Що потрібно знати про нейтронні зірки

Нейтронні зірки – це одні з найекзотичніших об'єктів у Всесвіті. Вони народжуються під час вибухів наднових і можуть виявляти себе багатьма цікавими способами, у тому числі й перетворюючись на чорні дірки. Крім того, вони мають неймовірні властивості, про які люди зазвичай мало що знають.

Як утворюються нейтронні зірки?

Нейтронним зіркам не пощастило з піаром. У той час як чорні дірки у всіх на слуху, про їхні близькі родичі люди в основному знають те, що вони існують і мають надзвичайно високу щільність. Однак насправді цим цікаві факти про них не обмежуються. Щоб зрозуміти все, що стосується цих екзотичних об'єктів, треба розпочати з їхньої освіти.

Коли зірка з масою, що перевищує сонячну принаймні в 8-10 разів, завершує своє існування, вона знаходиться на стадії дуже масивного червоного гіганта або надгіганта. Термоядерні реакції всередині неї призводять до перетворення спочатку водню, а потім і гелію на більш важкі елементи.

Однак чим далі в періодичній таблиці знаходиться елемент, тим менше енергія, що виділяється за його термоядерного синтезу. Плазма зірки розігрівається дедалі менше і тиск газу починає поступатися силам гравітації. Ядро світила, що складається з більш важких атомів, починає стискатися.

У якийсь момент усередині синтезується залізо - елемент, ядра якого мають найвищу енергію зв'язку та синтез яких не виділяє енергію, а поглинає її. Саме тоді термоядерні реакції припиняються і гігантська зірка вибухає як наднова. Більшість її маси викидається як ударної хвилі, газу, насиченого важкими елементами.Ця речовина утворює холодні протопланетні хмари, в яких потім народжується нове покоління зірок та планет.

Однак ядро ​​мертвого світила залишається неушкодженим. І його подальша доля залежить від багатьох. Якщо вона перевищує межу Толлмана-Оппенгеймера-Волкова, який зараз оцінюється у трохи більш ніж дві маси Сонця, то цей об'єкт продовжить стискатися далі, поки не перетвориться на чорну дірку. В іншому випадку він стане нейтронною зіркою.

З чого складається нейтронна зірка?

Зараз у нашій галактиці відкрито близько 3200 чорних дірок. Всі вони важать від 1,1 до 2,14 мас Сонця, тобто приблизно одного розміру. Причини цього полягають у їхній внутрішній будові. Коли зірка тільки готується стати надновою, температура в її ядрі може досягти неймовірних 9 млрд градусів за Кельвіном. У цих умовах ядра заліза починають руйнуватися, а потім протони та електрони починають зливатися, утворюючи нейтрони.

Ядро зірки перетворюється на щільну упаковку цих частинок із щільністю .4х10 17 кг/м 3 . Для подальшого стиснення їх треба зруйнувати і для цього потрібні надзвичайно великі сили гравітації. Власне умови, коли нейтронне ядро ​​вже може утворитися, але гравітаційні сили ще не здатні його зруйнувати, і визначають зазначений вище діапазон мас.

При цьому нейтронні зірки – зовсім невеликі об'єкти. Їхній діаметр становить близько 10-12 км. І вони не повністю складаються з нейтронів. Зовні, як передбачається, вони мають залізну кору завтовшки близько 1 км.

Ще однією особливістю утворення нейтронних зірок є те, що саме цей крихітний у порівнянні з початковим світилом об'єкт отримує більшу частину його кутового моменту та маси.Це призводить до неймовірно високих швидкостей обертання нейтронної зірки та виникнення потужних магнітних полів.

Властивості нейтронних зірок

Саме про магнітні поля в першу чергу згадують, коли йдеться про нейтронні зірки. Їхні розміри справді вражають. Вони становлять від 10 тис. до 100 млрд. тесла (Т). Для порівняння, магнітного поля напруженістю всього 16 Т у земних лабораторіях достатньо для того, щоб змусити літати жабу.

Другою особливістю нейтронних зірок, яку часто згадують, є їхня неймовірна щільність. Усього одна чайна ложка нейтронію з їхніх глибин важила б у 900 разів більше, ніж Велика піраміда у Гізі.

Ще однією особливістю нейтронних зірок, яку не часто згадують, є те, що вони надзвичайно гарячі. У момент утворення температура їхньої поверхні може досягати трильйона кельвінів (К). Щоправда, протягом кількох років ця температура досить швидко знижується до 1000000 К, але потім цей процес уповільнюється. Тому протягом мільярдів років свого існування нейтронні зірки залишаються одними з найгарячіших об'єктів у Всесвіті.

Висока температура поверхні нейтронних зірок призводить до того, що пік їхнього випромінювання припадає на рентгенівський діапазон. Внаслідок цього у звичайні телескопи побачити їх практично неможливо.

Наступною особливістю нейтронних зірок є їхнє потужне гравітаційне поле. Сила тяжіння біля них сильно поступається такою у чорних дірок, проте вона досить сильна для того, щоб розірвати на шматки будь-який матеріальний об'єкт, який наблизиться до них ближче, ніж на кілька кілометрів.

Але якби ми вціліли при цьому і здійснили посадку на поверхню нейтронної зірки, то зіткнулися б із ще одним наслідком високої густини — ефектом уповільнення часу. За кожні 8 років на поверхні цього об'єкта Землі проходило б десятиліття.

Поодинокі нейтронні зірки

Нейтронні зірки можуть породжувати надзвичайно широкий спектр явищ залежно від того, за яких умов вони знаходяться. Найпростіший випадок відбувається тоді, коли цей об'єкт виявляється наодинці і ні з чим довкола не реагує. У такому разі він стає майже настільки ж малопомітним, як чорна дірка.

З відстані, що перевищує кілька світлових років, його видно майже виключно в рентгенівському діапазоні. Цілком можливо, що абсолютна більшість нейтронних зірок у Чумацькому шляху відносяться до цього типу, але ми їх просто не бачимо.

Різновидом самотньої нейтронної зірки є компактний центральний об'єкт усередині залишку наднової. Його так само можна побачити тільки в рентгенівському діапазоні, проте сама туманність, що виникла на місці вибуху зірки, добре видно навіть у видимій частині спектру. Тому знайти їх щодо нескладно.

Іншим випадком самотньої нейтронної зірки є магнетар. Ці об'єкти за масою та радіусом нічим не відрізняються від інших, проте мають магнітні поля, потужніші за 109 Т. У таких умовах будь-яка частка, розташована поблизу них, отримує величезну енергію і випромінюється в гамма-діапазоні.

Пульсари

Магнітне поле нейтронних зірок має дипольну природу, тобто має полюси. І саме там відбуваються найцікавіші процеси. Народжуються високоенергетичні фотони, які взаємодіють із частинками магнітних полях і породжують сильне випромінювання в радіодіапазоні.

Коли осі обертання нейтронної зірки та її магнітного поля збираються, цей потік весь час вказує на ту саму точку, і сторонньому спостерігачеві дуже важко його помітити. Однак іноді між ними є кут. Тоді промінь радіовипромінювання починає описувати кола, і його стає видно значно більшій кількості спостерігачів.

Оскільки швидкість обертання нейтронних зірок надзвичайно висока, то за секунду промінь встигає повернутися до спостерігача десятки, а то й сотні разів. Виникає ефект сигналу, що повторюється із надзвичайно чіткою періодичністю.

Такі об'єкти називаємо пульсарами. Саме до них належала перша нейтронна зірка, яку вчені відкрили у 1967 році. Тоді вони спочатку вирішили, що це інопланетяни сигналять нам у такий спосіб, проте згодом виявили справжню природу об'єкта.

Зміщені щодо осі обертання магнітні полюси можуть бути у магнетара. У такому разі він називається аномальним рентгенівським пульсаром. Для земного спостерігача така нейтронна зірка виглядає як джерело високочастотних імпульсів, які повторюються періодичністю від 2 до 12 секунд, причому період залишається незмінним.

Подвійні рентгенівські зірки

Якщо нейтронна зірка є частиною тісної подвійної системи, то з нею відбуваються набагато цікавіші речі. Подібних об'єктів є кілька типів, залежно від того, яка зірка утворює пару ядром мертвої зірки. Це може бути будь-яке світило – від білого карлика до надгіганта.

Проте загальна картина завжди приблизно однакова. Нейтронна зірка відтягує він частину зовнішніх верств компаньйона, і це газ формує навколо неї акреційний диск.Поступово він падає на її поверхню, що викликає посилення рентгенівського випромінювання.

Такі системи є різновидом рентгенівських подвійних зірок. Іншим типом є пари, у яких компаньйоном звичайного світила є чорна діра. Вчені дуже зацікавлені у вивченні подібних систем, адже є природними лабораторіями, в яких проявляються особливості еволюції різних космічних об'єктів.

Особливим випадком подвійної рентгенівської системи є мілісекундний пульсар. Він утворюється тоді, коли нейтронна зірка, що входить у пару, має зміщені щодо осі обертання полюса магнітного поля. На початку свого існування вона поводиться так само, як будь-який інший пульсар, з тією лише відмінністю, що його промінь, крім радіодіапазону, помітний ще й у рентгенівському.

Однак з часом падіння на поверхню матеріалу із сусідньої зірки призводять до обертання. Імпульси стають все частіше і частіше, поки їх період не зменшується до тисячних часток секунди. Така висока швидкість обертання та точна періодичність дуже цікавлять вчених.

Адже мілісекундні пульсар можна використовувати як детектори гравітаційних хвиль. Коли одна з них, яка є викривленням простору, проходить крізь такий об'єкт, його періодичність збивається ніби без жодних причин. Таким чином можна зареєструвати навіть ті явища, які надто слабкі для найточніших наземних обсерваторій.

Зіркотруси та транзієнтні події на нейтронних зірках

Проте дива, пов'язані з нейтронними зірками, не закінчуються. Наприклад, іноді ці об'єкти стрибкоподібно збільшують швидкість свого обертання на невелику величину. Вважається, що це пов'язано з процесами, що відбуваються усередині них.

Що вони являють собою, вчені досі не впевнені, адже про внутрішню будову цих об'єктів ми практично нічого не знаємо. Однак найбільш популярна теорія говорить про те, що зазвичай нейтронне ядро ​​цих об'єктів знаходиться в надплинному стані. Тому між ним та зовнішньою залізною корою немає тертя.

Однак іноді такий стан речей порушується і кора змінюється. Виникає явище, подібне до зіркотрусів, які часто спостерігаються на зірках через коливання магнітного поля. І тут радіус нейтронної зірки змінюється і швидкість обертання зростає.

Крім змін швидкості обертання, з нейтронними зірками іноді відбуваються і значно драматичніші події. Астрономам відомо чимало подій на небі, які тривають лічені секунди, години чи місяці. Їх називають транзієнтами та деякі з них можуть бути пов'язані з нейтронними зірками. Прикладом тут можуть бути швидкі радіосплески — дуже потужні радіоімпульси, які тривають лише кілька мілісекунд і приходять до нас ні звідки. Найімовірнішим їх джерелом є деякі процеси, що відбуваються на магнетарах або, можливо, пульсарах.

Іншим прикладом пов'язаного з нейтронними зірками транзієнта є кілоновий спалах. Це відбувається, коли дві нейтронні зірки або нейтронна зірка та чорна діра зливаються разом. І тут відбувається як спалах випромінювання переважають у всіх спектрах, а й народження гравітаційних хвиль.

Планети пульсарів

На додаток до всього перерахованого вище, нейтронні зірки можуть мати планети. Власне три перших світу за межами Сонячної системи в 1992 році були знайдені у пульсара PSR B1257+12.

Враховуючи те, що будь-яка нейтронна зірка є залишком наднової, виникає цікаве питання про те, чи існували такі планети ще за часів, коли нейтронна зірка була нормальним світом, чи утворилися вже після вибуху наднової її залишків; є залишками зірки-компаньйону або взагалі світами-сиротами, захопленими гравітацією пульсара.

На сьогоднішній день вчені не виключають жодної з цих версій для різних відомих пульсарних планет. Однак саме для планет PSR B1257+12 ймовірність того, що вони могли пережити спалах наднової, вважається дуже низькою.

Як далеко від нас знаходяться нейтронні зірки?

Нейтронні зірки можуть лякати та зачаровувати людей. Однак про них треба знати ще одну важливу річ. Вони розташовані дуже далеко від Землі. Те, що пульсарів відкрито так багато, пояснюється тим, що ми можемо бачити їх з величезної відстані. Наприклад, об'єкт, відкритий у 1967 році, знаходиться на відстані понад 1000, а PSR B1257+12 разом зі своїми планетами – у 2300 св. років від нас.

Магнетари та подвійні рентгенівські зірки, які потенційно можуть становити для нас небезпеку через радіацію, знаходяться ще далі. А ось ізольовані «тихі» нейтронні зірки, навпаки, можуть бути ближчими. Зокрема добре відома «чудова сімка» — група об'єктів, розташованих на відстані від 400 до 1600 св. років від нас.

У будь-якому випадку зустріч із будь-яким із цих об'єктів нам у найближчі кілька мільйонів років не загрожує. Тому й вимирання людства через швидкий радіосплеск чи вибух кілонової теж не передбачається.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!