Нейтронные звезды
Центральный остаток взрыва сверхновой звезды вероятно, имеет массу выше предела Чандрасека и не может породить белого карлика. Таким образом, появляется новый тип небесного тела: нейтронная звезда.
Действительно, для достаточно массивной звезды сценарий окончательного коллапса отличается от сценария, приводящего к белым карликам . Начальный порог массы звезды, то есть до потери вещества в звездных ветрах, оценивается в восемь солнечных масс.
В этом случае во время коллапса звезды, энергия электронов достаточна для того, чтобы произошел новый тип реакции, в котором электроны и протоны объединяются, чтобы произвести нейтроны. Очень быстро все вещество звезды полностью превращается в нейтроны.
В то же время число электронов быстро падает, что приводит к снижению их давления вырождения. Гравитация в таком случае обнаруживается без препятствий, и звезда продолжает разрушаться.
Давление вырождения
Процесс останавливается, когда материал достигает плотности, подобной плотности атомных ядер. Затем появляется новая сила - давление нейтронного вырождения, которая способна стабилизировать звезду.
Это давление похоже на то, что создается электронами. Этот процесс начинается, когда нейтроны сжимаются друг против друга и начинаются сильное волнение из- за принципа неопределённости.
Мы получаем новый тип небесного тела, намного меньшего размера и плотнее, чем белый карлик, нейтронную звезду. В то время как типичный диаметр белого карлика составляет 10000 километров, нейтронная звезда имеет размер порядка нескольких десятков километров.
Необычайная плотность
Диаметр, в 1000 раз меньший, означает, при равной массе, концентрацию вещества в миллиард раз сильнее. Таким образом, средняя плотность нейтронной звезды в миллион раз превышает плотность воды. Один кубический сантиметр её материала будет иметь массу 1000 миллионов тонн.
В этой необычайной плотности материя больше не имеет ничего общего с тем, что мы можем наблюдать на Земле. Тем не менее, можно использовать теоретическую физику для понимания нейтронных звезд. Таким образом, стало возможным определить внутреннюю структуру такого тела.
Первый слой составляет кристаллическая кора, образованная из атомных ядер. Следующий слой это нейтроны и протоны в свободном состоянии, сначала в жидкой форме, а затем, глубже, уже в твердом состоянии. Наконец, появляется ядро, в котором протоны и нейтроны больше не существуют, а диссоциируют на свои составляющие - кварки. Все это, очевидно, очень умозрительно и останется таковым еще долго.
Пульсары
Считавшийся ранее чисто теоретическим знанием, существование нейтронных звёзд было воспринято всерьез только спустя тридцать лет с открытием пульсаров.
В 1967 году Джоселин Белл и Энтони Хьюиш изучили влияние межпланетной среды на распространение радиоволн и случайно обнаружили источник PSR 1919 + 21, который излучал радиоимпульсы очень регулярно. Очень быстро другие радиоастрономы выявили существование очень многих подобных источников.
Все эти источники характеризовались очень быстрыми пульсациями, начиная с периода от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. И, что особенно, чрезвычайно регулярными, причем период был стабильным с относительной точностью до тысячных долей.
Природа пульсаров
Представить себе тело или явление, способное вызывать периодические сигналы с такой скоростью и точностью, было сложно. После исключения возможности внеземной цивилизации или цивилизации простых паразитов, наиболее вероятным решением было рассмотреть существование очень быстро вращающегося тела. Если бы оно производило излучение в узком луче, ситуацию можно было бы сравнить с ситуацией на морском маяке: пульсации объясняли как периодическое прохождение луча в направлении Земли.
С подобной скоростью могло вращаться только очень маленькое тело, потому что нормальная звезда, которая вращалась бы с такой скоростью, быстро распадалась бы под действием центробежной силы.
Существование нейтронной звезды, было подтверждено в 1968 году открытием Крабовидной туманности , которая ясно продемонстрировала связь между остатком сверхновой и пульсаром. В настоящее время мало кто сомневается в идентичности двух объектов, так как понимание механизмов излучения подтверждено.
Вариации излучения
Отметим также, что даже если излучение пульсара очень стабильно, оно слегка меняется со временем. Чтобы излучать радиацию, нужен источник энергии. Для пульсара, это вращение нейтронной звезды, которая служит таким источником. Но поскольку происходит потеря энергии с излучением, скорость вращения должна медленно уменьшаться.
Это то, что мы наблюдаем. Скорость вращения пульсаров уменьшается со средним относительным изменением порядка одной миллионной в год. В случае с молодыми пульсарами, такими как краб, такие изменения сильнее и составляют порядка миллионной доли в день.
Время от времени эта медленная эволюция нарушается резкими изменениями периода. Они интерпретируются как результат переналадки внутренней структуры нейтронной звезды. При сохранении момента импульса небольшое изменение размера или распределения материала должно сопровождаться нарушением вращения.
Скорость вращения пульсаров
Именно крошечный размер нейтронных звёзд, является источником феномена пульсара. Это объясняет как высокую скорость вращения, так и наличие сильных магнитных и электрических полей - всех факторов, необходимых для быстрого и стабильного радиоизлучения пульсара.
Первым следствием небольшого размера является огромная скорость вращения. В физике существует величина, называемая моментом импульса, который характеризует вращение тела. Он рассчитывается по массе, размеру и скорости вращения рассматриваемого объекта. Основным свойством момента импульса является его сохранение для изолированного тела. Например, коллапсирующая звезда должна поддерживать свой момент импульса в этом процессе.
Однако, если масса остается постоянной и размер резко уменьшается, от нескольких миллионов до нескольких десятков километров, скорость вращения должна быть увеличена для компенсации. Это тот же принцип, что и у фигуристки, которая значительно увеличивает свою скорость вращения, когда она прижимает руки к своему телу.
Поэтому малый размер нейтронных звезд является причиной очень высокой скорости вращения, которая может достигать значений в несколько сотен оборотов в секунду.
Уменьшенный размер также является причиной очень сильного магнитного поля. Действительно, во время коллапса магнитный поток звезды, то есть произведение интенсивности поля на поверхность звезды, должен быть сохранен. В результате, поскольку поверхность звезды уменьшается, магнитное поле должно сильно увеличиваться. Это объясняет, что достигаются фантастические значения, порядка тысячи миллиардов раз интенсивней земного поля.
Наконец, объединенный эффект быстрого вращения и мощного магнитного поля вызывает электрическое поле, столь же интенсивное.
Синхротронное излучение пульсаров
Именно сочетание этих трех факторов приводит к появлению пульсара. Под действием мощного электрического поля электроны, близкие к магнитным полюсам, сильно ускоряются. Затем они очень быстро движутся по спиральным линиям, которые охватывают магнитное поле и испускают синхротронное излучение, хорошо известного тип радиоволн, обнаруживаемых в некоторых ускорителях частиц.
Пучок синхротронного излучения очень узкий и его направление совпадает с направлением оси магнитных полюсов. Однако последний не выровнен с осью вращения, так как магнитный северный полюс Земли не идентичен географическому северному полюсу. Это объясняет, что луч не неподвижен, а охватывает часть неба в форме конуса. Если Земля случайно находится в зоне охвата, она получает очень короткий импульс радиоволн каждый раз, когда проходит сквозь луч.
Одним из следствий процесса является то, что мы можем наблюдать только небольшую часть от общего числа пульсаров. На самом деле, направление луча более или менее случайное, и очень маловероятно, что Земля окажется в области, охваченной данным пульсаром. Кроме того, радиоволны ослаблены, и мы можем наблюдать только самые близкие объекты.
