Сила тяжести на нейтронных звездах. Белый карлик, нейтронная звезда, черная дыра
Гипотезу о существовании нейтронных звезд выдвинули астрономы В.Бааде и Ф.Цвикки сразу после открытия нейтрона в 1932. Но подтвердить эту гипотезу наблюдениями удалось лишь после открытия пульсаров в 1967.
Нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса нормальных звезд с массами в несколько раз больше солнечной. Плотность нейтронной звезды близка к плотности атомного ядра, т.е. в 100 млн. раз выше плотности обычного вещества. Поэтому при своей огромной массе нейтронная звезда имеет радиус всего ок. 10 км.
Из-за малого радиуса нейтронной звезды сила тяжести на ее поверхности чрезвычайно велика: примерно в 100 млрд. раз выше, чем на Земле . От коллапса эту звезду удерживает «давление вырождения» плотного нейтронного вещества, не зависящее от его температуры. Однако если масса нейтронной звезды станет выше примерно 2 солнечных, то сила тяжести превысит это давление и звезда не сможет противостоять коллапсу .
У нейтронных звезд очень сильное магнитное поле, достигающее на поверхности 10 12 –10 13 Гс (для сравнения: у Земли ок. 1 Гс). С нейтронными звездами связывают небесные объекты двух разных типов.
Пульсары
(радиопульсары). Эти объекты строго регулярно излучают импульсы радиоволн. Механизм излучения до конца не ясен, но считают, что вращающаяся нейтронная звезда излучает радиолуч в направлении, связанном с ее магнитным полем, ось симметрии которого не совпадает с осью вращения звезды. Поэтому вращение вызывает поворот радиолуча, периодически направляющегося на Землю.
Рентгеновские двойные.
С нейтронными звездами, входящими в двойную систему с массивной нормальной звездой, связаны также пульсирующие рентгеновские источники. В таких системах газ с поверхности нормальной звезды падает на нейтронную звезду, разгоняясь до огромной скорости. При ударе о поверхность нейтронной звезды газ выделяет 10–30% своей энергии покоя, тогда как при ядерных реакциях этот показатель не достигает и 1%. Нагретая до высокой температуры поверхность нейтронной звезды становится источником рентгеновского излучения. Однако падение газа не происходит равномерно по всей поверхности: сильное магнитное поле нейтронной звезды захватывает падающий ионизованный газ и направляет его к магнитным полюсам, куда он и падает, как в воронку. Поэтому сильно нагреваются только районы полюсов, которые на вращающейся звезде становятся источниками рентгеновских импульсов. Радиоимпульсы от такой звезды уже не поступают, поскольку радиоволны поглощаются в окружающем ее газе.
Состав.
Плотность нейтронной звезды растет с глубиной. Под слоем атмосферы толщиной всего несколько сантиметров находится жидкая металлическая оболочка толщиной несколько метров, а ниже – твердая кора километровой толщины. Вещество коры напоминает обычный металл, но гораздо плотнее. В наружной части коры это в основном железо; с глубиной в его составе увеличивается доля нейтронов. Там, где плотность достигает ок. 4Ч 10 11 г/см 3 , доля нейтронов увеличивается настолько, что некоторые из них уже не входят в состав ядер, а образуют сплошную среду. Там вещество похоже на «море» из нейтронов и электронов, в которое вкраплены ядра атомов. А при плотности ок. 2Ч 10 14 г/см 3 (плотность атомного ядра) вообще исчезают отдельные ядра и остается сплошная нейтронная «жидкость» с примесью протонов и электронов. Вероятно, нейтроны и протоны ведут себя при этом как сверхтекучая жидкость, подобная жидкому гелию и сверхпроводящим металлам в земных лабораториях.
Вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅10 17 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.
Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью вращения, - до нескольких сотен оборотов в секунду. Нейтронные звёзды возникают в результате вспышек сверхновых звёзд .
Общие сведения
Среди нейтронных звёзд с надёжно измеренными массами большинство попадает в интервал от 1,3 до 1,5 масс Солнца , что близко к значению предела Чандрасекара . Теоретически же допустимы нейтронные звёзды с массами от 0,1 до примерно 2,16 солнечных масс. Самые массивные нейтронные звёзды из известных - Vela X-1 (имеет массу не менее 1,88±0,13 солнечных масс на уровне 1σ , что соответствует уровню значимости α≈34 %) , PSR J1614–2230 en (с оценкой массы 1,97±0,04 солнечных) , и PSR J0348+0432 en (с оценкой массы 2,01±0,04 солнечных). Гравитация в нейтронных звёздах уравновешивается давлением вырожденного нейтронного газа . Максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера-Волкова , который зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды. Существуют теоретические предпосылки к тому, что при ещё большем увеличении плотности возможно перерождение нейтронных звёзд в кварковые .
К 2015 году открыто более 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90 % из них - одиночные. Всего же в нашей Галактике могут существовать 10 8 -10 9 нейтронных звёзд, то есть где-то по одной на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость движения (как правило, сотни км/с). В результате аккреции вещества о́блака, нейтронная звезда может быть в этой ситуации видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический, на который приходится около 0,003 % излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине) .
Строение
В нейтронной звезде можно выделить пять слоёв: атмосфера, внешняя кора, внутренняя кора, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Атмосфера нейтронной звезды - очень тонкий слой плазмы (от десятков сантиметров у горячих звёзд до миллиметров у холодных), в ней формируется тепловое излучение нейтронной звезды .
Внешняя кора состоит из ионов и электронов, её толщина достигает нескольких сотен метров. Тонкий (не более нескольких метров) приповерхностный слой горячей нейтронной звезды содержит невырожденный электронный газ, более глубокие слои - вырожденный электронный газ, с увеличением глубины он становится релятивистским и ультрарелятивистским .
Внутренняя кора состоит из электронов, свободных нейтронов и атомных ядер с избытком нейтронов. С ростом глубины доля свободных нейтронов увеличивается, а доля атомных ядер уменьшается. Толщина внутренней коры может достигать нескольких километров .
Внешнее ядро состоит из нейтронов с небольшой примесью (несколько процентов) протонов и электронов. У маломассивных нейтронных звёзд внешнее ядро может простираться до центра звезды .
У массивных нейтронных звёзд есть и внутреннее ядро. Его радиус может достигать нескольких километров, плотность в центре ядра может превышать плотность атомных ядер в 10-15 раз. Состав и уравнение состояния внутреннего ядра достоверно неизвестны. Существует несколько гипотез, три наиболее вероятные из которых - 1) кварковое ядро, в котором нейтроны разваливаются на составляющие их верхние и нижние кварки; 2) гиперонное ядро из барионов, включающих в себя странные кварки; и 3) каонное ядро, состоящее из двухкварковых мезонов, включающих в себя странные (анти)кварки. Однако в настоящее время невозможно подтвердить или опровергнуть ни одну из этих гипотез .
Остывание нейтронных звёзд
В момент рождения нейтронной звезды (в результате вспышки сверхновой), её температура очень высока - порядка 10 11 K (то есть на 4 порядка выше температуры в центре Солнца), но она очень быстро падает за счёт нейтринного охлаждения . Всего за несколько минут температура падает с 10 11 до 10 9 K, за месяц - до 10 8 K. Затем нейтринная светимость резко снижается (она очень сильно зависит от температуры), и охлаждение происходит гораздо медленнее за счёт фотонного (теплового) излучения поверхности. Температура поверхности известных нейтронных звёзд, у которых её удалось измерить, составляет порядка 10 5 -10 6 K (хотя ядро, видимо, гораздо горячее) .
История открытия
Нейтронные звёзды - один из немногих классов космических объектов , которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.
Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау . Так, в своей статье «О теории звёзд» , написанной в феврале 1931 года и по неизвестным причинам запоздало опубликованной 29 февраля 1932 года (более чем через год), он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».
«Пропеллер»
Скорость вращения уже недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром . Однако скорость вращения всё ещё велика, и захваченная магнитным полем окружающая нейтронную звезду материя не может упасть, то есть аккреция вещества не происходит. Нейтронные звёзды данного типа практически не имеют наблюдаемых проявлений и изучены плохо.
Аккретор (рентгеновский пульсар)
Скорость вращения снижается настолько, что веществу теперь ничего не препятствует падать на такую нейтронную звезду. Падая, вещество, уже будучи в состоянии плазмы, движется по линиям магнитного поля и ударяется о твёрдую поверхность тела нейтронной звезды в районе её полюсов, разогреваясь до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, ярко светится в рентгеновском диапазоне . Область, в которой происходит столкновение падающего вещества с поверхностью тела нейтронной звезды, очень мала - всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически пропадает из вида, поэтому наблюдаются регулярные пульсации рентген-излучения. Такие объекты и называются рентгеновскими пульсарами .
Георотатор
Скорость вращения таких нейтронных звёзд мала и не препятствует аккреции. Но размеры магнитосферы таковы, что плазма останавливается магнитным полем раньше, чем она будет захвачена гравитацией. Подобный механизм работает в магнитосфере Земли , из-за чего данный тип нейтронных звёзд и получил своё название.
Примечания
- Дмитрий Трунин. Астрофизики уточнили предельную массу нейтронных звезд (неопр.) . nplus1.ru. Дата обращения 18 января 2018.
- H. Quaintrell и др. The mass of the neutron star in Vela X-1 and tidally induced non-radial oscillations in GP Vel // Astronomy and Astrophysics. - апрель 2003. - № 401 . - С. 313-323 . - arXiv :astro-ph/0301243 .
- P. B. Demorest, T. Pennucci, S. M. Ransom, M. S. E. Roberts & J. W. T. Hessels. A two-solar-mass neutron star measured using Shapiro delay (англ.) // Nature. - 2010. - Vol. 467 . - P. 1081-1083 .
Концепция нейтронных звезд
Концепция нейтронных звёзд не нова: первое предположение о возможности их существования было сделано талантливыми астрономами Фрицем Цвикки и Вальтером Баарде из Калифорнии в 1934г. (несколько раньше в 1932г. возможность существования нейтронных звёзд была предсказана известным советским учёным Л. Д. Ландау.) В конце 30-х годов она стала предметом исследований других американских учёных Оппенгеймера и Волкова. Интерес этих физиков к данной проблеме был вызван стремлением определить конечную стадию эволюции массивной сжи- мающейся звезды. Так как роль и значение сверхновых вскрылись примерно в то же время, было высказано предположение, что нейтронная звезда может оказаться остатком взрыва сверхновой. К несчастью, с началом второй мировой войны внимание учёных переключилось на военные нужды и детальное изучение этих новых и в высшей степени загадочных объектов было приостановлено. Затем, в 50-х годах, изучение нейтронных звёзд возобновили чисто теоретически с целью установить, имеют ли они отношение к проблеме рождения химических элементов в центральных областях звёзд.остаются единственным астрофизическим объектом, существование и свойства которых были предсказаны задолго до их открытия.
В начале 60-х годов открытие космических источников рентгеновского излучения весьма обнадёжило тех, кто рассматривал нейтронные звёзды как возможные источники небесного рентгеновского излучения. К концу 1967г. был обнаружен новый класс небесных объектов - пульсары, что привело учёных в замешательство. Это открытие явилось наиболее важным событием в изучении нейтронных звёзд, так как оно вновь подняло вопрос о происхождении космического рентгеновского излучения. Говоря о нейтронных звёздах, следует учитывать, что их физические характеристики установлены теоретически и весьма гипотетичны, так как физические условия, существующие в этих телах, не могут быть воспроизведены в лабораторных экспериментах.
Свойства нейтронных звезд
Решающее значение на свойства нейтронных звёзд оказывают гравитационные силы. По различным оценкам, диаметры нейтронных звёзд составляют 10-200 км. И этот незначительный по космическим понятиям объём "набит" таким количеством вещества, которое может составить небесное тело, подобное Солнцу, диаметром около 1,5 млн. км, а по массе почти в треть миллиона раз тяжелее Земли! Естественное следствие такой концентрации вещества - невероятно высокая плотность нейтронной звезды. Фактически она оказывается настолько плотной, что может быть даже твёрдой. Сила тяжести нейтронной звезды столь велика, что человек весил бы там около миллиона тонн. Расчёты показывают, что нейтронные звёзды сильно намагничены. Согласно оценкам, магнитное поле нейтронной звезды может достигать 1млн. млн. гаусс, тогда как на Земле оно составляет 1 гаусс. Радиус нейтронной звезды принимается порядка 15 км, а масса - около 0,6 - 0,7 массы Солнца. Наружный слой представляет собой магнитосферу, состоящую из разрежённой электронной и ядерной плазмы, которая пронизана мощным магнитным полем звезды. Именно здесь зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных - излучение на высоких частотах.Плотность нейтронной звезды
Почти сразу же под магнитосферой плотность вещества достигает 1 т/см3, что в 100 000 раз больше плотности железа. Следующий за наружным слой имеет характеристики металла. Этот слой "сверхтвёрдого" вещества, находящегося в кристаллической форме. Кристаллы состоят из ядер атомов с атомной массой 26 - 39 и 58 - 133. Эти кристаллы чрезвычайно малы: чтобы покрыть расстояние в 1 см, нужно выстроить в одну линию около 10 млрд. кристалликов. Плотность в этом слое более чем в 1 млн. раз выше, чем в наружном, или иначе, в 400 млрд. раз превышает плотность железа.Двигаясь дальше к центру звезды, мы пересекаем третий слой. Он включает в себя область тяжёлых ядер типа кадмия, но также богат нейтронами и электронами. Плотность третьего слоя в 1 000 раз больше, чем предыдущего. Глубже проникая в нейтронную звезду, мы достигаем четвёртого слоя, плотность при этом возрастает незначительно - примерно в пять раз. Тем не менее при такой плотности ядра уже не могут поддерживать свою физическую целостность: они распадаются на нейтроны, протоны и электроны. Большая часть вещества пребывает в виде нейтронов. На каждый электрон и протон приходится по 8 нейтронов. Этот слой, по существу, можно рассматривать как нейтронную жидкость, "загрязнённую" электронами и протонами. Ниже этого слоя находится ядро нейтронной звезды. Здесь плотность примерно в 1,5 раза больше, чем в вышележащем слое. И тем не менее даже такое небольшое увеличение плотности приводит к тому, что частицы в ядре движутся много быстрее, чем в любом другом слое. Кинетическая энергия движения нейтронов, смешанных с небольшим количеством протонов и электронов, столь велика, что постоянно происходят неупругие столкновения частиц. В процессах столкновения рождаются все известные в ядерной физике частицы и резонансы, которых насчитывается более тысячи. По всей вероятности, присутствует большое число ещё не известных нам частиц.
Температура нейтронной звезды
Температуры нейтронных звёзд сравнительно высоки. Этого и следует ожидать, если учесть, как они возникают. За первые 10 - 100 тыс. лет существования звезды температура ядра уменьшается до нескольких сотен миллионов градусов. Затем наступает новая фаза, когда температура ядра звезды медленно уменьшается вследствие испускания электромагнитного излучения. Нейтронная звездаРасчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~ 25M остается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M . В звездах с остаточной массой M > 1.4M , не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой. Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы “вдавливаются” друг в друга и в результате реакции
после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший
фазовый объем, чем электроны. Возникает так называемая нейтронная звезда,
плотность которой достигает 10 14 - 10 15
г/см 3 . Характерный размер нейтронной звезды 10 - 15 км. В
некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро.
Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи,
возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как
ранее в случае белого карлика, но - давление вырождения существенно более
плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до
3.2M .
Нейтрино, образующиеся в момент коллапса, довольно быстро
охлаждают нейтронную звезду. Согласно теоретическим оценкам температура ее
падает с 10 11 до 10 9 K за время ~ 100 с. Дальше темп
остывания несколько уменьшается. Однако он достаточно высок по астрономическим
масштабам. Уменьшение температуры с 10 9 до 10 8 K
происходит за 100 лет и до 10 6 K - за миллион лет. Обнаружить
нейтронные звезды оптическими методами довольно сложно из-за малого размера и
низкой температуры.
В 1967 г. в Кембриджском университете Хьюиш и Белл открыли
космические источники периодического электромагнит-ного излучения - пульсары.
Периоды повторения импульсов боль-шинства пульсаров лежат в интервале от 3.3·10 -2
до 4.3 с. Согласно современным представлениям, пульсары - это вращающиеся
нейтронные звезды, имеющие массу 1 - 3M и диаметр 10 - 20 км. Только компактные объекты, имеющие свойства
нейтронных звезд, могут сохранять свою форму, не разрушаясь при таких скоростях
вращения. Сохранение углового момента и магнитного поля при образовании
нейтронной звезды приводит к рождению быстро вращающихся пульсаров с сильным
магнитным полем B ~ 10 12 Гс.
Считается, что нейтронная звезда имеет магнитное поле, ось
которого не совпадает с осью вращения звезды. В этом случае излучение звезды
(радиоволны и видимый свет) скользит по Земле как лучи маяка. Когда луч
пересекает Землю регистрируется импульс. Само излучение нейтронной звезды
возникает за счет того, что заряженные частицы с поверхности звезды двигаются
вовне по силовым линиям магнитного поля, испуская электромагнитные волны. Этот
механизма радиоизлучения пульсара, впервые предложенный Голдом, показан на рис.
39.
Если пучок излучения попадает на земного наблюдателя, то
радиотелескоп фиксирует короткие импульсы радиоизлучения с периодом, равным
периоду вращения нейтронной звезды. Форма импульса может быть очень сложной, что
обусловлено геометрией магнитосферы нейтронной звезды и является характерной для
каждого пульсара. Периоды вращения пульсаров строго постоянны и точности
измерения этих периодов доходят до 14-значной цифры.
В настоящее время обнаружены пульсары, входящие в двойные
системы. Если пульсар вращается по орбите вокруг второго компонента, то должны
наблюдаться вариации периода пульсара вследствие эффекта Допплера. Когда пульсар
приближается к наблюдателю, регистрируемый период радиоимпульсов из-за
допплеровского эффекта уменьшается, а когда пульсар удаляется от нас, его период
увеличивается. На основе этого явления и были обнаружены пульсары, входящие в
состав двойных звезд. Для впервые обнаруженного пульсара PSR 1913 + 16,
входящего в состав двойной системы, орбитальный период обращения составил 7
часов 45 мин. Собственный период обращения пульсара PSR 1913 + 16 равен 59 мс.
Излучение пульсара должно приводить к уменьшению скорости
вращения нейтронной звезды. Такой эффект также был обнару-жен. Нейтронная
звезда, входящая в состав двойной системы, может быть и источником интенсивного
рентгеновского излучения.
Структура нейтронной звезды массой 1.4M и радиусом 16
км показана на рис. 40.
I - тонкий внешний слой из плотно упакованных атомов. В
областях II и III ядра расположены в виде объемно-центрированной кубической
решетки. Область IV состоит в основном из нейтронов. В области V вещество может
состоять из пионов и гиперонов, образуя адронную сердцевину нейтронной звезды.
Отдельные детали строения нейтронной звезды в настоящее время уточняются.
Образование нейтронных звезд не всегда является следствием
вспышки сверхновой. Возможен и другой механизм образования нейтронных звезд в
ходе эволюции белых карликов в тесных двойных звездных системах. Перетекание
вещества звезды-компаньона на белый карлик постепенно увеличивает массу белого
карлика и по достижении критической массы (предела Чандрасекара) белый карлик
превращается в нейтронную звезду. В случае, когда перетекание вещества
продолжается и после образования нейтронной звезды, её масса может существенно
увеличиться и в результате гравитационного коллапса она может превратиться в
черную дыру. Это соответствует так называемому “тихому” коллапсу.
Компактные двойные звезды могут проявляться и как источники
рентгеновского излучения. Оно также возникает за счет аккреции вещества,
падающего с “нормальной” звезды на более компактную. При аккреции вещества на
нейтронную звезду с B > 10 10 Гс вещество падает в район магнитных
полюсов. Рентгеновское излучение модулируется её вращением вокруг оси. Такие
источники называют рентгеновскими пульсарами.
Существуют рентгеновские источники (называемые барстерами), в
которых периодически с интервалом от нескольких часов до суток происходят
всплески излучения. Характерное время нарастания всплеска - 1 сек. Длительность
всплеска от 3 до 10 сек. Интенсивность в момент всплеска может на 2 - 3 порядка
превосходить светимость в спокойном состоянии. В настоящее время известно
несколько сотен таких источников. Считается, что всплески излучения происходят в
результате термоядерных взрывов вещества, накопившегося на поверхности
нейтронной звезды в результате аккреции.
Хорошо известно, что на малых расстояниях между нуклонами (<
0.3·10 -13 см) ядерные силы притяжения сменяются силами
оттал-кивания, т. е. противодействие ядерного вещества на малых расстояниях
сжимающей силе тяготения увеличивается. Если плотность вещества в центре
нейтронной звезды превышает ядерную плотность ρ яд
и достигает 10 15 г/см 3 , то в центре звезды наряду с
нуклонами и электронами образуются также мезоны, гипероны и другие более
массивные частицы. Исследования поведения вещества при плотностях, превышающих
ядерную плотность, в настоящее время находятся в начальной стадии и имеется
много нерешенных проблем. Расчеты показывают, что при плотностях вещества
ρ > ρ яд
возможны такие процессы, как появление пионного конденсата, переход
нейтронизованного вещества в твердое кристаллическое состояние, образование
гиперонной и кварк-глюонной плазмы. Возможно образование сверхтекучего и
сверхпроводящего состояний нейтронного вещества.
В соответствии с современными представлениями о поведении
вещества при плотностях в 10 2 - 10 3 раз, превышающих
ядерную (а именно о таких плотностях идет речь, когда обсуждается внутреннее
строение нейтронной звезды), внутри звезды образуются атомные ядра вблизи
границы устойчивости. Более глубокое понимание может быть достигнуто в
результате исследования состояния вещества в зависимости от плотности,
температуры, устойчивости ядерной материи при экзотических отношениях числа
протонов к числу нейтронов в ядре n p /n n , учете
слабых процессов с участием нейтрино. В настоящее время практически единственной
возможностью исследования вещества при плотностях больших ядерной являются
ядерные реакции между тяжелыми ионами. Однако, экспериментальные данные по
столкновению тяжелых ионов дают пока недостаточно информации, т. к. достижимые
значения n p /n n как для ядра - мишени, так и для
налетающего ускоренного ядра невелики (~ 1 - 0.7).
Точные измерения периодов радиопульсаров показали, что
скорость вращения нейтронной звезды постепенно замедляется. Это связано с
переходом кинетической энергии вращения звезды в энергию излучения пульсара и с
эмиссией нейтрино. Небольшие скачкообразные изменения периодов радиопульсаров
объясняются накоплением напряжений в поверхностном слое нейтронной звезды,
сопровождающимся “растрескиванием” и “разломами”, что и приводит к изменению
скорости вращения звезды. В наблюдаемых временных характеристиках радиопульсаров
содержится информация о свойствах “коры” нейтронной звезды, физических условиях
внутри неё и о сверхтекучести нейтронного вещества. В последнее время обнаружено
значительное число ра-диопульсаров с периодами меньшими 10 мс. Это требует
уточнения представлений о процессах, происходящих в нейтронных звездах.
Другой проблемой является исследование нейтринных процессов в
нейтронных звездах. Эмиссия нейтрино является одним из механизмов потери энергии
нейтронной звездой в течении 10 5 - 10 6 лет после её
образования.
Таков наш мысленный эксперимент. Мы искусственно добавляли вещество на белый карлик, но не следует считать такое предположение совсем уж неправдоподобным. Как известно, белые карлики образуются внутри красных гигантов. Они состоят из вещества, для которого термоядерное горение водорода, а вероятно, и гелия, позади. На поверхности же еще происходит превращение водорода в гелий. Во внешних слоях непрогоревшего вещества идет термоядерная реакция с водородом, а возможно, и с гелием, и масса белого карлика ядра красного гиганта - возрастает. Как и в нашем мысленном эксперименте, белый карлик накапливает все больше и больше вещества (). Что же произойдет, когда его масса превысит 1,4 солнечных, предел Чандрасекара, когда начнется гравитационный коллапс: он сколлапсирует и превратится из белого карлика в нейтронную звезду?
Некоторые ученые считают, что до возникновения нейтронной звезды дело здесь не доходит, поскольку прежде, чем это случится, происходит углеродный взрыв. Об этом известно пока что очень мало. Пусть белый карлик, являющийся центральным ядром красного гиганта, состоит в основном из углерода. Полагают, что еще до начала гравитационного коллапса углерод вступает в термоядерную реакцию и взрыв разносит звезду вдребезги - нейтронная звезда не образуется. У таких сверхновых в облаке останков мы не обнаруживаем нейтронной звезды: оттуда не исходят сигналы пульсаров. И действительно, пульсары не обнаружены ни на месте Сверхновой Тихо Браге, ни на месте Сверхновой Кеплера, хотя обе туманности моложе Крабовидной. Орбитальная Эйнштейновская обсерватория обнаружила в созвездии Кассиопеи останки Сверхновой, которая триста лет оставалась незамеченной, скрытая от земных наблюдателей облаком звездной пыли. По-видимому, здесь нейтронная звезда также отсутствует. Не произошло ли здесь полного разрушения звезды в результате углеродного взрыва?
Все ли менее массивные звезды заканчивают свое существование углеродным взрывом? Сегодня это никому точно не известно. Не исключено также, что после начала термоядерной реакции углерод горит относительно спокойно, без взрыва. Тогда белый карлик в центре красного гиганта набирает массу, и, как в нашем мысленном эксперименте, коллапсирует в нейтронную звезду. Высвобождающаяся энергия, как и при «железной катастрофе», излучается в пространство, преподнося нам величественное зрелище взрыва сверхновой. Возможно, именно это произошло в случае взрыва Сверхновой 1054 года, когда возникла Крабовидная туманность. История здесь могла быть такой.
Жила-была звезда с массой, равной пяти солнечным. В своих глубинах она сжигала водород, а когда ядерное горючее кончилось, звезда превратилась в красный гигант. В центре звезды началось горение гелия, а когда гелий выгорел, образовалось углеродное ядро. Центральная часть звезды стала представлять собой углеродное ядро, окруженное гелиевой оболочкой, и плотность вещества была здесь так же велика, как в белом карлике. На поверхности гелиевой оболочки продолжалось превращение водорода в гелий, а на границе между гелием и углеродом гелий превращался в углерод. Масса этого ядра, которое представляет собой по сути белый карлик, все время возрастала, и когда она в 1054 году достигла 1,4 солнечных масс, произошел гравитационный коллапс, который не смогло предотвратить и горение углерода. При этом высвободилось огромное количество энергии, которое разметало в пространство внешнюю оболочку звезды. Сегодня мы видим ее как Крабовидную туманность. Белый же карлик меньше чем за минуту превратился в нейтронную звезду, которая до наших дней посылает радиосигналы, принимаемые нами от пульсара в Крабовидной туманности.
Какой же из трех вариантов в действительности отвечает взрывам сверхновых? «Железная катастрофа», когда образовавшееся внутри звезды железное ядро обрушивается под действием гравитационных сил? Белый карлик, который, как раковая опухоль, пожирает вещество звезды, пока масса его не достигнет критического значения, при котором происходит коллапс? Или же углеродный взрыв, разносящий звезду вдребезги еще до того, как белый карлик успеет превратиться в нейтронную звезду?
В других галактиках наблюдается два типа сверхновых.
Они различаются интенсивностью световой вспышки. Вероятно, взрыв сверхновой может отвечать любому из перечисленных выше механизмов. У массивных звезд образуется железное ядро, звезды с массой от 10 до 1,4 солнечной погибают после образования в их центре белых карликов-то ли в результате углеродного взрыва, то ли из-за возникновения нейтронной звезды.
Только звезды с массой меньше 1,4 солнечной, а также те, которые вовремя успевают избавиться от лишней массы путем образования планетарных туманностей или за счет звездного ветра, тихо заканчивают свое существование. Они превращаются в белые карлики, в которых уже не происходит никаких ядерных реакций и которые находятся в устойчивом равновесии.
Мысленный эксперимент с нейтронной звездой
У нейтронных звезд есть свои проблемы с равновесием. Проведем еще один мысленный эксперимент. Рассмотрим пульсар в Крабовидной туманности, который, по всей вероятности, представляет собой нейтронную звезду с массой, равной солнечной. Представим себе, что в своем космическом эксперименте мы можем увеличить массу нейтронной звезды, понемногу добавляя нейтронное вещество на ее поверхность. И снова оказывается, что с увеличением массы радиус звезды уменьшается: признак того, что сила тяжести все больше берет верх над давлением. Когда растущая масса нейтронной звезды достигнет примерно двух солнечных, произойдет гравитационный коллапс, длящийся доли секунды. Может ли что-то остановить его? Может ли материя перейти в какую-то новую форму вещества, в которой давление, нарастая, будет противостоять силе тяжести, как это было в случае белых карликов, где после превращения вещества звезды в нейтронную материю вновь смогло установиться равновесие? Физики сегодня склонны считать, что ничто не может остановить гравитационный коллапс нейтронной звезды.
Сила тяжести возрастает, и скоро давление перестает играть сколько-нибудь существенную роль: нейтронная звезда сокращается до ничтожно малых размеров. В окрестности компактного объекта с огромной массой гравитация чрезвычайно сильна; то, что здесь происходит, описывается в рамках общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В частности, общая теория относительности утверждает, что гравитация влияет на распространение света. Гравитационное поле Солнца действует на лучи звезд, доходящие до земного наблюдателя, подобно линзе (рис. 11.2). Расстояние между звездами, оказавшимися по разные стороны солнечного диска, кажется чуть-чуть увеличенным. Этот эффект чрезвычайно мал; он находится почти на пределе доступной нам точности измерений. Однако его удается наблюдать во время полного солнечного затмения, когда Луна закрывает собой солнечный диск, и звезды появляются на небе днем. В те несколько минут, которые длится это небесное представление, можно измерить искривление световых лучей, проходящих вблизи Солнца. Оказалось, что это искривление соответствует предсказаниям общей теории относительности.
Рис. 11.2. Отклонение световых лучей вблизи Солнца. Две удаленные неподвижные звезды посылают свет во всех направлениях. Их лучи А и В, проходящие вблизи Солнца, показаны сплошными линиями. В гравитационном поле Солнца лучи искривляются. Наблюдателю, находящемуся на Земле, свет видится приходящим по направлениям, показанным штриховыми линиями: ему кажется, что звезды отстоят дальше одна от другой, чем в тот период, когда они наблюдаются на небе вдали от Солнца. Солнце, таким образом, действует на лучи подобно линзе, которая перемещается в течение года по небу и «увеличивает» находящийся в ее окрестности участок неба (тот, конечно, который не закрыт самим солнечным диском). Этот эффект очень мал и может быть измерен только во время полного солнечного затмения.
Эффект искривления световых лучей в поле силы тяжести играет очень важную роль, когда вещество нашей нейтронной звезды, ничем более не удерживаемое, обрушивается к ее центру. Попытаемся представить себе этот процесс в замедленном виде. Сначала нейтронная звезда находится еще в равновесии. На ее поверхности искривление световых лучей становится уже заметным, так как сила тяжести здесь очень велика. Исходящий с поверхности луч света движется по искривленной траектории, пока не уходит от поверхности на достаточно большое расстояние, где гравитация не так сильна, и дальше уходит по прямой (рис. 11.3, а).
Рис. 11.3. Отклонение света вблизи коллапсирующей нейтронной звезды. Вблизи поверхности звезды траектория светового луча искривляется (а). Чем меньше радиус звезды, тем сильнее искривление (б), так что свет может делать несколько витков вокруг звезды (в), прежде чем уйти в пространство. Радиус звезды стал меньше радиуса Шварцшильда (г). Световой луч, идущий от поверхности, искривляется так сильно, что возвращается обратно к звезде. На рисунке (г) масштаб увеличен по отношению к (в) примерно вдвое (слева), и для наглядности на правом рисунке он увеличен еще в несколько раз. Штриховой линией показан радиус Шварцшильда.
Когда же масса нейтронной звезды увеличивается и начинается коллапс, гравитационное поле у поверхности еще более возрастает. Искривление световых лучей становится столь сильным, что луч света, отклоняемый в «горизонтальном» направлении, несколько раз огибает звезду, прежде чем уйти в пространство (). Свету все труднее преодолеть притяжение звезды, и когда в ходе коллапса звезда, которая, будем считать, имеет теперь массу, равную трем солнечным, достигнет радиуса 8,85 километра, свет уже не сможет уйти от нее в пространство. Уходящий от поверхности световой луч искривляется в поле силы тяжести так сильно, что возвращается обратно на поверхность (). Кванты света-фотоны-излучаемые телом, возвращаются обратно, как брошенные вверх на Земле камни. Никакое излучение не прорывается во внешний мир, чтобы донести весть о печальной судьбе нашей звезды. Подобный объект получил название черной дыры.
Черные дыры
Как мы видели, тело, подвергающееся достаточно значительному сжатию, через какое-то время перестает отпускать от себя световые лучи. Радиус, при котором это начинает происходить, впервые рассчитал Карл Шварцшильд. По всей видимости, его можно считать величайшим астрофизиком первой половины двадцатого столетия. Ему принадлежат основополагающие вклады во многие разделы астрофизики. После того как Эйнштейн сформулировал свои уравнения общей теории относительности, Карл Шварцшильд незадолго до своей смерти получил для них первые точные решения, описывающие, в частности, и свойства черных дыр. Шварцшильд был директором обсерваторий в Гёттингене и Потсдаме; в 1916 г. в возрасте 43 лет он умер от болезни, полученной им на фронтах первой мировой войны. Его прах покоится на центральном кладбище в Гёттингене.
Радиус, до которого необходимо сжать тело, чтобы свет от него не мог уходить в пространство, называют радиусом Шварцшильда. Для Солнца он составляет около трех километров. Если сжать Солнце до этого или меньшего радиуса, то его свет не будет выходить наружу. Вообще говоря, радиус Шварцшильда может быть рассчитан для любого тела. Чем меньше масса тела, тем меньше и радиус Шварцшильда. Для того количества вещества, из которого состоит человек, радиус Шварцшильда настолько мал, что если его выразить в сантиметрах, получится ноль целых и еще двадцать один ноль после запятой, и только дальше появятся цифры, отличные от нуля. Если сжать массу, равную массе человека, до столь малого радиуса, то во внешнее пространство от нее не будет уходить свет.
Превратившись в черную дыру, небесное тело не исчезает из Вселенной. Оно дает о себе знать внешнему миру благодаря своей гравитации. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие от нее на более значительном расстоянии. Черная дыра может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: она может удерживать около себя планеты или образовывать с другой звездой двойную систему.
Но пока что это все был наш мысленный эксперимент. Существуют ли черные дыры в действительности? Довольно трудно представить себе, чтобы на нейтронную звезду поступало столь большое количество вещества, что ее масса увеличилась до того предела, за которым наступает гравитационный коллапс. У рентгеновских двойных звезд, например, поток вещества, поступающего к нейтронной звезде, настолько мал, что за все время жизни звезды, отдающей свою массу, масса нейтронной звезды увеличивается совсем ненамного. Но что мы знаем о возникновении нейтронных звезд? Всего лишь то, что пульсар в Крабовидной туманности образовался после взрыва Сверхновой. А что мы знаем о взрывах сверхновых? Не может ли случиться, что иногда после разлета внешней оболочки остается еще масса, достаточная не только для образования нейтронной звезды, но и для дальнейшего коллапса ее в черную дыру? Относительно некоторых рентгеновских двойных имеется сильное подозрение, что компактным объектом, от которого исходит рентгеновское излучение, является не нейтронная звезда, а черная дыра. Вещество, которое идет от звезды-спутника, может еще до того, как станет невидимым в недрах черной дыры, разогреться до такой степени, что начнет испускать рентгеновское излучение. По движению видимой звезды, определенному с помощью эффекта Доплера (см. ), можно рассчитать массу рентгеновского источника (см. ). Считают, что у рентгеновского источника Лебедь Х-1 масса компактного объекта превышает три солнечных массы. Этот компактный объект уже не может быть нейтронной звездой; не является ли он черной дырой? Впрочем, методы определения массы не слишком точны. Поэтому до сих пор существование черных дыр не является безусловно доказанным.
Пока черные дыры встречаются в научной литературе, да и в широкой печати, гораздо чаще, чем в природе. Сегодня модно привлекать черные дыры для объяснения тех явлений, которым не удается найти другого истолкования черные дыры делают ответственными за все не понятые до сих пор космические явления. В книжном магазине в Лондоне я увидел книгу «Black Holes», помещенную в разделе книг по оккультизму. Английский книгопродавец, по-видимому, хорошо прочувствовал ситуацию, сложившуюся в современной астрофизике.
Скорее всего, свою жизнь звезда заканчивает как добропорядочный остывающий белый карлик или же как нейтронная звезда, которая первое время посылает радиоимпульсы, а также если к ней откуда-то поступает вещество, наблюдается как рентгеновский источник.
Если же к концу существования звезды у нее остается значительная масса, слишком большая, чтобы образовался устойчивый белый карлик, и слишком большая, чтобы нейтронная звезда могла пребывать в равновесии, то ее останки коллапсируют в черную дыру.
23 февраля 1987 года в Большом Магеллановом Облаке произошла вспышка Сверхновой. Хотя она и не принадлежит к Млечному Пути, но находится от него на расстоянии «всего» 120000 световых лет. Эта звезда есть на сделанных прежде снимках звезного неба; она взорвалась еще до того, как на Земле появились неандертальцы. Когда готовилось это издание, было еще не ясно, осталась ли на месте взрыва нейтронная звезда, от которой в будущем могут быть приняты сигналы пульсара, или же ядро Сверхновой сколлапсировало в черную дыру.
Умирающие звезды превращаются в компактные объекты, в которых вещество связано навечно. Однако прежде они выбрасывают часть своей массы в пространство - это то вещество, которое может послужить для образования новых звезд. И то вещество, из которого состоят наши собственные тела, по меньшей мере однажды кипело в недрах какой-нибудь звезды. Но почти всегда после звезды остается компактный объект, и в конце концов вся материя во Вселенной будет сосредоточена в остывающих белых карликах, нейтронных звездах и черных дырах, вокруг которых обращаются безрадостные холодные планеты. Похоже, что Вселенную ожидает довольно-таки унылое будущее.
Примечания:
Здесь и всюду в этой книге, если не оговорено, мы пользуемся абсолютной шкалой температур, нуль которой соответствует -273° Цельсия. Для перехода от абсолютной температуры к температуре по шкале Цельсия нужно отнять 273 градуса. Температура поверхности Солнца по Цельсию равна, таким образом, 5530°
Мечтать о взрыве сверхновой где-нибудь поблизости не очень разумно. Согласно Мелвину Рудерману из Колумбийского университета в Нью-Йорке, человечеству придется плохо, если взрыв сверхновой произойдет на расстоянии ближе 30 световых лет от нас. Космические лучи высокой энергии разрушат озонный щит в нашей атмосфере, ультрафиолетовое излучение Солнца перестанет задерживаться атмосферой и погубит все живое на Земле.
За свои работы по теории белых карликов Чандрасекар в 1983 г. удостоен Нобелевской премии по физике.
Этот процесс называют гравитационным коллапсом.