Звездная эволюция зависит от массы звезды: более легкие звезды в конце своего жизненного цикла просто сбрасывают верхние слои и становятся белыми карликами (а, остывая, превращаются в коричневые карлики), более тяжелые звезды - взрываются сверхновыми и становятся либо нейтронными звездами, либо (самые массивные) - черными дырами:
Сегодняшний рассказ посвящен нейтронным звездам. Как они образуются? Чем они особенны и интересны? Когда они были открыты? Почему они пульсируют и все ли нейтронные звезды являются пульсарами?
Нейтронная звезда - это весьма необычный объект. Карлик звездного мира. При этом - карлик сверхплотный, обладающий невероятно сильной гравитацией и чудовищным магнитным полем. Эти звезды при массе от одной до нескольких масс Солнца имеют диаметр всего в 10-30 км – то есть они «упакованы» в вещество невероятной плотности – в среднем 200 квадриллионов килограмм на кубометр! Представьте 1 кубический сантиметр вещества, который запросто может уравновесить огромный океанский лайнер:
Или - ложку вещества, которая весит, как гора Эверест!
Как же может достигаться такая плотность?
Дело в том, что нейтронные звезды состоят не из нормальных атомов, а из сжатых гравитационными силами ядер. Обычный атом выглядит вот так:
Обратите внимание на размер ядра и размер целого атома: расстояния между частицами огромны по сравнению с размерами самих частиц – подобно тому, как расстояния между Солнцем и планетами гораздо больше самих планет и главной звезды системы. Ядро во столько же раз меньше нормального атома, во сколько раз муха меньше крупного здания. Если сократить межатомные расстояния, тело многократно уменьшится: именно по этому принципу герой популярных фантастических фильмов про человека-муравья построил свой уменьшающий прибор:
Правда, создать такой прибор в реальности и сделать с его помощью из обыкновенного человека могущественного и неуловимого бойца было бы невозможно:
-во-первых, понадобилось бы колоссальное количество энергии, которое есть в центре звезды перед её взрывом. Но где ж взять столько энергии на Земле?
- во-вторых, и, наверное, главное: даже если вообразить, что подобную операцию удалось осуществить и человек уменьшился за счет сокращения межатомных расстояний, то масса-то у него останется прежней, поскольку вещество никуда не исчезло. В итоге получится человек-муравей весом в 70 кг. Миниатюрный размер его мускул ни за что не позволит ему пошевелиться – уменьшенный человек не сможет сделать ни единого движения. Кроме того, его зрачки не смогут пропускать достаточно света, а слишком маленькие уши не смогут уловить знакомых нам звуков. Вместо могущественного и неуловимого бойца перед нами окажется слепой глухой инвалид, который беспомощно лежит и не может сделать ни одного движения.
Конечно, эти факты ни в коем случае не умаляют смысла фильма. Как говорил Герберт Уэллс, художник должен полагаться ни на силу логических выводов, а на иллюзию, создаваемую искусством.
Но вернемся к звездам.
Как образуется нейтронная звезда?
Высокая температура в центре умирающей звезды и огромное давление запускает процесс нейтронизации – когда электроны притягиваются ядром атома, сливаясь с протонами и превращаясь в нейтроны. Освободившиеся расстояния позволяют веществу сжиматься, в сотни раз уменьшая размер ядра звезды - а его объем, соответственно, уменьшается в миллионы раз. Процесс происходит очень быстро, в доли секунды:
Остается маленькая и очень горячая капля (по сравнению с прежними размерами) вещества, состоящего преимущественно из нейтронов, вокруг неё – вакуум, дальше – верхние слои звезды. Сжавшееся ядро силой своего притяжения заставляет эти слои устремляться в освободившееся пространство. В процессе этого «падения» они разгоняются до огромных скоростей, ударяются о нейтронизированное ядро и отражаются обратно. Изнутри к поверхности звезды начинает распространяться мощная ударная волна:
Когда эта волна достигает поверхности, она полностью разрушает звезду. Происходит мощнейший взрыв, и мы видим вспышку сверхновой:
Вещество звезды после вспышки рассеивается по окружающему космосу, формируя планетарную туманность, а в центре остается сжавшееся ядро – нейтронная звезда.
Нейтронные звезды образуются только из звезд определенной массы: звезда должна быть как минимум в 10 раз тяжелее Солнца и горячее. Наша звезда не взорвется: после разрастания до размеров красного гиганта она просто сбросит верхние слои, превратившись в белый карлик – маленькую звезду с температурой поверхности около 100 000 °C, которая будет состоять из нормальных атомов и масса которой будет соответствовать её размеру.
В звездах еще более тяжелых и горячих – более чем в 20 раз превышающую массу Солнца и с температурой поверхности 20 000—50 000 °C процесс нейтронизации не останавливается, звезда продолжает сжиматься, пока не превратится в другой загадочный объект Вселенной – черную дыру.
Нейтронными звездами - это звезды массой, как правило, от 1,4 до 2,2 солнечных - имеется ввиду масса уже образовавшегося нейтронного ядра, а не родительской звезды. Ученые, однако, знают случаи, когда очень массивные звезды, которые, по идее, должны были превратиться в черные дыры, стали все-таки именно нейтронными звездами. Более того не всегда образованию нейтронной звезды предшествует взрыв сверхновой. Видимо, есть еще какие-то факторы, которые астрономам пока неизвестны и еще предстоит узнать, от чего зависит, станет ли звезда пульсаром или же – черной дырой.
Итак – нейтронная звезда, получившаяся из атомных ядер, превратившихся в нейтроны, теряет только свой объем, но не вещество, и потому обладает невероятной плотностью: несколько Солнц в ней сжаты в шар размером всего лишь с крупный город. Вследствие этого сила гравитации на нейтронных звездах такова, что ускорение свободного падения на их поверхности составляет около квадриллиона (!) метров в секунду за секунду.
Если вообразить падающего человека на такой звезде, то, падая с высоты всего в один метр человек разгонится к моменту «приземления» до двух миллионов метров в секунду, или – до 120 тысяч км/час!!
Обладая такой чудовищной гравитацией, нейтронная звезда постоянно притягивает к себе окружающую её планетарную туманность – по сути, бывшее вещество прежней звезды.
Сжатие ядер атомов высвобождает огромное количество энергии, поэтому температура поверхности нейтронных звезд достигает десятков и даже сотен миллионов градусов – однако при такой температуре они почти не испускают видимого света. Её излучение – это в основном невидимые глазу лучи в радио-, гамма-, или рентгеновском диапазоне. Поэтому увидеть нейтронные звезды в обычный телескоп почти невозможно.
Но как же тогда они были открыты?
У нейтронных звезд есть отличительная особенность: они, благодаря своей плотности, очень быстро вращаются вокруг своей оси. Это - следствие закона сохранения момента импульса, который зависит от характерного размера и массы. Если размер уменьшается, а масса остается прежней, то для сохранения момента импульса тело должно быстрее вращаться, причем угловая скорость возрастает обратно пропорционально квадрату радиуса тела. То есть достаточно немного уменьшить объем - и скорость вращения резко возрастет.
Этим законом пользуются, в частности, фигуристы: прижимая руки или ногу к телу, приседая они легко увеличивают скорость своего вращения на льду:
Но стоит развести руки в стороны, отвести ногу - вращение сразу замедляется и почти прекращается.
Когда радиус ядра звезды уменьшается в сотни раз, то, соответственно, скорость вращения возрастает в десятки тысяч раз:
Нейтронная звезда совершает полный оборот вокруг своей оси за сотые, иногда даже – за тысячные доли секунды! Для сравнения: наше Солнце совершает оборот вокруг оси за 24,5 земных дня. Именно это свойство - быстрое вращение нейтронных звезд помогли ученым их обнаружить в XX веке – с помощью радиотелескопов.
Неведомые сигналы из космоса
В 1967 году аспирантка Кембриджа Джоселин Белл с помощью радиотелескопов обнаружила серию радиосигналов, которые исходили от неизвестного на тот момент объекта.
Поначалу это приняли за сигналы от внеземной разумной цивилизации, и они получили неофициальное название LGM-1 – Little Green Man – «маленькие зеленые человечки». Вскоре научная группа Джоселин Белл обнаружила еще серию аналогичных сигналов. Открытие поначалу держали в тайне, через год ученые решили о нем объявить. Это была сенсация, все бросились к телескопам в поисках таинственных источников сигналов... Но вскоре выяснилось, что это вовсе не попытки инопланетян связаться с нами, а импульсы волн в радиодиапазоне, которые испускают нейтронные звезды, вращаясь с бешеной скоростью.
Спустя несколько лет ученые установили местонахождение первой обнаруженной нейтронной звезды: она находится в созвездии Лисички на расстоянии 2 283 световых лет от Земли.
Когда к 1969 году число похожих сигналов достигло 27, явление официально получило название пульсар. Пульсарам дают названия из набора букв и цифр: первый открытый пульсар был назван PSR B1919+21.
Одно время еще было популярным предположение, что все пульсары представляют собой мощные маяки внеземных цивилизаций. Теория дала богатую пищу писателям фантастам, но вскоре ученые убедились, что периодические сигналы исходят от нейтронных звезд. Они издают периодически повторяющиеся импульсы в радиодиапазоне.
Как же появляются эти импульсы? Что служит их источником?
Вращение обычных звезд создает их магнитное поле – и точно так же сверхбыстрое вращение пульсаров создает магнитное поле поистине чудовищной мощности:
Чтобы представить эту мощность, обратимся к сравнениям: магнитное поле Земли равно около 0,5 гаусса (от 0,25 до 0,65), магнитное поле Солнца – около 50 гауссов; поле самого мощного искусственного магнита, когда-либо созданного человеком, достигало 450 000 гауссов, а поля нейтронных звезд могут достигать 100 триллионов гауссов.
Может возникнуть вопрос: а как вращение нейтронной звезды вообще может создать магнитное поле, если нейтроны, из которых она состоит, не имеют заряда?
Дело в том, что термин «нейтронная звезда» не следует понимать буквально: эти объекты имеют сложную структуру и состоят далеко не только из одних нейтронов. Поверхность нейтронной звезды, её так называемая кора,
состоит из обычных атомных ядер, плавающих в море свободных электронов. В основном это – ядра железа и никеля. Можно сказать, что нейтронная звезда заключена в тонкую, толщиной до километра, металлическую оболочку, хотя этот металл в миллиарды раз плотнее и прочнее стали. Во внутренних областях звезды существование атомов уже невозможно – там просто не хватает протонов. Свободный нейтрон является нестабильным и распадается в среднем через 15 минут на протон, электрон и нейтрино:
Это процесс, точно противоположный электронному захвату, который привел к образованию нейтронной звезды. И почти сразу снова происходит электронный захват. Оба процесса в нейтронной звезде идут параллельно. При высоких температурах и давлении в недрах звезды нейтронизация побеждает, но в целом около 10% вещества звезды составляют протоны и электроны.
Нейтрино же постепенно покидают звезду и устремляются в космос унося с собой заметную часть внутренней энергии вещества нейтронной звезды.
Итак, пульсары (не рентгеновские) обладают сверхмощным магнитным полем, и выбрасывают со своих полюсов потоки заряженных частиц, преимущественно в радиодиапазоне:
Магнитные полюса звезды, как это обычно и бывает, не совпадают с географическими полюсами. Звезда быстро вращается – и поток выбрасываемых с полюса частиц описывает в пространстве конус:
Когда луч, бегущий вдоль поверхности такого конуса, пересекает Землю, радиотелескоп фиксирует вспышку, которая быстро гаснет, когда луч убегает прочь. Выглядит это как радиосигнал, повторяющийся с частотой несколько сотен или тысяч раз в секунду – с той частотой, с которой вращается породившая этот невидимый для глаза луч частиц нейтронная звезда:
Рентгеновские пульсары
Вскоре после обнаружения первых пульсаров астрономы обнаружили и другие источники подобных импульсов – они фиксировались как мощные рентгеновские излучения. Их назвали – рентгеновские пульсары. Они также являются нейтронными звездами, но в отличие от обычных радиопульсаров, расходующих собственную энергию вращения, рентгеновские пульсары существуют в двойных звездных системах, где вторая звезда еще не превратилась в пульсар или в черную дыру. Сверхсильная гравитация нейтронной звезды притягивает вещество второй звезды:
Частицы падают на поверхность звезды в районе её магнитных полюсов, ускоряясь при падении до 1/3 скорости света:
Кинетическая энергия падающего вещества переходит в тепловую – и магнитные полюса нейтронной звезды раскаляются, светятся ощутимо ярче, чем остальная поверхность звезды,излучая энергию в рентгеновском диапазоне. Рентгеновские пульсары вращаются гораздо быстрее обычных – это их скорость вращения доходит до тысяч оборотов в секунду.
Сейчас ученым известно уже более 2000 пульсаров, ближайший из которых находится в 20 световых годах от Солнца. Но все ли нейтронные звезды становятся пульсарами?
Становятся - все, но не все существующие нейтронные звезды – пульсары. Когда-нибудь нейтронная звезда остывает, замедляет вращение и перестает пульсировать. Да, она продолжает излучать, но площадь этого излучения слишком мала, чтобы заметить такую звезду со значительного расстояния. Поэтому нам до сих пор известно лишь порядка 2000 нейтронных звезд, хотя, по оценкам астрономов, их должны быть миллионы.
Есть еще один вид нейтронных звезд – магнетары. Это так называемые нейтронные звезды-переростки, масса которых слишком велика и, по идее, они должны были превратиться в черные дыры, однако стали нейтронными звездами. Эти объекты вращаются очень быстро – так быстро, что возникающая при их вращении центробежная сила удерживает их от коллапса и превращения в черную дыру:
Но ненадолго – всего на пару миллионов лет. Потом вращение магнетаров замедляется, и они все-таки коллапсируют в черные дыры. От законов физики, как и от судьбы, не отвертеться.
Планетные системы нейтронных звезд
Возможно ли существование планет у нейтронных звезд? На первый взгляд - этого не может быть, ведь при взрыве сверхновой неминуемо гибнут все планеты, окружавшие звезду. С другой – нейтронная звезда сама по себе существует миллиарды лет – так почему бы за это время близ неё не сформироваться планетам?
Ученые уже обнаружили планеты вокруг некоторых пульсаров. Например, в системе пульсара PSR-1257+12, находящегося в 2300 световых годах от нас, в созвездии Девы, найдены три планеты, которые назвали Драугр, Полтергейст и Фобетор:
Попав в систему пульсара, мы бы оказались в царстве темноты и холода: ведь пульсары видимого света, как и инфракрасного излучения, почти не испускают, от них исходит только смертоносное излучение, губительное для всего живого. Поэтому большинство ученых придерживаются мнения, что никакой жизни на планетах в системе пульсаров нет и быть не может.
Но есть и другая точка зрения: возможно, планеты достаточно массивные - такие, как Фобетор и Полтергейст, имеют плотную атмосферу, способную поглощать мощное вредное излучение, преобразуя его в тепло и свет. Тогда, если эти планеты находятся достаточно далеко от пульсара - а расстояние действительно может быть очень большим: вспомним колоссальную силу гравитации пульсаров! - то какие-то формы жизни могут существовать и на таких планетах. Сами формы жизни тоже различаются по степени переносимости радиации: например, на Земле есть бактерии, которые могут выжить без какого-либо ущерба для жизни, получив дозу радиации в 500 раз больше, чем необходимо, чтобы убить человека. Почему бы подобным бактериям не жить, к примеру, на Полтергейсте?
Как заканчивают жизнь нейтронные звезды?
Нейтронные звезды существуют миллиарды лет. Ничто, как известно , не вечно во Вселенной. Чем же заканчивается жизнь этих сверхплотных и горячих карликов?
По мнению ученых, тут есть несколько сценариев:
1. Когда обе звезды в двойной звездной системе превращаются в нейтронные, то благодаря огромной силе гравитации они начинают сближаться все быстрее и быстрее, пока,наконец, не столкнутся и не сольются в одну звезду:
Получившаяся звезда будет обладать уже большой массой - больше, чем нужно, чтобы удержать её от превращения в черную дыру. В результате звезда сжимается и получается новая черная дыра. Сжатие и коллапс такой звезды всегда сопровождается мощной и яркой вспышкой, в среднем в тысячу раз превосходящей вспышку обычной сверхновой.
2. Благодаря своей мощной гравитации, нейтронная звезда, даже одиночная - постоянно притягивает к себе вещество получившейся от взрыва туманности:
И постепенно добирает массу, пока не достигнет той критической, при которой она превращается в черную дыру.
3. Если нейтронной звезде удалось избежать столкновения и утяжеления, достаточного для достижения критической массы, то она, как предполагают ученые, будет остывать, пока температура в её недрах не упадет настолько, что начнется процесс, обратный нейтронизации: постоянный распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино. Нейтронизация приводит к сжатию - соответственно. обратный процесс должен привести к расширению звезды и началу в ней термоядерных реакций. Однако снова обычной звездой она не станет: астрофизики считают, что нейтронная звезда даже спустя сотни миллиардов лет будет оставаться очень горячей - куда горячее обычных звезд. Начавшийся процесс термоядерных реакций должен будет привести ко взрыву, который окончательно уничтожит звезду. Но всё это - только гипотеза, ведь наша Вселенная - во всяком случае та, которую мы можем наблюдать - существует всего около 14 млрд лет.
4. Наконец, если в двойной или тройной звездной системе одна из звезд становится черной дырой, она поглотит своих соседок.
Нейтронные звезды интересуют не только астрономов. Их изучение может дать ключ к пониманию природы сил ядерного взаимодействия, гравитации, магнитоплазмодинамики. Впрочем, изучение космоса, планет, звезд часто имеет не только теоретическое значение, а находит и вполне практическое применение на Земле.
Ставьте лайк, если понравилась статья. Пишите комментарии, подписывайтесь на канал - будет еще много интересного!
Следующая тема путешествия - черные дыры.