральных диапазонах, в т. ч. оптического диапазона.

Структурное строение

Нейтронная звезда традиционно имеет 5 слоев:
атмосфера (представлена тонким плазматическим слоем, имеющим толщину от нескольких десятков сантиметров до пары миллиметров, она способствует формированию излучения);
кора внешняя (состоит из электронов, ионов, по толщине равняется нескольким сотням метров, в области тонкого слоя присутствует невырожденный газ электронного типа, а в более глубоких частях содержится вырожденное вещество, которое с погружением в глубину становится релятивистским);
кора внутренняя (в составе преобладают электроны, нейтроны свободного типа, ядра атомные, по мере увеличения глубины содержание этих веществ увеличивается, а что касается атомных ядер, наоборот, происходит уменьшение);
ядро извне (в структуре в основном присутствуют нейтроны, а также имеется незначительная примесь протонов, электронов);
ядро изнутри (имеет неизученный состав, однако подразумевает сразу несколько гипотез: ядро, включающее кварки, барионы, мезоны).

Особенности остывания

Нейтронная звезда, когда она рождается, имеет высокую температуру, достигающую 10^11 Кельвинов. А это на 4 порядка больше, чем температурный режим земного Солнца. Но ввиду действия нейтринного охлаждения наблюдается её стремительное падение. Всего за пару минут она опускается до 10^9 К, а за месяц и вовсе до 10^8 К. Впоследствии светимость значительно сокращается, что пребывает в зависимости от температурного режима, и охлаждение наступает значительно медленнее по причине фотонного излучения.

Историческая справка

В декабре 1933 года в рамках съезда Американского физического общества астрономами было создано первое точное и чёткое предсказание фактического существования данных космических тел. Они выдвинули гипотезу о том, что нейтронная звезда теоретически может появиться вследствие взрыва, произошедшего на сверхновой звезде. Теоретические расчётные действия привели к тому, что ее излучение слабое для появления возможности обнаружения с Земли посредством астрономического оборудования, используемого в то время.

С 1960-х годов прошлого века стало наблюдаться возрастание интереса к данной группе. Произошло это в рамках развития рентгеновской астрономии. Теории, выдвигаемые в процессе её освоения, предсказывали, что максимум приходится на зону рентгена мягкого. Однако неожиданные открытия случились в процессе организации радионаблюдений. В 1967 г. Д. Белл открыла объекты, способствующие определению регулярных импульсных колебаний радиоволн.

Данный феномен получилось объяснить за счет узкой направленности радиолуча. Однако будь это не нейтронная звезда, а любое обыкновенное светило, оно с учетом крайне высокой скорости вращения стало бы разрушенным. Поэтому на роль подобных маяков пригодными оказались исключительно нейтронные звезды. Первая открытая нейтронная звезда, вне всяких сомнений, PSR B1919+21.

Экзопланета и пульсар

Классификационное соотнесение

Процесс, в рамках которого нейтронная звезда взаимодействует с окружающим веществом, определяется посредством двух базовых параметров:

период вращения;
величина, которую имеет магнитное поле.

С течением времени происходит расходование звездой её вращательной энергии, поэтому скорость становится всё меньше и меньше, как и само магнитное поле. В связи с этими обстоятельствами нейтронная звезда на протяжении всей длительности своего существования может менять тип.

Эжектор

Для него характерны внушительные магнитные поля и незначительное время вращения. При достижении определённого радиуса происходит приближение линейной скорости вращения к скоростному режиму света. В итоге за радиусом цилиндра светового отсутствует возможность существования дипольного поля, поэтому происходит обрыв линий напряжённости.

Частицы, имеющие заряд, движущиеся по направлению вдоль силовых линий, могут отходить от звезды и поступить в пространство между светилами. Также нейтронная звезда этого типа способна извергать частицы с зарядом, излучающиеся в радиодиапазоне.

Пульсара 4U 0142+61 в представлении художника

Пропеллер

Скорость вращения является недостаточно большой, поэтому светило не может относиться к прежней группе. Но она велика, поэтому материя, которая окружает рассматриваемое космическое тело, не падает. Нейтронная звезда такого типа не обладает какими-либо фактическими проявлениями, поэтому изучена недостаточно хорошо.

Пульсар рентгеновский

Происходит чрезмерное снижение скорости, поэтому вещество может падать на такое светило без особых препятствий. В процессе падения, достигая плазматического состояния, данное вещество движется вдоль линий магнитного поля, а затем сталкивается со звездной твердой поверхностью в области полюсов светила. Это способствует его разогреванию. Крайне высокие температуры заставляют звезду ярко светиться.

Территория, в которой падающая субстанция сталкивается с поверхностью рассматриваемого объекта, имеет небольшие размеры, составляющие всего 100 м. Данное пятно является горячим по причине вращения звезды. На какой-то период времени оно может пропадать из вида, поэтому дают о себе знать регулярные пульсации рентгеновского излучения. Отсюда и произошло название данной группы светил.

Таким образом, рассматриваемое космическое тело, несмотря на проведение большого количества исследований, до конца не изучено и требует множества уточнений.

Многие открытия в астрофизике начинались с теоретических предположений о тех или иных объектах Вселенной. Открытие нейтронных звезд – не исключение. Существование нейтронной звезды впервые предсказали астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки в 30-е годы ХХ века. А спустя несколько десятилетий аспирантка Джоселин Белл обнаружила странные сигналы, выдаваемые радиотелескопом. Надо сказать, что радиоаппаратура в то время напрямую посылала сигнал на самописцы, которые ежедневно выдавали 30 метров бумажной ленты. По всей длине ленты шла непрерывная зигзагообразная кривая, анализ которой был непростой задачей. Джоселин установила связь периодических сигналов с конкретным участком неба и сообщила об открытии пульсирующего источника научному руководителю, профессору Кэмбриджского университета Энтони Хьюишу. Профессор предположил, что сигнал, скорее всего, имеет земное происхождение, но Белл была уверена, что он идёт из космоса. Что за звёзды могут посылать сигналы с такой строгой периодичностью? Дальнейшие наблюдения за подобными источниками подтвердили теорию о существовании нейтронных звезд.

Подробнее — в лекции астрофизика, профессора РАН, заместителя директора по научной работе Института космических исследований РАН Александра Анатольевича Лутовинова.

На самом деле, нейтронные звезды — это небесные тела, которые являются одним из вероятных конечных этапов эволюции светил. Ведь, как известно, у каждого свой жизненный путь и своя, скажем так, смерть.

Нейтроны — это тяжёлые элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. Они, наряду с протонами, являются главными элементами ядра.

Протон, нейтрон и электрон

Как образуется нейтронная звезда

Считается, что образование нейтронной звезды это результат вспышки сверхновой. То есть то, что остаётся от тела после взрыва. Другими словами, это конечный продукт вспышки или звёздный остаток.

Между прочим, если такой остаток больше солнечного в три раза, то его эволюция продолжается. В результате коллапса формируется чёрная дыра.

По данным учёных, любой представитель главной последовательности, при условии массы больше Солнца в 8 раз, может эволюционировать в нейтронное светило.

Взрыв сверхновой

Когда происходит взрыв нейтронной звезды, внешняя оболочка резко проваливается на ядро. В это время возникает волновой скачок, то есть ударная волна. Которая, к слову, разносит вокруг частицы вещества из внешних слоёв.

Кроме того, часть вещества из разрушившихся слоёв попадает в центр. Благодаря чему внутренняя часть имеет высокую плотность и температуру. Надеюсь, теперь понятно, почему маленькая нейтронная звезда невероятно мала и тяжела.

Стоит отметить, что свою энергию после взрыва светило начинает переносить не равномерно, а потоками. Что, собственно, и вызывает его нестабильность.
Получается, что само ядро остается, но его свойства (масса, плотность, температура и т.д.) меняются.

Как устроены нейтронные звезды

В отличие от других тел они, главным образом, состоят из нейтронного центра (сердцевины). Отсюда, кстати, и появилось название типа.

А сверху их покрывает кора, образуемая тяжёлыми атомными ядрами, нейтронами и электронами.
Помимо этого в структуре рассматриваемых светил выделяют несколько частей.

Внутреннее строение

Какое строение имеют нейтронные звезды

Атмосфера — тоненький (не более 100 см) слой ионизированного газа, то есть плазмы. Здесь сосредоточено тепловое излучение тела.

Внешняя кора содержит ядра и электроны, по толщине может быть несколько сотен метров. Притом в ней газ представлен в разных составах. Например, самые верхние покровы состоят из невырожденного газа, а в середине он уже вырожденный. Чем глубже, тем его состояние меняется на релятивистское и ультрарелятивистское вырождение.

Внутренняя кора включает в себя электроны, свободные нейтроны и ядра атомов с множеством нейтронов. Причем количество нейтронных частиц увеличивается с глубиной. Данный слой имеет протяжённость до нескольких километров.

Внешнее ядро выделяют у объектов малой массы. Поскольку может занимать всё пространство до звёздного центра. Вдобавок оно состоит преимущественно из нейтронов. Хотя некоторая доля протонов и электронов все же есть.

Внутреннее ядро наблюдается только у массивных светил. Оно отличается высокой плотностью. А радиус, по меньшей мере, составляет несколько километров. К сожалению, точный состав внутреннего вещества ещё не известен. Но определённо в нём присутствую нейтроны, барионы и кварки. Конечно, дальнейшее изучение и исследования продолжаются. И мы когда-нибудь узнаем все тайны нейтронных звезд.

Особенности нейтронных звезд

Как оказалось, нейтронная звезда невероятно мала и тяжела. Правда, она имеет плотность намного больше атомного ядра. Но из-за давления вещества, находящегося внутри ядра, дальнейшее гравитационное сжатие не продолжается.

Собственно говоря, вес и масса нейтронной звезды приблизительно равна солнечной. При этом её размер, точнее радиус, не более 20 км.

К тому же, к отличительным характеристикам нейтронных звезд относится их вращение вокруг своей оси. Стоит отметить, высокую скорость такого движения. Если говорить точнее, она составляет несколько сотен оборотов в секунду.

Также важной чертой является сильное магнитное поле. Его мощь, в значительной мере, определяет остальные свойства и происходящие процессы.

Сила гравитации звёздных тел после вспышки сильно увеличивается. Поэтому им свойственны огромная скорость падения вещества и сжатие сердцевины. Другими словами, это объясняет резкий характер происходящих процессов.

А вот столкновение внешних и внутренних слоёв нейтронных звезд может привести к разрушению атомов падающего вещества. При этом эти атомы превращаются в нейтроны.

Классификация

Разумеется, нейтронные звезды, как и любые другие объекты, делятся на виды. Хотя учёные установили, что они могут за свою жизнь изменяться.

В основном на их развитие влияют скорость вращения вокруг своей оси и магнитное поле. Так как собственное вращение со временем тормозится, а магнитное поле слабеет, то другие свойства и процессы также меняются.

Нейтронные звезды, их типы и примеры

Радиопульсары или, по-другому, эжекторы обладают высокой вращательной скоростью и сильными магнитными полями. Они, так сказать, выталкивают заряженные релятивистские частицы, излучаемые в радиодиапазоне. Кстати, первым из данного вида звёздных тел открыли радиопульсар PSR B1919+21.

Пропеллеры, напротив, не выделяют заряженные частицы. Однако из-за высокой скорости вращения и силы магнитной области вещество поддерживается над поверхностью. Правда, данный тип светил сложно обнаружить и он мало изучен.

Рентгеновский пульсар или аккретор отличается тем, что в нём вещество попадает на поверхность. Потому как небольшой темп оборотов позволяет ему спускаться, но уже в состоянии плазмы. В свою очередь, она нагревается благодаря магнитному полю. Как следствие, это вещество ярко светится в рентгеновском диапазоне.

А вот пульсация возникает в результате вращения, при котором происходит затмение горячей материи. К примеру, первый аккретор — Центавр X-3 не только имел пульсацию своей яркости, но и постоянно менял период колебаний.

Рентгеновский пульсар

Георотатор имеет малую вращательную скорость, что вызывает приращение массы тела с помощью силы гравитации вещества (газа) из окружающего пространства. Такой процесс, между прочим, называется аккрецией.

Несмотря на это, границы области вокруг небесного тела позволяют магнитному полю удерживать плазму до того, как она окажется на поверхности.

Эргозвезда, на самом деле, представляет собой теоретически возможный тип. По мнению учёных, такой объект может сформироваться при слиянии или столкновении нейтронных звёзд.

Предполагают, что в ней имеется эргосфера, то есть область пространства-времени, расположенная рядом с чёрной дырой. Она, по идее, лежит где-то между горизонтом событий и пределом статичности. Проще говоря, подобные объекты имеют место быть, но это не точно.

Тайны нейтронных звезд

Можно сказать, что до реального открытия этот звёздный класс был сначала спрогнозирован в теории. То есть астрономы предполагали возможность появления подобных космических объектов.

Впервые же, их открыли лишь в 1967 году. Причем это был радиопульсар B1919+21 из созвездия Лисички.
Сейчас же число найденных нейтронных звёзд свыше 2500. Как выяснилось, из них лишь немногие входят в кратные системы. В действительности же, большая часть это отдельные светила.

Созвездие Лисичка

К удивлению, некоторые считают, что в скором времени появится в Солнечной системе нейтронная звезда, которая принесёт апокалипсис и конец света.

По некоторым данным, периодически в нашей системе появляется небесное тело с сильным магнитным полем. Его часто называют планетой Нибиру.

Более того, легенды и мифы рассказывают о том, что этот таинственный объект уже посещал нас. Такое нашествие всегда несёт за собой разрушение. Опять-таки, согласно древним легендам подобное происходило несколько раз. И, если это правда, наша планета всё выдержала.

На самом деле, астрономы замечали странный объект, который пока не идентифицировали. Хотя нет никаких доказательств о том, что он приближается к Земле и вообще, что это нейтронная звезда. Иногда, люди любят приукрашивать действительность.

Планета Нибиру (изображение)

Итак, мы разобрались что такое нейтронная звезда. Надеюсь, вам было интересно узнать как появляются и на какие типы делится этот вид светил.

Читайте также: