Нейтронные звёзды представляют собой самые плотные объекты во Вселенной после чёрных дыр, воплощая экстремальные состояния материи, недостижимые в земных лабораториях. Эти космические реликты массивных звёзд сжимают массу, превышающую солнечную, в сферу диаметром всего 20-25 километров, создавая плотности, сравнимые с плотностью атомного ядра.
Формирование нейтронных звёзд происходит в результате катастрофического коллапса ядра массивной звезды во время взрыва сверхновой. Когда ядерное топливо в центре звезды исчерпывается, гравитационное сжатие преодолевает давление вырожденных электронов, заставляя протоны и электроны объединяться в нейтроны. Этот процесс сопровождается выделением колоссального количества нейтрино и формированием сверхплотного нейтронного ядра.
Внутренняя структура нейтронной звезды напоминает многослойный "сэндвич". Внешняя кора состоит из тяжёлых атомных ядер в море вырожденных электронов. Глубже, во внутренней коре, ядра становятся настолько нейтронно-богатыми, что избыточные нейтроны "капают" из ядер, образуя нейтронную жидкость. В ядре звезды материя существует в форме сверхтекучей нейтронной жидкости с примесью протонов и электронов.
Магнитные поля нейтронных звёзд достигают невероятных значений — до 10^15 Гаусс для магнитаров, что в триллионы раз превышает магнитное поле Земли. Эти поля генерируются конвективными движениями в протонейтронной звезде в первые секунды после формирования. Распад магнитного поля обеспечивает энергию для различных проявлений активности нейтронных звёзд.
Пульсары — вращающиеся нейтронные звёзды с наклонёнными магнитными осями — действуют как космические маяки, излучая узконаправленные пучки радиоволн. Регулярность пульсарных импульсов позволяет использовать их как точнейшие космические часы. Некоторые миллисекундные пульсары превосходят по стабильности лучшие атомные часы.
Уравнение состояния вещества нейтронных звёзд остаётся одной из центральных проблем ядерной физики и астрофизики. Гравитационно-волновая астрономия открыла новые возможности для изучения этого вопроса. Слияние нейтронных звёзд, впервые зарегистрированное детекторами LIGO и Virgo в 2017 году, позволило получить ограничения на радиус и деформируемость нейтронных звёзд.
В центрах наиболее массивных нейтронных звёзд могут существовать экзотические формы материи, включая гипероны, каоны или даже кварковое вещество. Переход к кварковой материи может происходить скачком, создавая "гибридные звёзды" с кварковыми ядрами. Изучение массивных нейтронных звёзд помогает понять пределы устойчивости обычной материи.
Аккрецирующие нейтронные звёзды в двойных системах демонстрируют разнообразные проявления активности. Рентгеновские пульсары, барстеры, аномальные рентгеновские пульсары и магнитары представляют различные режимы взаимодействия нейтронной звезды с окружающим веществом и собственным магнитным полем.
Будущие наблюдения с помощью рентгеновских обсерваторий нового поколения и гравитационно-волновых детекторов обещают раскрыть многие тайны нейтронных звёзд. Эти исследования помогут понять фундаментальные свойства материи в экстремальных условиях и проверить теории сильного взаимодействия за пределами возможностей земных ускорителей.