Что такое нейтронные звезды и как они устроены?
Ясное ночное небо усеяно бессчетным количеством звезд. И среди всевозможных разновидностей удаленных от колыбели человечества и разбросанных в бесконечном пространстве Вселенной далеких солнц, галактик, черных дыр и иных любопытных объектов отдельной категорией идут космические тела, удивляющие собственными характеристиками, ибо обладают впечатляющей массой при поразительно невеликих габаритах. О том, что представляет собой нейтронная звезда, астрономический объект, продолжающий беспокоить пытливые умы ученых, — в материале 24СМИ.
Чем нейтронные звезды отличаются от обычных
Нейтронные звезды невероятно малы и одновременно тяжелы – их масса сравнима с солнечной, а иногда даже превышает ее.
Согласно исследованиям астрофизиков из Германии, масса невращающихся нейтронных звезд иногда превышает массу Солнца в более чем 2 раза, в то время как их средний радиус составляет 10-20 км. Если взять чайную ложку любого вещества с поверхности Земли – ее масса будет не больше килограмма, в то время как материя того же объема, взятая из недр самых плотных нейтронных звезд, превысит значение, равное десяткам миллиардов тонн.
Нейтронные звезды устроены следующим образом: их поверхность – или кора – состоит из атомных ядер и электронов, оставшийся объем представлен в виде «нейтронной жидкости», а в центре расположено ядро. Строение слоев условно разделяют на пять частей: атмосферу, внешнюю и внутреннюю структуру коры, наружное и глубинное ядро.
За счет высокой плотности вещества нейтронных звезд, которая равна в среднем 10^19 кг/м^3, и крохотных размеров формируется ускорение свободного падения на поверхность, превосходящее земное в 100 млрд раз. Гравитация такого космического тела настолько велика и так сильно ускоряет падающий на нее объект, что в случае соприкосновения с корой удар будет такой силы, что мгновенно расщепит вещество на нейтроны.
Как появляются нейтронные звезды
Рассматриваемые космические объекты зарождаются после взрыва сверхновых. Завершив процесс эволюции, они подвергаются нескольким «метаморфозам». На вопрос, какие звезды превращаются в нейтронные, возможно ответить следующим образом: космические тела с недостаточной массой, к примеру, как у Солнца, лишаются внешних слоев и преобразуются в белых карликов; если масса достигает необходимой отметки, после коллапса светило превращается в черную дыру, если нет – то в нейтронную звезду.
История исследования
Нейтрон был впервые открыт в 1932 году Джеймсом Чедвиком. Однако еще до этого события ученый из СССР Лев Ландау в своем материале, напечатанном зимой 1931 года, прогнозировал, что нарушение законов квантовой механики не за горами. Советский физик-теоретик уверял, что проявится подобное следующим образом: когда плотность вещества будет настолько большой, что атомные частицы окажутся в тесной связи, произойдет формирование одного огромного ядра.
В начале 1933 года два астронома, Фриц Цвикки и Вальтер Бааде, озвучили первое стойкое высказывание относительно того, что существует такой объект, как нейтронная звезда. Ученые выдвинули ряд обоснований в защиту собственной концепции образования нейтронного светила после взрыва сверхновой. Эти исследования продемонстрировали, что излучения, исходящие от нейтронных звезд, не зафиксированы из-за недостаточного уровня оптического оборудования той эпохи.
1967 год, Кембридж. Джоселин Белл обнаружила радиоимпульсы, исходящие от звезд, которые, согласно сегодняшним сведениям, причисляют к разряду сильно намагниченных и быстро вращающихся нейтронных космических тел, именуемых пульсарами, – это событие привело к открытию первой в истории нейтронной звезды.
Виды нейтронных звезд
Нейтронные космические объекты взаимодействуют с окружающей материей по двум основным критериям – скорости вращения и уровню магнитного поля. По мере развития такие тела становятся медленнее, что влечет за собой ослабление магнитного поля, поэтому их и разделяют на различные типы.
Список нейтронных объектов в порядке снижения периода вращения:
1) Эжекторы:
Высокий уровень магнитного поля и низкая степень оборотов. На особом радиусе вращения поля скорость близится к световой. Покидая пределы этого радиуса, типичное дипольное поле не способно работать, поэтому возникают обрывы, после чего заряженные частицы отправляются в межзвездное пространство. Звезда начинает «эжектировать» (вымещать) релятивистки заряженные частицы. На Земле эжекторы причисляют к радиопульсарам.
2) «Пропеллеры»:
Из-за низкой скорости оборотов не происходит эжекции частиц, ввиду чего рассматриваемый вид объекта не способен быть радиопульсаром. Вместе с тем набранной скорости хватает, чтобы материя не упала на поверхность.
3) Аккреторы:
Скорость снижена так сильно, что материя свободно падает на нейтронное тело, разогревая его полюса и повышая температуру на миллионы градусов. Нагревшись, вещество начинает излучать яркое свечение, по этой причине такие объекты называют рентгеновскими пульсарами.
4) Георотаторы:
Скорость оборотов мала, что не мешает аккреции. Однако за счет особых размеров магнитосферы магнитное поле останавливает плазму до того, как она столкнется с гравитацией. Похожее явление происходит в магнитосфере Земли.
5) Эргозвезды:
Так называют теоретически существующую разновидность нейтронных объектов, обладающих эргосферой, образование которых, предположительно, происходит в результате слияния двух вращающихся нейтронных звезд.
«Магнитные» звезды
Звезды этого класса характеризуются невероятно сильным магнитным полем, что в миллионы раз превосходит по мощности любой созданный искусственно магнит и в триллион раз — поле Земли. При этом диаметр этих тел почти не отличается от такового у нейтронных светил и равен 10-20 км.
В 1980-е годы прошлого века появилась гипотеза, что мягкие гамма-ретрансляторы и аномальные рентгеновские пульсары являются разновидностью магнетаров.
О существовании рассматриваемых объектов стали подозревать в 1979 году, когда два советских космических беспилотника, сброшенных в атмосферу Венеры, оказались поражены колоссальным гамма-излучением. Это событие привело к тому, что ученые зафиксировали аномальные цифры – вместо привычных 100 импульсов в секунду демонстрировались показатели в 200 тысяч. Произошедшее событие назвали мощнейшей волной внесолнечных гамма-излучений из когда-либо замеченных.
Занимательная особенность
Около 5% нейтронных объектов отличаются следующей особенностью: существуют в двойных системах – они соединены с белыми карликами, красными гигантами или другими нейтронными звездами.
Предположение о наличии во Вселенной двойных звезд было впервые озвучено Джоном Мичеллом в 1767 году в Королевском обществе: он отметил, что множество космических светил, наблюдаемых как двойные, имеют полноценную физическую связь.
В начале 2003 года австралийские радиоастрономы нашли первую двойную систему с двумя пульсарами, то есть состоящую из двух гравитационно связанных нейтронных тел.
Известные нейтронные звезды
Учеными открыто больше 2000 нейтронных объектов, 90% из них – одиночные звезды, оставшиеся состоят в звездных системах. Согласно исследованиям научного сообщества, в нашей галактике расположено от 100 млн до 1 млрд нейтронных тел.
Наибольшим из всех оказался пульсар PSR J0740+6620 – его масса равна 2,17 массы Солнца при диаметре в 20-25 километров. Он найден в 2019 году и расположен в 4600 световых лет от Земли. Известно всего несколько нейтронных звезд, масса которых превышает солнечную в 2 раза. Открытие объекта поможет формированию еще не созданного уравнения – на его основе выяснят состояние материи в глубине нейтронных тел.
Тифон
В древних преданиях неоднократно встречается упоминание об инфернальном событии, когда над Землей пролетел странный космический объект, называвшийся вторым Солнцем. Отталкиваясь от разных доводов, возможно предположить, что в нашей Солнечной системе присутствует небесное тело исполинских размеров, что движется вокруг центрального светила с периодичностью в 4-5 тысяч лет. Народы древности именовали его Тифоном, Огненным Змеем, Медузой Горгоной и т. д.
По всей видимости, оно относится к нейтронным звездам типа «пропеллер», чья материя сгорела в результате эволюционных процессов, а масса снизилась после эмиссии нейтронов с ее коры.
Описание приближения Тифона к Земле, изложенное Аполлодором в 146 году до н. э., рисует образ мифического опоясанного кольцами дыма и задевающего макушкой звезды стоглавого чудища-дракона. Перевернувшего горы и простершего руки на запад и восток. Согласно записям древнего автора, Тифон был необъятных размеров и разбрасывал камни, окаймленные огнем.
Плиний в «Естественной истории» 77 года н. э. писал про устрашающую комету, что наблюдали люди Эфиопии и Египта. Она вращалась словно юла, пугая народ и вводя в ужас. Тифон, владыка того времени, поручил назвать огненный шар своим именем.
Приведенные упоминания – только часть из того, что говорили древние люди о космическом теле, что пугало и заставляло всматриваться в небо. Нейтронная звезда – возможно, как раз она стала причиной страха народов древности. Так или иначе, звезды и другие космические объекты всегда приковывали к себе внимание человечества, возбуждали воображение, очаровывали и заставляли думать, что в бескрайнем космосе еще масса неизвестного и нуждающегося в познании.