Нейтронные звезды — одни из самых загадочных объектов Космоса. Их существование было предсказано в 1934 году. Открытие нейтронной звезды произошло в 1967 году, однако, спустя больше чем полвека, астрофизики все еще не могут разгадать тайны этих удивительных космических тел.
Открытие нейтронных звезд
Открытие нейтронных звезд принадлежит ученому-девушке — Джослин Белл. В 1969-м году Белл была студенткой Кембриджа. Она активно занималась изучением радиосигналов из Космоса. Детектор, с которым работала студентка был создан ее наставником — доктором Энтони Хьюишем. Анализируя полученные данные, Джослин Белл увидела странные повторения радиосигнала. Они происходили за строго одинаковое время. Это показалось странным молодой исследовательнице. Источник сигнала был расположен в созвездии Лисичка. Узнав об открытии Белл, многие ученые предположили, что такое явление не может происходить по естественным причинам. Некоторые даже задумались о контакте с внеземной цивилизацией, сам источник сигнала назвали «Маленькими зелеными человечками» или LGM.
Со временем ажиотаж спал, и ученые принялись искать объяснение явления. Как оказалось, к источнику повторяющегося радиосигнала не приложили руку инопланетяне, а наткнулась Джослин Белл на нейтронную звезду особого типа — пульсар. Пульсары быстро вращаются, испуская джеты. Именно эти джеты и зафиксировал детектор. К настоящему моменту астрономы открыли уже более 2,5 тысяч таких объектов.
Предсказание нейтронных звезд
В отличии от звезд, нейтронные звезды обладают весьма компактными размерами (примерно 25 км в диаметре), и располагаются на большом удалении от Земли. Именно поэтому обнаружить их в оптический телескоп было просто не возможно. Однако, как и черные дыры, они были предсказаны задолго до открытия. Считается, что первыми предположили существование этих компактных объектов два астронома — немец Вальтер Бааде и швейцарец Фриц Цвикки в 1934 году. Существует и другое мнение. Согласно ему первым предсказал существование нейтронных звезд знаменитый советский физик Лев Ландау еще в 1932 году. Именно тогда были открыты субатомные частицы — нейтроны.
Бааде и Цвикки предположили, что во время коллапса старой звезды, оболочка улетает в Космос, а железное ядро светила становится массой, состоящей из нейтронов. Для такого превращения подходят не все звезды. Чтобы на месте светила появился нейтронный объект, необходимо, чтобы масса ядра превосходила солнечную массу в 1,4 раза.
Свое название нейтронные звезды получили из-за того, что в большей степени они состоят из нейтронов, хотя в состав входят также протоны и электроны, которые делают эти объекты нейтрально заряженными. К тому же нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов во Вселенной.
Нейтронные звезды обладают мощными магнитными полями, которые простираются на огромные расстояния. Если сравнивать магнитное поле Земли с магнитным полем нейтронной звезды, то второе может быть в квадриллион раз мощнее. В 2004 году до Земли дотянулось магнитное поле нейтронной звезды, расположенной на расстоянии 50 000 световых лет. Это произошло в результате вспышки на удаленном объекте.
Как появляются нейтронные звезды
Нейтронные звезды получаются из обычных звезд. Обладающая необходимой массой звезда проходит свой жизненный цикл от рождения до коллапса. В стабильном состоянии, называемом стадией главной последовательности, звезда существует большую часть своего времени, а силы гравитации и ядерного синтеза находятся в относительном равновесии. Подходя к концу жизненного пути, светило становится сверхгигантом. К этому времени в ядре заканчивается топливо. Ядро начинает разрушаться. Составляющие его атомы распадаются на субатомные частицы. Огромное давление заставляет протоны и электроны объединяться, благодаря чему образуются нейтроны.
При слиянии высвобождается много энергии. Появляется сверхновая звезда. Материя разлетается во все стороны, а на месте бывшей звезды остается ядро, богатое нейтронами.
В похожих процессах формируются и черные дыры. Станет звезда нейтронной или превратится в черную дыру зависит от массы. Существует две величины. Первая из них называется пределом Чандрасекара (около 1,4 солнечных масс). Другая называется предел Толмана-Оппенгеймера-Волкова (1,5-3 солнечных массы). Чтобы стать нейтронной звездой, объект по значению массы должен находиться между этими пределами. Если масса больше предела Толмана-Оппенгеймера-Волкова, то ядро звезды коллапсирует, приобретая бесконечную плотность. В этом случае образуется черная дыра.
Что находится внутри нейтронной звезды
Нейтронные звезды, как и многие другие космические объекты, состоят из слоев: атмосфера, оболочка, кора, ядро, делящееся на внешнее и внутреннее.
Астрофизики считают, что внутри этого объекта, благодаря огромной плотности, атомы сжимаются до плоского состояния, а если продвигаться еще ниже, то превращаются в одномерные структуры (ученые называют их: спагетти, лазанья, зити и равиолли). Ядра атомов располагаются на минимальном расстояние, едва ли не касаясь друг друга. В ядре нейтронной звезды остаются только нуклоны (нейтроны и протоны), который ученые называют соусом. Они образуют однородную массу материи. Свойства внутреннего ядра нейтронной звезды пока являются загадкой для науки. Физики предполагают, что здесь возможны очень необычные явления, а материя пребывает в странных состояниях.
Классификация нейтронных звезд
Нейтронные звезды делятся на одиночные и представителей бинарных систем. К первому типу нейтронная звезда относится, если она не имеет в зоне своего гравитационного влияния звезду-партнера. Нейтронные звезды данного класса испускают некоторые виды излучения, например, инфракрасное, регистрируемое в видимом диапазоне, рентгеновское или гамма-излучение. Изолированные нейтронные звезды могут быть нескольких типов.
1. Компактные центральные объекты (COO). Они располагаются в центрах сверхновых звезд.
2. Тусклые изолированные нейтронные звезды (DINS). Более старые представители класса, чем первый тип. Тусклые нейтронные звезды излучают в основном в рентгеновском диапазоне.
3. Пульсары — самый многочисленный подкласс. Вращаясь с очень большой скоростью, пульсары испускают в пространство радиоизлучение (могут порождать рентгеновское, оптическое и гамма-излучение). Сигналы от этих нейтронных звезд имеют повторяющийся характер. Самый быстрый пульсар, обнаруженный человечеством, вращается со скоростью 650 оборотов в секунду.
Приобретают такую скорость вращения пульсары благодаря сохранению углового момента. Наиболее наглядно его можно наблюдать во время соревнований фигуристов. Расставляя руки и ноги в стороны, спортсмен вращается на льду с небольшой скоростью, однако, стоит ему прижать конечности к телу, как скорость вращения сильно возрастает. Также происходит и со звездами. Пока звезда большая, она имеет сравнительно небольшую скорость вращения, но сбросив оболочку, оставшееся ядро начинает совершать гораздо больше оборотов вокруг своей оси. На данный момент открыто более 1600 космических маяков — пульсаров.
В бинарных системах нейтронная звезда взаимодействует с другим объектом. Это может быть обычная или нейтронная звезда. В случае, когда нейтронная и обычная звезды вращаются вокруг общего центра масс, подобную систему делят на два типа.
1. Если звезда-компаньон превышает Солнце по массе в 2-3 раза, то такую систему называют высокомассивным рентгеновским бинаром (HMXB).
2. Если компаньон нейтронной звезды уступает по массе Солнцу, то система называется рентгеновским бинаром низкой массы (LMXB).
Конец эволюции нейтронной звезды
Нейтронные звезды, как и другие объекты Вселенной не существуют в одном состоянии всегда. Со временем они теряют температуру. Их излучение становится менее интенсивным, вращение замедляется, а магнитное поле теряет мощность. Если нейтронная звезда имеет в качестве компаньона обычную звезду, то она может начать «воровать» вещество. В этом случае звезда-компаньон теряет оболочки, а ее ядро становится белым карликом или нейтронной звездой.
Если в бинарной системе находится две нейтронные звезды, то они со временем сливаются, образовывая одну нейтронную звезду, а при достаточной массе черную дыру. Этот процесс сопровождается колебанием ткани пространства-времени, гравитационные волны которого регистрируются приборами на Земле и в Космосе.
Изучение нейтронных звезд
Нейтронные звезды сейчас активно изучаются учеными. Чтобы разгадать свойства этих объектов, астрофизикам предстоит выяснить многое. Земляне до сих пор не знают, какая максимальная масса может быть у нейтронной звезды, какого она может быть максимального объема. Однако, главная загадка таится во внутреннем ядре этого компактного объекта. Какими свойствами обладает вещество в недрах, и что оно из себя представляет, предстоит выяснить в будущем. На данный момент ученые изучают гравитационные волны, родившиеся в слияниях нейтронных звезд. Их исследование может дать много новой информации о природе этих объектов.
Не останавливаются и эксперименты со сверхтекучим гелием, призванные установить свойства вещества в нейтронных звездах.