Эволюция звезд массой от 10 до 20 Мс (масс Солнца) заканчивается образованием нейтронных звезд.
Это происходит примерно по такой схеме. На последней стадии функционирования звезды в главной последовательности в ее ядре происходит термоядерная реакция синтеза железа и других переходных металлов - никеля, кобальта, цинка и других. Эти металлы имеют верхние пределы масс ядер химических элементов, при синтезе которых звезда может находиться в состоянии нахождения в главной последовательности. Энергия при их синтезе имеет отрицательный баланс - ее тратится больше, чем выделяется, потому что реакция эндотермическая.
В то время, пока в ядре идут реакции синтеза переходных металлов, во внеядерных сферах идут реакции синтеза более легких элементов - кислорода, углерода, магния, неона, азота и других. Это такой многослойный термоядерный реактор. Ну и самый наружный термоядерный слой синтезирует гелий из водорода. Радиус звезды сильно увеличен, как и полагается красному гиганту.
Эндотермические реакции в ядре приводят к его сжатию в десятки тысяч раз по радиусу. Преодолевается сопротивление давления вырожденного электронного газа. Протоны нейтронизируются вдавливанием в них электронов. Плотность вещества доходит до уровня плотности ядер - 2,8 х 10^14 г/см^3. Высвобождаемая энергия сильного ядерного взаимодействия выделяется в виде гамма-фотонов и нейтрино.
Внешние сферы под воздействием гравитации сверхплотного ядра и своей собственной с огромной скоростью падают на поверхность ядра.
В месте столкновения с ядром падающая плазма взрывается от эффекта сложной природы - здесь и обычная кинетическая энергия от высокой температуры до сотен миллиардов Кельвинов, и термоядерный синтез элементов тяжелее железа, и нейтронный ветер от ядра, который и разбивает ядра, и утяжеляет собой другие. Даже нейтрино встречает в этом веществе себе препятствие, поскольку для него оно непрозрачно, и нейтринный ветер от ядра сильно добавляет мощности взрыву сверхновой.
Взрыв сверхновой разбрасывает внешние внеядерные оболочки звезды, которые образуют собой туманности, имеющие размеры в десятки световых лет в диаметре. Например, Крабовидная туманность, образовавшаяся от взрыва сверхновой, который наблюдался китайскими и арабскими астрономами в 1054 году.
А бывшее ядро звезды становится нейтронной звездой.
Верхний предел массы нейтронной звезды толком не определен. Да и врядли он имеет смысл, поскольку его показатель должен быть плавающим в довольно существенном диапазоне. Хотя наименование верхнего предела имеется - предел Оппенгеймера-Волкова. Это тот самый Роберт Оппенгеймер - руководитель американского ядерного проекта. Джордж Волков - канадский физик. Эти ученые теоретически предсказали существование нейтронных звезд. Но неверно определили верхний предел их массы - всего 0,71 Мс (масс Солнца). В своем уравнении состояния вырожденного нейтронного газа они не учитывали нейтрон-нейтронного отталкивания за счет сильного взаимодействия. В то время (1939 год) этот вид взаимодействия еще не был толком изучен.
Просто имеется как бы рекорд по массе обнаруженной нейтронной звезды - 2,17 Мс.
В настоящее время считается, что для условно невращающейся нейтронной звезды этот предел находится в диапазоне 2,02-2,16 Мс.
Здесь все так сложно. Если нейтрон сжимать, то расстояния между кварками, входящими в его состав, уменьшаются, что ведет к снижению величины сильного ядерного взаимодействия. И в состоянии партонов - предельно сжатых кварков - энергия этого взаимодействия полностью выдавливается, излучая гамма-фотоны и нейтрино. Партоны - это условность, их реальность не имеет экспериментальных подтверждений. Это как бы модель предела сжатия-коллапса вещества. На самом деле, до партонов дело врядли доходит. Как только остатков сильных взаимодействий между кварками становится недостаточно для сопротивления гравитационному сжатию, происходит полный коллапс вещества в черную дыру. Но параметры по этому процессу плавающие, то есть нефиксированные, потому что зависят от многих усложняющих факторов, в том числе релятивистских, которые пока мало доступны для изучения на таких объектах. Математическое моделирование имеется, но есть подозрение, что не все факторы известны, чтобы полностью скомплектовать программы моделирования.
Кроме того, нейтронные звезды, сжимаясь от ядра исходной звезды в десятки тысяч раз, получают в соответствии с законом сохранения импульса огромную угловую скорость вращения - до нескольких сотен оборотов в секунду. А это огромная центробежная сила, способствующая увеличению предела Оппенгеймера-Волкова.
Показатели гравитационного потенциала нейтронных звезд впечатляющие - ускорение свободного падения в диапазоне 10^12 - 10^13 м/сек^2, а вторая космическая скорость - от 100 000 до 150 000 км/сек. Это связано с феноменальной плотностью вещества, доходящей до ядерной - 2,8 х 10^14 г/см^3 - это полторы - две массы Солнца при радиусе всего 10-20 км.
Такая гравитация приводит к релятивистским эффектам замедления времени на поверхности нейтронных звезд. На наиболее массивных объектах этого вида время замедляется примерно на треть по сравнению со временем в вакуумном космосе.
Наконец, феноменом нейтронной звезды считается ее магнитное поле - 10^12 - 10^13 Гауссов на ее поверхности. Например, магнитное поле на поверхности Земли равно в среднем 1 Гауссу. Благодаря такой особенности и была впервые обнаружена нейтронная звезда в 1967 году аспиранткой Джоселин Белл (Великобритания). Радиотелескоп, с которым она работала, обнаружил сигналы пульсирующего объекта с очень короткими интервалами, что и давало повод считать этот объект нейтронной звездой, о существовании которых физики догадывались еще с тридцатых годов прошлого века.
Дело в том, что при несовпадении магнитных полюсов и полюсов вращения, первый из них вращается вокруг второго, что и создает пульсацию радиосигнала сильного магнитного излучения от полюса.
Сильное магнитное поле со временем замедляет вращение нейтронной звезды. Магнитное поле снижается, что создает условия для следующих интересных процессов. Если у нее есть звезда-напарник в стадии красного гиганта, то может произойти аккреция от нее на магнитные полюса нейтронной звезды. Если, конечно, вещество красного гиганта попадает в полость Роша нейтронной звезды. Полость Роша - это зона гравитационной гегемонии одной звезды системы над второй ее звездой. Почему только на полюса? Аккреция летит к нейтронной звезде вдоль силовых линий ее магнитного поля, которые у сферических вращающихся объектов образуются в виде полусферических меридианов, сходящихся к полюсам. Вещество аккреции, падая на магнитные полюса нейтронной звезды, создает термоядерные вспышки с температурой до 10 миллионов Кельвинов, и радиопульсар становится рентгеновским пульсаром - аккретором.
Дальнейшее замедление вращения дает возможность аккреции падать не только на магнитные полюса нейтронной звезды, но и на всю ее поверхность.
Аккреция не только увеличивает массу объекта, но и ускоряет его вращение. Считается, что именно такой механизм приводит к образованию магнетаров - супернейтронных звезд с магнитным полем 10^14 - 10^15 Гауссов.
Магнетары иногда выдают гамма-всплески огромной силы. Их природа объясняется физиками деформациями поверхности звезды и выбросом протонной плазмы в ее атмосферу, которая взаимодействуя с сильным магнитным полем, создает гамма-вспышки. Такие катаклизмы дают эффекты бедствий для атмосфер планет типа нашей на расстояниях в десятки тысяч световых лет.
Теоретически предполагаются явления взрывов от столкновения нейтронных звезд. Такое возможно при образовании второй нейтронной звезды в звездных системах. Сила такого взрыва должна превышать мощность взрыва сверхновой в тысячу раз. Поэтому назвали столь экзотическое явление взрывом килоновой. Считается, что такие взрывы создают несусветные богатства в виде тяжелых элементов, в том числе золота и урана.
Владимир Черевичко