Классификация
Разумеется, нейтронные звезды, как и любые другие объекты, делятся на виды. Хотя учёные установили, что они могут за свою жизнь изменяться.
В основном на их развитие влияют скорость вращения вокруг своей оси и магнитное поле. Так как собственное вращение со временем тормозится, а магнитное поле слабеет, то другие свойства и процессы также меняются.
Нейтронные звезды, их типы и примеры
Радиопульсары или, по-другому, эжекторы обладают высокой вращательной скоростью и сильными магнитными полями. Они, так сказать, выталкивают заряженные релятивистские частицы, излучаемые в радиодиапазоне. Кстати, первым из данного вида звёздных тел открыли радиопульсар PSR B1919+21.
Пульсар
Пропеллеры, напротив, не выделяют заряженные частицы. Однако из-за высокой скорости вращения и силы магнитной области вещество поддерживается над поверхностью. Правда, данный тип светил сложно обнаружить и он мало изучен.
Рентгеновский пульсар или аккретор отличается тем, что в нём вещество попадает на поверхность. Потому как небольшой темп оборотов позволяет ему спускаться, но уже в состоянии плазмы. В свою очередь, она нагревается благодаря магнитному полю. Как следствие, это вещество ярко светится в рентгеновском диапазоне.
А вот пульсация возникает в результате вращения, при котором происходит затмение горячей материи. К примеру, первый аккретор — Центавр X-3 не только имел пульсацию своей яркости, но и постоянно менял период колебаний.
Рентгеновский пульсар
Георотатор имеет малую вращательную скорость, что вызывает приращение массы тела с помощью силы гравитации вещества (газа) из окружающего пространства. Такой процесс, между прочим, называется аккрецией.
Несмотря на это, границы области вокруг небесного тела позволяют магнитному полю удерживать плазму до того, как она окажется на поверхности.
Георотатор
Эргозвезда, на самом деле, представляет собой теоретически возможный тип. По мнению учёных, такой объект может сформироваться при слиянии или столкновении нейтронных звёзд.
Предполагают, что в ней имеется эргосфера, то есть область пространства-времени, расположенная рядом с чёрной дырой. Она, по идее, лежит где-то между горизонтом событий и пределом статичности. Проще говоря, подобные объекты имеют место быть, но это не точно.
Открытие пульсаров
Теория предсказывала, что максимум теплового излучения нейтронной звезды приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты при радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирант Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы при столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков были пригодны только нейтронные звёзды. Пульсар PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.
Взаимодействие нейтронной звезды с окружающим веществом определяют два основных параметра и, как следствие, их наблюдаемые проявления: период (скорость) вращения и величина магнитного поля. Со временем звезда расходует свою вращательную энергию, и её вращение замедляется. Магнитное поле также ослабевает. По этой причине нейтронная звезда за время своей жизни может поменять свой тип. Ниже представлена номенклатура нейтронных звёзд в порядке убывания скорости вращения, согласно монографии В.М. Липунова. Поскольку теория магнитосфер пульсаров все еще в состоянии развития, существуют альтернативные теоретические модели.
Образование нейтронных звезд
Описывая взрывы сверхновых, мы концентрировались на процессах, происходящих в сбрасываемой звездной оболочке. Пришло время оглянуться и посмотреть, что происходит при этом в сжимающемся ядре. Вспомним, что верхние слои вещества звезды начинают проваливаться внутрь после того, как из соединившихся с протонами электронов образуются нейтроны, в результате чего практически все вещество ядра становится нейтральным по заряду. Электрически нейтральные частицы не отталкиваются друг от друга, подобно заряженным, и вещество из нейтронов уже не в силах противостоять гравитации, которая начинает его сжимать. И схлопывание будет продолжаться до тех пор, пока не возникнут силы, способные его остановить.
Нейтроны, как и электроны, не могут быть расположены друг к другу слишком близко, а потому, если масса звезды не очень велика, в конечном итоге давление груды нейтронов уравновесит гравитацию. Законы квантовой механики говорят нам, однако, что более тяжелым частицам требуется меньшее жизненное пространство и поэтому они могут быть «упакованы» плотнее. Так как нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов, то тело, которое формируется из коллапсирующего ядра, будет куда меньше белых карликов, речь о которых шла выше. Согласно современным теориям, большинство нейтронных звезд меньше 16 км в поперечнике, то есть достаточно малы, чтобы уместиться в пределы многих городских кварталов.
Как образуется нейтронная звезда
Считается, что образование нейтронной звезды это результат вспышки сверхновой. То есть то, что остаётся от тела после взрыва. Другими словами, это конечный продукт вспышки или звёздный остаток.
Между прочим, если такой остаток больше солнечного в три раза, то его эволюция продолжается. В результате коллапса формируется чёрная дыра.
По данным учёных, любой представитель главной последовательности, при условии массы больше Солнца в 8 раз, может эволюционировать в нейтронное светило.
«Проект-Технарь» является свободной площадкой, на которой можно найти или опубликовать чертежи, курсовые или дипломные работы на техническую тематику. Найти чертежи можно на studiplom.ru
Взрыв сверхновой
Когда происходит взрыв нейтронной звезды, внешняя оболочка резко проваливается на ядро. В это время возникает волновой скачок, то есть ударная волна. Которая, к слову, разносит вокруг частицы вещества из внешних слоёв.
Кроме того, часть вещества из разрушившихся слоёв попадает в центр. Благодаря чему внутренняя часть имеет высокую плотность и температуру. Надеюсь, теперь понятно, почему маленькая нейтронная звезда невероятно мала и тяжела.
Стоит отметить, что свою энергию после взрыва светило начинает переносить не равномерно, а потоками. Что, собственно, и вызывает его нестабильность.Получается, что само ядро остается, но его свойства (масса, плотность, температура и т.д.) меняются.
Сходство черной дыры и нейтронной звезды
Черная дыра, это и есть нейтронная звезда, точнее, черная дыра представляет собой одну из разновидностей нейтронных звезд.
Черня дыра, как и нейтронная звезда состоит из нейтронов. Причем, это не нейтронный газ, в котором нейтроны находятся в свободном состоянии, а очень плотная субстанция с плотностью атомного ядра.
Черные дыры и нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса, когда давление газа в звезде не может уравновесить её гравитационное сжатие. При этом звезда сжимается до очень маленького
размера и очень большой плотности, так что электроны вдавливаются в протоны и образуются нейтроны.
Заметим, что среднее время жизни свободного нейтрона около 15 минут (период полураспада около 10 минут). Поэтому нейтроны в нейтронных звездах и в черных дырах могут быть только в связанном состоянии,
как в атомных ядрах. Поэтому нейтронная звезда и черная дыра, это как бы атомное ядро макроскопических размеров, в котором нет протонов.
Отсутствие протонов, это одно отличие черной дыры и нейтронной звезды от атомного ядра. Второе отличие связано с тем, что в обычных атомных ядрах нейтроны и протоны «склеены» друг с другом с помощью
ядерных сил (так называемое, «сильное» взаимодействие). А в нейтронных звездах нейтроны «склеены» с помощью гравитации.
Дело в том, что ядерным силам нужны еще и протоны для «склеивания» нейтронов друг с другом. Не существует таких ядер, которые состоят только из одних нейтронов. Обязательно должен быть хотя бы один
протон. А для гравитации никакие протоны не нужны, чтобы «склеить» нейтроны друг с другом.
Еще одно отличие гравитации от ядерных сил заключается в том, что гравитация, это дальнодействующее взаимодействие, а ядерные силы, это короткодействующее взаимодействие. Поэтому атомные ядра не могут
быть макроскопических размеров. Начиная с урана, все элементы периодической таблицы Менделеева имеют неустойчивые ядра, которые распадаются из-за того, что положительно заряженные протоны отталкиваются
друг от друга и разрывают крупные ядра.
У нейтронных звезд и черных дыр такой проблемы нет, так как, во-первых, гравитационные силы дальнодействующие, а, во-вторых, в нейтронных звездах и черных дырах нет положительно заряженных протонов.
Нейтронная звезда и черная дыра под действием сил гравитации имеют форму шара, а точнее эллипсоида вращения, так как все нейтронные звезды (и черные дыры) вращаются вокруг своей оси. Причем достаточно
быстро, с периодами вращения от нескольких секунд и меньше.
Дело в том, что нейтронные звезды и черные дыры образуются из обычных звезд путем их сильного сжатия под действием гравитации. Поэтому, по закону сохранения момента вращения, они должны очень быстро
вращаться.
Является ли поверхность черных дыр и нейтронных звезд твердой? Не в смысле твердого тела, как агрегатного состояния вещества, а в смысле четкой поверхности шара, без нейтронной атмосферы. Видимо, да,
черные дыры и нейтронные звезды имеют твердую поверхность. Нейтронная атмосфера и нейтронная жидкость, это нейтроны в свободном состоянии, значит, они должны распадаться.
Но это не значит, что, если мы, например, уроним на поверхность черной дыры или нейтронной звезды какое-нибудь «изделие» из нейтронов с плотностью атомного ядра, то оно останется лежать на поверхности
звезды. Такое гипотетическое «изделие» тут же «всосется» во внутрь нейтронной звезды и черной дыры.
Магнетары
Некоторые нейтронные звезды, названные источниками повторяющихся всплесков мягкого гамма-излучения — SGR, испускают мощные всплески «мягких» гамма-лучей через нерегулярные интервалы. Количество энергии, выбрасываемое SGR при обычной вспышке, длящейся несколько десятых секунды, Солнце может излучить только за целый год. Четыре известные SGR находятся в пределах нашей Галактики и только один — вне ее. Эти невероятные взрывы энергии могут быть вызваны звездо-трясениями — мощными версиями землетрясений, когда разрывается твердая поверхность нейтронных звезд и из их недр вырываются мощные потоки протонов, которые, увязая в магнитном поле, испускают гамма- и рентгеновское излучение.
Нейтронные звезды были идентифицированы как источники мощных гамма-всплесков после огромной гамма-вспышки 5 марта 1979 года, когда было выброшено столько энергии в течение первой же секунды, сколько Солнце излучает за 1 000 лет. Недавние наблюдения за одной из наиболее «активных» в настоящее время нейтронных звезд, похоже, подтверждают теорию о том, что нерегулярные мощные всплески гамма- и рентгеновского излучений вызваны звездотрясениями. В 1998 году внезапно очнулся от «дремоты» известный SGR, который 20 лет не подавал признаков активности и выплеснул почти столько же энергии, как и гамма-вспышка 5 марта 1979 года. Больше всего поразило исследователей при наблюдении за этим событием резкое замедление скорости вращения звезды, говорящее о ее разрушении. Для объяснения мощных гамма и рентгеновских вспышек была предложена модель магнетара — нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем. Если нейтронная звезда рождается, вращаясь очень быстро, то совместное влияние вращения и конвекции, которая играет важную роль в первые несколько секунд существования нейтронной звезды, может создать огромное магнитное поле в результате сложного процесса, известного как «активное динамо» (таким же способом создается поле внутри Земли и Солнца). Теоретики были поражены, обнаружив, что такое динамо, работая в горячей, новорожденной нейтронной звезде, может создать магнитное поле, в 10 000 раз более сильное, чем обычное поле пульсаров. Когда звезда охлаждается (секунд через 10 или 20), конвекция и действие динамо прекращаются, но этого времени вполне достаточно, чтобы успело возникнуть нужное поле.
Магнитное поле вращающегося электропроводящего шара бывает неустойчивым, и резкая перестройка его структуры может сопровождаться выбросом колоссальных количеств энергии (наглядный пример такой неустойчивости — периодическая переброска магнитных полюсов Земли). Аналогичные вещи случаются и на Солнце, во взрывных событиях, названных «солнечными вспышками». В магнетаре доступная магнитная энергия огромна, и этой энергии вполне достаточно для мощи таких гигантских вспышек, как 5 марта 1979 и 27 августа 1998 годов. Подобные события неизбежно вызывают глубокую ломку и изменения в структуре не только электрических токов в объеме нейтронной звезды, но и ее твердой коры.
Другим загадочным типом объектов, которые испускают мощное рентгеновское излучение во время периодических взрывов, являются так называемые аномальные рентгеновские пульсары — АХР. Они отличаются от обычных рентгеновских пульсаров тем, что излучают только в рентгеновском диапазоне. Ученые полагают, что SGR и АХР являются фазами жизни одного и того же класса объектов, а именно магнетаров, или нейтронных звезд, которые излучают мягкие гамма-кванты, черпая энергию из магнитного поля. И хотя магнетары на сегодня остаются, детищами теоретиков и нет достаточных данных, подтверждающих их существование, астрономы упорно ищут нужные доказательства.
Состав
Состав их неизвестен, предполагают, что они могут состоять из сверхтекучей нейтронной жидкости. Они обладают чрезвычайно сильным гравитационным притяжением, гораздо больше, чем у Земли и даже у Солнца. Это гравитационные силы особенно впечатляют, поскольку она имеет небольшой размер.
Все они вращаются вокруг оси. При сжатии, угловой момент вращения сохраняется, а из-за уменьшения размеров, скорость вращения возрастает.
Нейтронные звезды в одной картинке
Из-за огромной скорости вращения, внешняя поверхность, представляющая собой твердую «кору» периодически трескается и происходят «звездотрясения», которые замедляют скорость вращения и сбрасывают «излишки» энергии в космос.
Ошеломляющее давление, которое существуют в ядре, может быть похоже на то, которое существовало в момент большого взрыва, но к сожалению, его нельзя смоделировать на Земле. Поэтому эти объекты являются идеальными природными лабораториями, где мы можем наблюдать энергии недоступные на Земле.
Эжектор
Имеет сильные магнитные поля и малый период вращения. В простейшей модели магнитосферы, магнитное поле вращается твердотельно, то есть с той же угловой скоростью, что и тело нейтронной звезды. На определённом радиусе линейная скорость вращения поля приближается к скорости света. Этот радиус называется «радиусом светового цилиндра». За этим радиусом обычное дипольное поле существовать не может, поэтому линии напряжённости поля в этом месте обрываются.
Заряженные частицы, двигающиеся вдоль силовых линий магнитного поля, через такие обрывы могут покидать нейтронную звезду и улетать в межзвездное пространство. Нейтронная звезда данного типа «эжектирует» (от фр. éjecter — извергать, выталкивать) релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне. Эжекторы наблюдаются как радиопульсары.
Тайны нейтронных звезд
Можно сказать, что до реального открытия этот звёздный класс был сначала спрогнозирован в теории. То есть астрономы предполагали возможность появления подобных космических объектов.
Впервые же, их открыли лишь в 1967 году. Причем это был радиопульсар B1919+21 из созвездия Лисички.Сейчас же число найденных нейтронных звёзд свыше 2500. Как выяснилось, из них лишь немногие входят в кратные системы. В действительности же, большая часть это отдельные светила.
Созвездие Лисичка
К удивлению, некоторые считают, что в скором времени появится в Солнечной системе нейтронная звезда, которая принесёт апокалипсис и конец света.
По некоторым данным, периодически в нашей системе появляется небесное тело с сильным магнитным полем. Его часто называют планетой Нибиру.
Более того, легенды и мифы рассказывают о том, что этот таинственный объект уже посещал нас. Такое нашествие всегда несёт за собой разрушение. Опять-таки, согласно древним легендам подобное происходило несколько раз. И, если это правда, наша планета всё выдержала.
На самом деле, астрономы замечали странный объект, который пока не идентифицировали. Хотя нет никаких доказательств о том, что он приближается к Земле и вообще, что это нейтронная звезда. Иногда, люди любят приукрашивать действительность.
Планета Нибиру (изображение)
Итак, мы разобрались что такое нейтронная звезда. Надеюсь, вам было интересно узнать как появляются и на какие типы делится этот вид светил.
Какого размера красные карлики
Красные карлики – полноценные звёзды. Их масса – примерно втрое меньше, чем у Солнца, а температура поверхности около 3500 градусов. То есть они относительно холодные по сравнению с другими и их свет преимущественно в красном диапазоне, отчего эти звёзды и получили своё название.
Сравнительные размеры красных и коричневых карликов.
Размер красного карлика гораздо меньше солнечного. Самые маленькие из известных имеют радиус 11% и массу 8% солнечного. То есть радиус такого красного карлика – порядка 150 тысяч километров. Да, это немало в нашем понимании, но просто мизерная величина в звёздном масштабе. Но рядом с 10 – 20 км нейтронной звездой красный карлик колоссален. Даже белый карлик в 10 раз меньше красного.
С самыми маленькими звёздами разобрались. А какого же размера большие?
Судороги гигантов
Пульсары считаются одной из ранних стадий жизни нейтронной звезды. Благодаря их излучению ученые узнали и о магнитных полях, и о скорости вращения, и о дальнейшей судьбе нейтронных звезд. Постоянно наблюдая за поведением пульсара, можно точно установит: сколько энергии он теряет, насколько замедляется, и даже то, когда он прекратит своё существование, замедлившись настолько, что не сможет излучать мощные радиоволны. Эти исследования подтвердили многие теоретические предсказания относительно нейтронных звезд.
Уже к 1968 году были обнаружены пульсары с периодом вращения от 0,033 секунды до 2 секунд. Периодичность импульсов радиопульсара выдерживается с удивительной точностью, и поначалу стабильность этих сигналов была выше земных атомных часов. И все же по мере прогресса в области измерения времени для многих пульсаров удалось зарегистрировать регулярные изменения их периодов. Конечно, это исключительно малые изменения, и только за миллионы лет можно ожидать увеличения периода вдвое. Отношение текущей скорости вращения к замедлению вращения — один из способов оценки возраста пульсара.
Несмотря на поразительную стабильность радиосигнала, некоторые пульсары иногда испытывают так называемые «нарушения». За очень короткий интервал времени (менее 2 минут) скорость вращения пульсара увеличивается на существенную величину, а затем через некоторое время возвращается к той величине, которая была до «нарушения». Полагают, что «нарушения» могут быть вызваны перегруппировкой массы в пределах нейтронной звезды. Но в любом случае точный механизм пока неизвестен. Так, пульсар Вела примерно раз в 3 года подвергается большим «нарушениям», и это делает его очень интересным объектом для изучения подобных явлений.
Всесильная гравитация
Согласно современной теории эволюции массивные звезды заканчивают свою жизнь колоссальным взрывом, превращающим большую их часть в расширяющуюся газовую туманность. В итоге от гиганта, во много раз превышавшего размерами и массой наше Солнце, остается плотный горячий объект размером около 20 км, с тонкой атмосферой (из водорода и более тяжелых ионов) и гравитационным полем, в 100 млрд. раз превышающим земное. Его и назвали нейтронной звездой, полагая, что он состоит главным образом из нейтронов. Вещество нейтронной звезды — самая плотная форма материи (чайная ложка такого суперядра весит около миллиарда тонн).
Очень короткий период излучаемых пульсарами сигналов был первым и самым главным аргументом в пользу того, что это и есть нейтронные звезды, обладающие огромным магнитным полем и вращающиеся с бешеной скоростью. Только плотные и компактные объекты (размером всего несколько десятков километров) с мощным гравитационным полем могут выдерживать такую скорость вращения, не разлетаясь на куски из-за центробежных сил инерции.
Нейтронная звезда состоит из нейтронной жидкости с примесью протонов и электронов. «Ядерная жидкость», очень напоминающая вещество из атомных ядер, в 1014 раз плотнее обычной воды. Это огромное различие вполне объяснимо — ведь атомы состоят в основном из пустого пространства, в котором вокруг крошечного, тяжелого ядра порхают легкие электроны. Ядро содержит почти всю массу, так как протоны и нейтроны в 2 000 раз тяжелее электронов. Экстремальные силы, возникающие при формировании нейтронной звезды, так сжимают атомы, что электроны, вдавленные в ядра, объединяются с протонами, образуя нейтроны. Таким образом рождается звезда, почти полностью состоящая из нейтронов. Сверхплотная ядерная жидкость, если ее принести на Землю, взорвалась бы, подобно ядерной бомбе, но в нейтронной звезде она устойчива благодаря огромному гравитационному давлению. Однако во внешних слоях нейтронной звезды (как, впрочем, и всех звезд) давление и температура падают, образуя твердую корку толщиной около километра. Как полагают, состоит она в основном из ядер железа
Строение нейтронной звезды
Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 10^12—10^13 Гс. Для сравнения — у Земли его значение около 1 Гс. Процессы, происходящие в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Начиная с 1990-х годов, некоторые нейтронные звёзды отождествлены как магнетары. Это звёзды, обладающие магнитными полями порядка 10^14 Гс и выше.
К 2022 году открыто свыше 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90% из них — одиночные. Всего же в нашей Галактике могут существовать 108—109 нейтронных звёзд. То есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость движения (как правило, это сотни км/с). В результате аккреции вещества нейтронная звезда может быть в этом случае видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический. На который приходится около 0,003% излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине).
Нейтронные звёзды — одни из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.
В 1933 году астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что нейтронная звезда может образоваться в результате взрыва сверхновой. Теоретические расчёты того времени показали, что излучение нейтронной звёзды слишком слабое, и ее невозможно обнаружить. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х гг., когда начала развиваться рентгеновская астрономия.
