Что такое нейтронные звезды? Все об этих загадочных звездных телах
Здравствуйте, друзья!
А вы знаете что такое нейтронные звезды?
В этом посте я вам расскажу многое об этих загадочных звездных телах.
Когда звезда умирает, остается несколько звездных объектов, от относительно приземленного белого карлика до загадочной черной дыры.
Но между этими двумя крайностями находится нейтронная звезда, объект такой огромной плотности, что лишь немногие другие объекты во Вселенной даже приближаются к ней.
В отличие от своего более плотного родственника, черной дыры, нейтронные звезды видны и очень активны, как немногие другие объекты во Вселенной, что делает их интересными объектами изучения для астрономов.
Что такое нейтронные звезды?
Как они формируются?
Чем они отличаются от черных дыр?
И может ли Солнце стать нейтронной звездой?
Читайте дальше, чтобы узнать это и многое другое об этих невероятных небесных объектах.
Что такое нейтронная звезда?
Когда звезда исчерпывает свое топливо, может произойти одна из нескольких вещей вследствие ее массы.
Если звезда достаточно мала, она, вероятно, станет белым карликом.
Если она достаточно массивна, то закончит свою жизнь как черная дыра.
Нейтронные звезды занимают пространство между этими двумя исходами, хотя они ни в коем случае не являются типичной судьбой звезды главной последовательности.
Нейтронная звезда — это, по сути, звездный труп — остатки звезды, которая исчерпала свое топливо и впечатляющим образом схлопнулась сама в себя.
Она больше не сжигает водород, гелий или какой-либо другой элемент в качестве топлива и, по сути, является мертвой материей.
Однако это не означает, что они холодные и неактивные.
Нейтронная звезда часто представляет собой остатки ядра звезды, достаточно большой, чтобы, когда ее масса коллапсирует после завершения ядерного синтеза, она была настолько плотной, что подавляющее большинство электронов и протонов атомных ядер в ее ядре сливаются вместе, образуя нейтроны.
Это производит всевозможные невероятные явления, которые мы только начинаем понимать.
Нейтронные звезды редкость?
Представление художника о гамма-вспышке 27 декабря 2004 г., исходящей от нейтронной звезды SGR 1806-20.
Условно говоря, да.
Для образования нейтронной звезды необходимо соблюдение очень специфических условий, и на самом деле все сводится к массе звезды.
Когда массивные звезды исчерпывают все свое топливо, они достигают точки, в которой они начинают плавить железо, но в результате этого синтеза больше не выделяется энергия.
Без внешней силы термоядерной энергии в их ядрах, чтобы противостоять эффекту гравитации и удерживать их невероятную массу, эти звезды подвергаются гравитационному коллапсу.
Если масса звезды превышает примерно восемь солнечных масс, но меньше 20-30 солнечных масс, ее ядро будет невероятно уплотнено, но не настолько, чтобы сила выталкивания конденсированного материала наружу не смогла удержать звезду от полного коллапса под собственным весом до бесконечной плотности.
В галактике не так уж много звезд, удовлетворяющих этому ограниченному весовому условию, но астрономы считают, что в Млечном Пути насчитывается около миллиарда нейтронных звезд, что примерно равно количеству черных дыр звездной массы в галактике.
Хотя один миллиард звучит как много, по сравнению с примерно 400 миллиардами звезд в Млечном Пути, один миллиард нейтронных звезд составляет около 0,25% всех «звезд» в галактике.
Так что да, нейтронные звезды редки.
Как формируются нейтронные звезды?
Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса особенно большой звезды с массой от 8 до 30 масс Солнца.
Как ни странно, чем больше звезда, тем быстрее она сжигает свое топливо, поскольку чем больше звезда, тем больше площадь поверхности, с которой она может излучать энергию.
Таким образом, звезда, масса которой в 30 раз превышает массу нашего Солнца, сожжет свое водородное топливо за долю времени, которое потребовалось бы нашему Солнцу, чтобы сделать то же самое.
Фаза красного гиганта более крупной звезды, во время которой она в основном синтезирует гелий, закончится даже быстрее, чем миллиард лет, который потребуется нашему Солнцу, чтобы исчерпать свои запасы гелия.
Последующее слияние кислорода, углерода и кремния в железо произойдет еще быстрее, и это верхний предел элементов, которые любая звезда может слить вместе для получения энергии.
К настоящему времени внешняя сила любого происходящего слияния больше не может уравновешивать гравитацию такой большой массы, поэтому в этот момент звезда быстро коллапсирует в свое ядро.
Она делает это с такой силой, что вдавливает ядро в непроницаемую субстанцию, плотность которой сравнима с куском сахара размером с кусочек сахара и массой горы Эверест.
Понятно, что внешний материал звезды просто отскакивает от ядра, как ракетный мяч, ударяющийся о бетонную стену при первой подаче.
Это производит внезапный — и впечатляющий — взрыв, поскольку вся эта энергия вместо этого направляется наружу, в космос, результат которого мы называем сверхновой.
Они могут быть настолько энергичными и яркими, что мы можем видеть их даже в далеких галактиках.
Тем временем оставшийся кусок ядра звезды остается сжатым в сверхплотный шар из-за неистовых сил гравитационного коллапса звезды, и теперь это то, что мы бы назвали нейтронной звездой.
Насколько велика нейтронная звезда?
Нью-Йорк больше, чем типичная нейтронная звезда, как и должно быть.
«Больше» здесь совсем не то слово.
Нейтронная звезда невероятно мала по астрономическим меркам.
На самом деле в Солнечной системе есть множество астероидов, которые во много раз больше, чем типичная нейтронная звезда.
Средняя нейтронная звезда имеет диаметр около 12 миль (19,3 километра), что примерно соответствует расстоянию между самой восточной окраиной Нью-Йорка (начиная с границы района Квинс с округом Нассау, Лонг-Айленд) и центром Манхэттена.
На самом деле, она даже не дотянется до центра Бруклина и едва ли дотянется до Вильямсбургского моста.
По сути, нейтронная звезда составляет примерно пятую часть размера величайшего города Америки — меньше половины дистанции, которую бегун должен был бы преодолеть в Нью-Йоркском марафоне, но все же ее масса в три раза превышает массу Солнца.
Имейте в виду, что масса Солнца способна удерживать пояс Койпера, включая Плутон, на орбите, даже если он находится на расстоянии в миллиарды миль.
А теперь представьте себе нечто в два с половиной-три раза массивнее, сжатое в объем, диаметр которого не может покрыть длину даже одного из пригородов Нью-Йорка.
Вот насколько плотна нейтронная звезда, и это приводит к действительно сумасшедшей физике.
Какие звезды становятся нейтронными?
Нейтронные звезды могут образовываться только из определенного типа звезд.
Если первоначальная звезда имеет массу менее восьми масс Солнца, то, как только она сожжет свое гелиевое топливо, ядро звезды «сбросит» свой внешний слой материала.
Это оставляет после себя плотное ядро материала, известное как белый карлик, окруженное так называемой планетарной туманностью (на самом деле никакие планеты не участвовали в создании этой туманности, ранние астрономы просто путали эти туманности с процессами формирования планет, и название просто прижилось).
Если оставшийся материал тяжелее примерно трех масс Солнца, то даже физического отталкивания сильной ядерной силы, которая связывает кварки вместе в протоны, электроны и нейтроны, будет недостаточно, чтобы сдержать гравитационный коллапс, и образуется черная дыра звездной массы.
Если материал находится в этом предполагаемом диапазоне между 1,4 и примерно 2,2 массами Солнца, то электроны большинства его атомов сжимаются с соответствующими атомными протонами и сливаются, создавая плотную массу нейтронов.
Однако у нейтронов все еще достаточно физического присутствия и силы, чтобы предотвратить полный коллапс звезды.
Хотя нейтроны нейтронной звезды могут быть настолько физически компактными и плотными, насколько это физически возможно, они способны отталкиваться от гравитации ровно настолько, чтобы коллапс внутрь не продолжался до бесконечности.
Какие бывают типы нейтронных звезд?
Неудивительно, что нейтронные звезды довольно разнообразны — в конце концов, когда вы сталкиваетесь с плотностью, вызывающей сингулярность, все должно быть сложно.
На данный момент мы идентифицировали целых девять различных типов нейтронных звезд, каждый из которых столь же экзотичен, как и следующий.
Радиопульсары — это разновидность нейтронных звезд, сильно намагниченных и вращающихся вокруг своей оси очень быстро, вплоть до десятков раз за одну секунду, и характеризующихся относительно узким лучом излучения, который повторяет световой луч маяка (только намного, намного быстрее).
Переработанные пульсары похожи на обычные радиопульсары, но являются частью бинарной системы и, как предполагается, со временем потеряли энергию и начали угасать, но были вновь усилены материалом, аккрецированным от звезды-партнера.
Магнетар — это объект, который, кажется, не должен существовать.
В конце концов, нейтронные звезды состоят из нейтронов, так как же они могут создавать магнитное поле?
Что ж, некоторые протоны все еще застряли внутри этих нейтронных звезд, и они сжимаются под невероятным давлением.
Это та среда, которая создает физику, которую можно описать только как странную.
Как странно?
Что ж, магнитное поле Земли можно измерить в гауссах.
Магнитное поле Земли составляет около одной гауссовой единицы, тогда как МРТ составляет около 10 000 гауссовых единиц.
Магнитар?
Его магнитное поле измеряется в триллионах гаусс и даже в диапазоне квадриллионов гаусс, несмотря на то, что оно составляет часть диаметра Земли.
Это достаточно мощно, чтобы приблизиться к магнетару на расстояние 620 миль (1000 км) достаточно близко, чтобы магнитное поле магнетара просто отделило электроны от протонов в вашем теле и разорвало любые химические связи между элементами, из которых состоят белки, составляющие наши тела.
Таким образом, магнитное поле магнетара настолько мощное, что мы бы внезапно распались на субатомные частицы, если бы подошли к ним на расстояние не более 620 миль (1000 км).
Мягкий гамма-ретранслятор — тип магнитара, для которого характерны вспышки гамма- и рентгеновского излучения.
Предполагается, что они возникают, когда магнитное поле магнетара смещается и разрушает кору нейтронной звезды в процессе, известном как звездотрясение.
Во время такого события электроны и позитроны выбрасываются на высоких скоростях, и их взаимодействие генерирует излучение, которое мы наблюдаем.
Эти выбросы могут оказать огромное влияние на нашу окружающую среду, хотя они мало вредят нам здесь, на земле.
Тем не менее, в 1998 году выброса «SGR 1900+14» было достаточно, чтобы ионизовать верхние слои атмосферы Земли и помешать радиосвязи, несмотря на то, что он возник на расстоянии около 20 000 световых лет от Земли.
Аномальный рентгеновский пульсар, вероятно, представляет собой магнетар, чей период пульсации слишком мал для мощности рентгеновского излучения, но тем не менее производит его.
Преобладающая теория состоит в том, что рентгеновские лучи от аномального рентгеновского генератора создаются по мере того, как магнитное поле магнетара распадается.
Маломассивные рентгеновские двойные системы представляют собой двойные звездные системы, содержащие либо черную дыру, либо нейтронную звезду, а также относительно тусклую звезду поздней стадии.
Нейтронная звезда или черная дыра аккрецирует материал своего компаньона и формирует вокруг себя диск.
Материал в этом диске движется с релятивистской скоростью и эффективно трется о соседний материал, генерируя при этом множество рентгеновских лучей.
Рентгеновские двойные системы промежуточной массы также представляют собой двойные звездные системы с черной дырой или нейтронной звездой, высасывающей материал из звезды-компаньона, хотя в данном случае спутником является звезда промежуточной массы, крупнее нашего Солнца.
В конце концов, нейтронная звезда или черная дыра выкачивает достаточно материала, чтобы ее переклассифицировали как маломассивную рентгеновскую двойную систему.
Как вы можете догадаться, массивная рентгеновская двойная система — это также двойная звездная система с нейтронной звездой или черной дырой, хотя ее компаньон — особенно крупная звезда, вроде голубого сверхгиганта или звезды Вольфа-Райе.
В массивных рентгеновских двойных системах более крупная звезда имеет тенденцию доминировать в электромагнитном спектре в видимом свете, в то время как меньшая нейтронная звезда/черная дыра производит большое количество рентгеновского излучения.
Наконец, есть пульсары с аккреционным питанием.
Согласно НАСА, это рентгеновские двойные пульсары, «импульсы которых генерируются аккреционным потоком, ударяющим о нейтронную звезду.
Вместо того, чтобы равномерно падать на нейтронную звезду, постоянный поток (аккреция) вещества от звезды-компаньона направляется магнитное поле пульсара на магнитные полюса нейтронной звезды, в результате чего на поверхности пульсара образовалась пара «горячих точек».
Как бы выглядел пульсар?
Это зависит от того, как вы на это смотрите и с помощью какого инструмента.
Если бы вы посмотрели на него невооруженным глазом, он, вероятно, выглядел бы как белый карлик, медленно излучающий свое тепло в течение миллиардов лет.
Однако посмотрите на это с помощью радиотелескопа, и вы увидите вещи совсем по-другому.
Пульсары излучают плотный пучок радиоволн, невидимый для человека.
Однако наши радиотелескопы могут, и для них пульсары кажутся чем-то вроде маяка, освещающего темное море.
Однако эта развертка происходит невероятно быстро.
Поскольку нейтронные звезды сохраняют свое вращение, когда они были гораздо большими физически звездами, сохраняя при этом свою массу, они вращаются невероятно быстро.
Это означает, что плотный пучок радиоволн может вращаться со скоростью сто раз в секунду или даже быстрее, производя импульсы радиоволн, которые и дали название пульсару.
Что говорит о них размер нейтронной звезды?
Размер нейтронной звезды говорит нам о нескольких вещах.
Во-первых, он может рассказать нам о типе звезды, которая изначально его образовала.
По большей части масса звезды сохраняется на протяжении всей ее жизни.
Поэтому, как только мы получим представление о том, насколько массивна нейтронная звезда, мы сможем экстраполировать эти данные на то, насколько большой была звезда, которая ее изначально сформировала.
Более того, размер нейтронной звезды может сказать нам о вероятности того, что она в конечном итоге станет черной дырой.
Если две нейтронные звезды сталкиваются, их массы объединяются, и вполне возможно, что слияние может привести либо к образованию нейтронной звезды гораздо большего размера, либо к черной дыре звездной массы.
Мы не совсем знаем, каков верхний предел массы нейтронной звезды, поэтому наблюдение за столкновением нейтронных звезд может многое рассказать нам о том, как черные дыры способны образовываться и при каких условиях.
Мы надеемся, что это может дать нам лучшее представление о том, как черные дыры могут образовываться во Вселенной, помимо стандартной модели звездного коллапса образования черных дыр, а также дать нам ключевое представление о плотности этих экзотических небесных объектов.
Нейтронная звезда — черная дыра?
Нет, в двух словах, нейтронная звезда — это не черная дыра, но она настолько близка к тому, чтобы стать ею, насколько это вообще возможно во Вселенной.
Точные измерения должны быть уточнены, чтобы сузить диапазон звезд, которые коллапсируют в нейтронные звезды, а какие становятся черными дырами, и есть некоторые свидетельства нейтринных всплесков, что звезда может сначала коллапсировать в нейтронную звезду, а затем снова коллапсировать в черную дыру, так что нейтронная звезда не может быть конечным состоянием звезды.
Однако важно различать нейтронную звезду и черную дыру, поскольку они очень близки друг к другу, но также и на бесконечном расстоянии друг от друга.
Может ли нейтронная звезда стать черной дырой?
При некоторых обстоятельствах да, хотя и не все нейтронные звезды это сделают.
Поскольку масса — это основа и конечная цель образования черных дыр, нейтронные звезды — единственные объекты, у которых действительно есть шанс превратиться в черные дыры вне начального звездного коллапса.
Если нейтронная звезда является частью двойной звездной системы, она может начать аккрецировать материал со своей звезды-компаньона и еще больше нарастить свою значительную массу.
Когда это происходит, масса нейтронной звезды может математически пересечь точку, в которой скорость убегания — то есть скорость, с которой что-то должно двигаться, чтобы освободиться от гравитации объекта — превышает скорость самого света.
Когда это происходит, нейтронная звезда становится черной дырой, и ни один свет не может покинуть ее горизонт событий, навсегда покрывая ее внутреннюю часть тьмой.
Поскольку ни свет, ни какие-либо другие данные не могут покинуть ее внутреннюю часть, мы буквально не можем сказать, что произойдет дальше.
Хотя некоторые физики продемонстрировали, что черные дыры действительно могут передавать информацию.
Остается ли нейтронная звезда такой, какая она есть, или она коллапсирует еще дальше в бесконечность — открытый вопрос, на который, вероятно, никогда не будет дан удовлетворительный ответ.
Что происходит, когда сталкиваются две нейтронные звезды?
В тот момент, когда сталкиваются две нейтронные звезды, происходят очень интересные вещи.
Объекты постоянно сталкиваются в космосе, будь то планеты, звезды или даже целые галактики.
Однако столкновения нейтронных звезд довольно необычны по ряду причин.
Во-первых, при столкновении нейтронных звезд они всегда сливаются в единый объект из-за своих интенсивных гравитационных полей, тогда как столкновения некоторых других типов звезд могут уничтожить звезды и оставить после себя обширные туманности газообразного водорода.
Эти слияния могут создавать магнитное поле в триллионы раз более мощное, чем земное, за миллисекунды, производя короткие гамма-всплески, которые являются одними из самых мощных всплесков энергии, наблюдаемых во Вселенной со времен Большого взрыва.
Эти виды слияний также важны, поскольку они могут быть источником многих более тяжелых элементов во Вселенной, таких как золото, которые производятся в процессе, известном как быстрый захват нейтронов.
Поскольку атомные ядра элементов тяжелее железа могут быстро распадаться, им нужны нейтроны, чтобы стабилизировать их, и они нужны очень быстро.
Слияния нейтронных звезд считаются одним из немногих мест, где возможен такой быстрый захват нейтронов.
Это не единственный способ, которым это может произойти, поэтому до сих пор ведутся споры о том, так ли это.
Слияния нейтронных звезд также являются одним из немногих событий, способных генерировать гравитационные волны (два других — слияние нейтронной звезды и черной дыры и слияние двух черных дыр), и поэтому они являются невероятно мощными событиями, способными буквально сотрясать ткань пространства-времени.
Станет ли Солнце нейтронной звездой?
Короче нет, не станет.
Астрономы изучали Солнце буквально тысячелетиями.
Мы более или менее знаем его массу и можем разумно предсказать его судьбу на несколько миллиардов лет вперед.
У Солнца просто нет массы для образования нейтронной звезды.
Когда Солнце израсходует свое водородное топливо, оно быстро расширится и превратится в красного гиганта, плавящегося на гелии.
Когда оно израсходует это топливо, это почти все.
Оно просто недостаточно массивно, чтобы еще больше сплавить этот гелий, особенно в его внешних слоях, поэтому оно просто сбросит всю эту дополнительную массу, как цикада сбрасывает свой экзоскелет.
Этот избыточный материал сформирует планетарную туманность вокруг раскаленного добела остатка ядра Солнца, которое теперь будет классифицироваться как белый карлик.
В конце концов, нашему Солнцу суждено больше походить на обычную туманность, чем на что-либо еще.
И хотя это не так захватывающе, как нейтронная звезда, во Вселенной все еще есть много нейтронных звезд для изучения, и ученые с каждым годом узнают все больше об этих удивительных объектах.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
