Сила тяжіння на нейтронних зірок. Білий карлик, нейтронна зірка, чорна дірка
Гіпотезу про існування нейтронних зірок висунули астрономи В. Бааде та Ф. Цвіккі відразу після відкриття нейтрона в 1932. Але підтвердити цю гіпотезу спостереженнями вдалося лише після відкриття пульсарів у 1967.
Нейтронні зірки утворюються в результаті гравітаційного колапсу нормальних зірок з масами в кілька разів більше за сонячну. Щільність нейтронної зірки близька до густини атомного ядра, тобто. у 100 млн. разів вище за щільність звичайної речовини. Тому при своїй величезній масі нейтронна зіркамає радіус всього прибл. 10 км.
Через малий радіус нейтронної зірки сила тяжіння її поверхні надзвичайно велика: приблизно 100 млрд. разів вище, ніж Землі . Від колапсу цю зірку утримує «тиск виродження» щільної нейтронної речовини, що не залежить від її температури. Однак якщо маса нейтронної зірки стане вищою приблизно 2 сонячних, то сила тяжкості перевищить цей тиск і зірка не зможе протистояти колапсу.
У нейтронних зірок дуже сильне магнітне поле, що досягає на поверхні 1012 -1013 Гс (для порівняння: у Землі близько 1 Гс). З нейтронними зірками пов'язують небесні об'єктидвох різних типів.
Пульсари
(Радіопульсари). Ці об'єкти суворо регулярно випромінюють імпульси радіохвиль. Механізм випромінювання до кінця не зрозумілий, але вважають, що нейтронна зірка, що обертається, випромінює радіопромінь у напрямку, пов'язаному з її магнітним полем, вісь симетрії якого не збігається з віссю обертання зірки. Тому обертання викликає поворот радіопроменя, що періодично прямує на Землю.
Рентгенівські подвійні.
З нейтронними зірками, що входять у подвійну систему з масивною нормальною зіркою, пов'язані також рентгенівські пульсуючі джерела. У таких системах газ із поверхні нормальної зірки падає на нейтронну зірку, розганяючись до величезної швидкості. При ударі об поверхню нейтронної зірки газ виділяє 10–30% своєї енергії спокою, тоді як за ядерних реакціях цей показник сягає 1%. Нагріта до високої температури поверхня нейтронної зірки стає джерелом рентгенівського випромінювання. Однак падіння газу не відбувається рівномірно по всій поверхні: сильне магнітне поле нейтронної зірки захоплює іонізований газ, що падає, і направляє його до магнітним полюсамкуди він і падає, як у вирву. Тому сильно нагріваються тільки райони полюсів, які на зірці, що обертається, стають джерелами рентгенівських імпульсів. Радіоімпульси від такої зірки вже не надходять, оскільки радіохвилі поглинаються в навколишньому газі.
склад.
Щільність нейтронної зірки зростає із глибиною. Під шаром атмосфери товщиною лише кілька сантиметрів знаходиться рідка металева оболонка товщиною кілька метрів, а нижче – тверда кора кілометрової товщини. Речовина кори нагадує звичайний метал, але набагато щільніше. У зовнішній частині кори це переважно залізо; з глибиною у його складі збільшується частка нейтронів. Там, де густина досягає бл. 4Ч 10 11 г/см 3 частка нейтронів збільшується настільки, що деякі з них вже не входять до складу ядер, а утворюють суцільне середовище. Там речовина схожа на «море» з нейтронів та електронів, в яку вкраплені ядра атомів. А при густині бл. 2Ч 10 14 г/см 3 (щільність атомного ядра) взагалі зникають окремі ядра і залишається суцільна нейтронна рідина з домішкою протонів і електронів. Ймовірно, нейтрони і протони поводяться при цьому як надплинна рідина, подібна до рідкого гелію і надпровідних металів у земних лабораторіях.
Речовини такого об'єкта у кілька разів перевищує густину атомного ядра (яка для важких ядер становить у середньому 2,8⋅10 17 кг/м³). Подальшому гравітаційному стиску нейтронної зірки перешкоджає тиск ядерної матерії, що виникає рахунок взаємодії нейтронів.
Багато нейтронні зірки мають надзвичайно високу швидкість обертання, - до кількох сотень оборотів в секунду. Нейтронні зірки виникають у результаті спалахів наднових зірок.
Загальні відомості
Серед нейтронних зірок із надійно виміряними масами більшість потрапляє в інтервал від 1,3 до 1,5 мас Сонця, що близько до значення межі Чандрасекара. Теоретично допустимі нейтронні зірки з масами від 0,1 до приблизно 2,16 сонячних мас. Найбільш масивні нейтронні зірки з відомих - Vela X-1 (має масу не менше 1,88±0,13 сонячних мас на рівні 1σ, що відповідає рівню значимості α≈34 %) , PSR J1614–2230 en (з оцінкою маси 1, 97±0,04 сонячних) , та PSR J0348+0432 en (з оцінкою маси 2,01±0,04 сонячних). Гравітація в нейтронних зірках врівноважується тиском виродженого нейтронного газу. Максимальне значення маси нейтронної зірки задається межею Оппенгеймера-Волкова, який залежить від (поки що ще погано відомого) рівняння стану речовини в ядрі зірки. Існують теоретичні передумови до того, що при ще більшому збільшенні щільності можливе переродження нейтронних зірок у кваркові.
До 2015 року відкрито понад 2500 нейтронних зірок. Близько 90% їх - одиночні. Усього ж у нашій Галактиці можуть існувати 108-109 нейтронних зірок, тобто десь по одній на тисячу звичайних зірок. Для нейтронних зірок характерна висока швидкість руху (зазвичай, сотні км/с). В результаті акреції речовини облака, нейтронна зірка може бути в цій ситуації видно з Землі в різних спектральних діапазонах, включаючи оптичний, на який припадає близько 0,003% енергії, що випромінюється (відповідає 10 зоряній величині) .
Будова
У нейтронній зірці можна назвати п'ять шарів: атмосфера, зовнішня кора, внутрішня кора, зовнішнє ядро і внутрішнє ядро.
Атмосфера нейтронної зірки – дуже тонкий шар плазми (від десятків сантиметрів у гарячих зірок до міліметрів у холодних), у ній формується теплове випромінювання нейтронної зірки.
Зовнішня кора складається з іонів та електронів, її товщина сягає кількох сотень метрів. Тонкий (не більше кількох метрів) приповерхневий шар гарячої нейтронної зірки містить невироджений електронний газ, глибші шари - вироджений електронний газ, зі збільшенням глибини він стає релятивістським та ультрарелятивістським.
Внутрішня кора складається з електронів, вільних нейтронів та атомних ядер із надлишком нейтронів. Зі зростанням глибини частка вільних нейтронів збільшується, а частка атомних ядер зменшується. Товщина внутрішньої кори може досягати кількох кілометрів.
Зовнішнє ядро складається з нейтронів з невеликою домішкою (кілька відсотків) протонів та електронів. У маломасивних нейтронних зірок зовнішнє ядро може простягатися до центру зірки.
У масивних нейтронних зірок є внутрішнє ядро. Його радіус може досягати кількох кілометрів, щільність у центрі ядра може перевищувати щільність атомних ядер у 10-15 разів. Склад та рівняння стану внутрішнього ядра достовірно невідомі. Існує кілька гіпотез, три найбільш ймовірні з яких - 1) кваркове ядро, в якому нейтрони розвалюються на їх верхні і нижні кварки, що їх складають; 2) гіперонне ядро з баріонів, що включають дивні кварки; і 3) каонне ядро, що складається з двокваркових мезонів, що включають дивні (анти)кварки. Проте нині неможливо підтвердити чи спростувати жодну з цих гіпотез.
Охолодження нейтронних зірок
У момент народження нейтронної зірки (в результаті спалаху наднової), її температура дуже висока - близько 10 11 K (тобто на 4 порядки вище за температуру в центрі Сонця), але вона дуже швидко падає за рахунок нейтринного охолодження. Всього за кілька хвилин температура падає з 1011 до 109K, за місяць - до 108K. Потім нейтринна світність різко знижується (вона дуже залежить від температури), і охолодження відбувається набагато повільніше за рахунок фотонного (теплового) випромінювання поверхні. Температура поверхні відомих нейтронних зірок, у яких її вдалося виміряти, становить близько 105-106K (хоча ядро, мабуть, набагато гаряче).
Історія відкриття
Нейтронні зірки - один із небагатьох класів космічних об'єктів, які були теоретично передбачені до відкриття спостерігачами.
Вперше думку про існування зірок зі збільшеною щільністю ще до відкриття нейтрона, зробленого Чедвіком на початку лютого 1932, висловив відомий радянський учений Лев Ландау. Так, у своїй статті «Про теорію зірок», написану в лютому 1931 року і по невідомим причинзапізніло опублікованою 29 лютого 1932 року (більш ніж через рік), він пише: «Ми очікуємо, що все це [порушення законів квантової механіки] має виявлятися, коли щільність матерії стане настільки великою, що атомні ядра прийдуть у тісний контакт, утворивши одне гігантське ядро».
«Пропелер»
Швидкість обертання вже недостатня для ежекції частинок, тому така зірка може бути радіопульсаром . Однак швидкість обертання все ще велика, і захоплена магнітним полем матерія, що оточує нейтронну зірку, не може впасти, тобто акреція речовини не відбувається. Нейтронні зірки даного типу практично не мають проявів, що спостерігаються, і вивчені погано.
Акретор (рентгенівський пульсар)
Швидкість обертання знижується настільки, що речовині тепер не перешкоджає падати на таку нейтронну зірку. Падаючи, речовина, вже у стані плазми, рухається лініями магнітного поляі вдаряється об тверду поверхню тіла нейтронної зірки у районі її полюсів, розігріваючись до десятків мільйонів градусів. Речовина, нагріта до такого високих температур, яскраво світиться у рентгенівському діапазоні . Область, де відбувається зіткнення падаючої речовини з поверхнею тіла нейтронної зірки, дуже мала - всього близько 100 метрів. Ця гаряча пляма через обертання зірки періодично зникає з виду, тому спостерігаються регулярні пульсації рентген-випромінювання. Такі об'єкти і називаються рентгенівськими пульсарами.
Георотатор
Швидкість обертання таких нейтронних зірок мала і перешкоджає акреції. Але розміри магнітосфери такі, що плазма зупиняється магнітним полем раніше, ніж буде захоплена гравітацією. Подібний механізм працює в магнітосфері Землі, через що даний типнейтронних зірок і отримав свою назву.
Примітки
- Дмитро Трунін. Астрофізики уточнили граничну масу нейтронних зірок (неопр.) . nplus1.ru. Дата звернення 18 січня 2018 року.
- H. Quaintrell та ін.Маса neutron star в Vela X-1 і незважаючи на індустрію нерадіальних освітлення в GP Vel // Astronomy and Astrophysics. - квітень 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 2-solar-mass neutron star measured using Shapiro delay (англ.) // Nature. – 2010. – Vol. 467 . - P. 1081-1083.
Концепція нейтронних зірок
Концепція нейтронних зірок не нова: перше припущення про можливість їх існування було зроблено талановитими астрономами Фріцем Цвіккі та Вальтером Баарде з Каліфорнії в 1934р. (Дещо раніше в 1932 р. можливість існування нейтронних зірок була передбачена відомим радянським ученим Л. Д. Ландау.) Наприкінці 30-х років вона стала предметом досліджень інших американських вчених Оппенгеймера і Волкова. Інтерес цих фізиків до цієї проблеми був викликаний прагненням визначити кінцеву стадію еволюції масивної зірки, що стискається. Так як роль і значення наднових розкрилися приблизно в той же час, було висловлено припущення, що нейтронна зірка може виявитися залишком вибуху наднової. На жаль, з початком Другої світової війни увага вчених переключилася на військові потреби і детальне вивчення цих нових і вищого ступенязагадкових об'єктів було припинено. Потім, у 50-х роках, вивчення нейтронних зірок відновили суто теоретично з метою встановити, чи вони стосуються проблеми народження хімічних елементіву центральних областях зірок.залишаються єдиним астрофізичним об'єктом, існування та властивості яких були передбачені задовго до їх відкриття.
На початку 1960-х років відкриття космічних джерел рентгенівського випромінювання дуже обнадіяло тих, хто розглядав нейтронні зірки як джерело небесного рентгенівського випромінювання. До кінця 1967р. був виявлений новий класнебесних об'єктів - пульсари, що призвело вчених до замішання. Це відкриття стало найбільш важливою подієюу вивченні нейтронних зірок, оскільки воно знову порушило питання походження космічного рентгенівського випромінювання. Говорячи про нейтронні зірки, слід враховувати, що їх Фізичні характеристикивстановлені теоретично і дуже гіпотетичні, оскільки фізичні умови, що існують у цих тілах, не можуть бути відтворені в лабораторних експериментах.
Властивості нейтронних зірок
Вирішальне значення властивості нейтронних зірок надають гравітаційні сили. За різними оцінками, діаметри нейтронних зірок становлять 10-200 км. І цей незначний за космічним поняттям об'єм "набитий" такою кількістю речовини, яка може скласти небесне тіло, подібне до Сонця, діаметром близько 1,5 млн. км, а за масою майже в третину мільйона разів важче Землі! Природний наслідок такої концентрації речовини – неймовірно висока щільність нейтронної зірки. Фактично вона виявляється настільки щільною, що може бути навіть твердою. Сила тяжкості нейтронної зірки настільки велика, що людина важила б там близько мільйона тонн. Розрахунки показують, що нейтронні зірки сильно намагнічені. Згідно з оцінками, магнітне поле нейтронної зірки може досягати 1млн. млн. гаус, тоді як Землі воно становить 1 гаус. Радіус нейтронної зіркиприймається близько 15 км, а маса – близько 0,6 – 0,7 маси Сонця. Зовнішній шар є магнітосферою, що складається з розрідженої електронної та ядерної плазми, яка пронизана потужним магнітним полем зірки. Саме тут зароджуються радіосигнали, які є характерною ознакою пульсарів. Надшвидкі заряджені частинки, рухаючись спіралями вздовж магнітних силових ліній, дають початок різного роду випромінюванням. В одних випадках з'являється випромінювання в радіодіапазоні електромагнітного діапазону, в інших - випромінювання на високих частотах.Щільність нейтронної зірки
Майже відразу під магнітосферою щільність речовини сягає 1 т/см3, що у 100 000 разів більше щільності заліза. Наступний за зовнішнім шаром має характеристики металу. Цей шар "надтвердої" речовини, що знаходиться в кристалічній формі. Кристали складаються з ядер атомів з атомною масою 26 – 39 та 58 – 133. Ці кристали надзвичайно малі: щоб покрити відстань в 1 см, потрібно вибудувати в одну лінію близько 10 млрд. кристаликів. Щільність у цьому шарі більш ніж у 1 млн. разів вища, ніж у зовнішньому, чи інакше, у 400 млрд. разів перевищує щільність заліза.Рухаючись далі до центру зірки, ми перетинаємо третій шар. Він включає область важких ядер типу кадмію, але також багатий нейтронами і електронами. Щільність третього шару в 1000 разів більша, ніж попереднього. Глибше проникаючи в нейтронну зірку, ми досягаємо четвертого шару, щільність при цьому зростає незначно – приблизно вп'ятеро. Проте за такої щільності ядра вже не можуть підтримувати свою фізичну цілісність: вони розпадаються на нейтрони, протони та електрони. Більшість речовини перебуває у вигляді нейтронів. На кожен електрон та протон припадає по 8 нейтронів. Цей шар, по суті, можна розглядати як нейтронну рідину, забруднену електронами і протонами. Нижче за цей шар знаходиться ядро нейтронної зірки. Тут щільність приблизно в 1,5 рази більша, ніж у вищележачому шарі. Проте навіть таке невелике збільшення щільності призводить до того, що частинки в ядрі рухаються набагато швидше, ніж у будь-якому іншому шарі. Кінетична енергія руху нейтронів, змішаних з невеликою кількістю протонів та електронів, настільки велика, що постійно відбуваються непружні зіткнення частинок. У процесах зіткнення народжуються всі відомі в ядерної фізикичастинки та резонанси, яких налічується понад тисячу. Ймовірно, присутній велике числоще не відомих нам частинок.
Температура нейтронної зірки
Температури нейтронних зірок порівняно високі. Цього слід очікувати, якщо врахувати, як вони виникають. За перші 10 – 100 тис. років існування зірки температура ядра зменшується до кількох сотень мільйонів градусів. Потім настає нова фаза, коли температура ядра зірки повільно зменшується внаслідок випромінювання електромагнітного випромінювання. Нейтронна зіркаРозрахунки показують, що при вибуху наднової з M ~ 25M залишається щільне нейтронне ядро (нейтронна зірка) з масою ~ 1.6M. У зірках із залишковою масою M > 1.4M , не досягли стадії наднової, тиск виродженого електронного газу також не в змозі врівноважити гравітаційні сили і зірка стискається до ядерної щільності. Механізм цього гравітаційного колапсу той самий, що й під час вибуху наднової. Тиск і температура всередині зірки досягають таких значень, при яких електрони та протони як би "вдавлюються" один в одного і в результаті реакції
після викиду нейтрино утворюються нейтрони, що займають набагато менший фазовий об'єм, ніж електрони. Виникає так звана нейтронна зірка, щільність якої досягає 1014 - 1015 г/см 3 . Характерний розмір нейтронної зірки 10 – 15 км. У певному сенсі нейтронна зірка є гігантським атомним ядром. Подальшому гравітаційному стиску перешкоджає тиск ядерної матерії, що виникає за рахунок взаємодії нейтронів. Це також тиск виродження, як раніше у випадку білого карлика, але тиск виродження істотно більш щільного нейтронного газу. Цей тиск може утримувати маси до 3.2M .
Нейтрино, що утворюються на момент колапсу, досить швидко охолоджують нейтронну зірку. Згідно з теоретичними оцінками, температура її падає з 10 11 до 10 9 K за час ~ 100 с. Далі темп охолодження дещо зменшується. Однак він досить високий за астрономічними масштабами. Зменшення температури з 109 до 108K відбувається за 100 років і до 106K - за мільйон років. Виявити нейтронні зірки оптичними методами досить складно через малий розмір та низьку температуру.
У 1967 р. Кембриджському університетіХ'юїш і Белл відкрили космічні джерела періодичного електромагнітного випромінювання - пульсари. Періоди повторення імпульсів більшості пульсарів лежать в інтервалі від 3.3 · 10 -2 до 4.3 с. Згідно з сучасними уявленнями, пульсари - це нейтронні зірки, що обертаються, мають масу 1 - 3M і діаметр 10 - 20 км. Тільки компактні об'єкти, що мають властивості нейтронних зірок, можуть зберігати свою форму, не руйнуючись за таких швидкостей обертання. Збереження кутового моменту і магнітного поля при утворенні нейтронної зірки призводить до народження пульсарів, що швидко обертаються, з сильним магнітним полем B ~ 10 12 Гс.
Вважається, що нейтронна зірка має магнітне поле, вісь якого не збігається з віссю обертання зірки. У цьому випадку випромінювання зірки (радіохвилі та видиме світло) ковзає по Землі як промені маяка. Коли промінь перетинає Землю, реєструється імпульс. Саме випромінювання нейтронної зірки виникає за рахунок того, що заряджені частинки з поверхні зірки рухаються зовні силовими лініями магнітного поля, випускаючи електромагнітні хвилі. Цей механізм радіовипромінювання пульсара, вперше запропонований Голдом, показаний на рис. 39.
Якщо пучок випромінювання потрапляє на земного спостерігача, радіотелескоп фіксує короткі імпульси радіовипромінювання з періодом, рівним періоду обертання нейтронної зірки. Форма імпульсу може бути дуже складною, що з геометрією магнітосфери нейтронної зірки і є характерною для кожного пульсара. p align="justify"> Періоди обертання пульсарів суворо постійні і точності вимірювання цих періодів доходять до 14-значної цифри.
В даний час виявлені пульсари, що входять до подвійних систем. Якщо пульсар обертається по орбіті навколо другого компонента, то слід спостерігати варіації періоду пульсара внаслідок ефекту Допплера. Коли пульсар наближається до спостерігача, період радіоімпульсів, що реєструється, через доплерівський ефект зменшується, а коли пульсар віддаляється від нас, його період збільшується. На основі цього явища і були виявлені пульсари, що входять до складу подвійних зірок. Для вперше виявленого пульсара PSR 1913 + 16, що входить до складу подвійної системи, орбітальний період становив 7 годин 45 хв. Власний період обігу пульсара PSR 1913+16 дорівнює 59 мс.
Випромінювання пульсара повинно призводити до зменшення швидкості обертання нейтронної зірки. Такий ефект також був виявлений. Нейтронна зірка, що входить до складу подвійної системи, може бути джерелом інтенсивного рентгенівського випромінювання.
Структура нейтронної зірки масою 1.4M та радіусом 16 км показана на рис. 40.
I – тонкий зовнішній шар із щільно упакованих атомів. В областях II та III ядра розташовані у вигляді об'ємно-центрованої кубічної решітки. Область IV складається переважно з нейтронів. В області V речовина може складатися з півонії та гіперонів, утворюючи адронну серцевину нейтронної зірки. Окремі деталі будови нейтронної зірки нині уточнюються.
Утворення нейтронних зірок не завжди є наслідком спалаху наднового. Можливий і інший механізм утворення нейтронних зірок у ході еволюції білих карликів у тісних подвійних зіркових системах. Перетікання речовини зірки-компаньйону на білий карлик поступово збільшує масу білого карлика і після досягнення критичної маси(межі Чандрасекара) білий карлик перетворюється на нейтронну зірку. У разі, коли перетікання речовини продовжується і після утворення нейтронної зірки, її маса може суттєво збільшитись і в результаті гравітаційного колапсу вона може перетворитися на чорну дірку. Це відповідає так званому "тихому" колапсу.
Компактні подвійні зірки можуть виявлятися як джерела рентгенівського випромінювання. Воно також виникає за рахунок акреції речовини, що падає з "нормальної" зірки більш компактну. При акреції речовини на нейтронну зірку з B > 10 10 Гс речовина падає у район магнітних полюсів. Рентгенівське випромінювання модулюється її обертанням навколо осі. Такі джерела називають рентгенівськими пульсарами.
Існують рентгенівські джерела (звані барстерами), у яких періодично з інтервалом від кількох годин до доби відбуваються сплески випромінювання. Характерний час наростання сплеску – 1 сек. Тривалість сплеску від 3 до 10 с. Інтенсивність у момент сплеску може на 2 - 3 порядки перевищувати світність у спокійному стані. Нині відомо кілька сотень таких джерел. Вважається, що сплески випромінювання відбуваються в результаті термоядерних вибухівречовини, що накопичилася на поверхні нейтронної зірки в результаті акреції.
Добре відомо, що на малих відстанях між 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 >отрута можливі такі процеси, як поява піонного конденсату, перехід нейтронізованої речовини в твердий кристалічний стан, утворення гіперонної та кварк-глюонної плазми. Можливе утворення надплинного та надпровідного станів нейтронної речовини.
Відповідно до сучасними уявленнямипро поведінку речовини при щільності в 10 2 - 10 3 разів, що перевищують ядерну (а саме про такі щільності йде моваколи обговорюється внутрішня будова нейтронної зірки), всередині зірки утворюються атомні ядра поблизу межі стійкості. Більш глибоке розуміння може бути досягнуто в результаті дослідження стану речовини в залежності від щільності, температури, стійкості ядерної матерії при екзотичних відносинах числа протонів до нейтронів в ядрі n p /n n, обліку слабких процесів за участю нейтрино. В даний час практично єдиною можливістю дослідження речовини при великих щільності ядерної є ядерні реакції між важкими іонами. Однак, експериментальні дані щодо зіткнення важких іонів дають поки що недостатньо інформації, тому що досяжні значення n p /n n як для ядра - мішені, так і для прискореного ядра, що налітає, невеликі (~ 1 - 0.7).
Точні виміри періодів радіопульсарів показали, що швидкість обертання нейтронної зірки поступово сповільнюється. Це з переходом кінетичної енергіїобертання зірки в енергію випромінювання пульсара та з емісією нейтрино. Невеликі стрибкоподібні зміни періодів радіопульсарів пояснюються накопиченням напруг у поверхневому шарі нейтронної зірки, що супроводжується "розтріскуванням" та "розломами", що і призводить до зміни швидкості обертання зірки. У тимчасових характеристиках радіопульсарів міститься інформація про властивості “кори” нейтронної зірки, фізичні умови всередині неї і про надплинність нейтронної речовини. У Останнім часомвиявлено значну кількість радіопульсарів з періодами меншими 10 мс. Це вимагає уточнення уявлень про процеси, що відбуваються у нейтронних зірках.
Іншою проблемою є дослідження нейтринних процесів у нейтронних зірках. Емісія нейтрино одна із механізмів втрати енергії нейтронної зіркою протягом 10 5 - 10 6 років після її утворення.
Такий наш уявний експеримент. Ми штучно додавали речовину на білий карлик, але не слід вважати таке припущення зовсім неправдоподібним. Як відомо, білі карлики утворюються усередині червоних гігантів. Вони складаються з речовини, для якої термоядерне горіння водню, а ймовірно, і гелію, позаду. На поверхні ж відбувається перетворення водню на гелій. У зовнішніх шарах речовини, що не прогоріла, йде термоядерна реакція з воднем, а можливо, і з гелієм, і маса білого карлика ядра червоного гіганта - зростає. Як і в нашому уявному експерименті, білий карлик накопичує все більше і більше речовини (). Що ж станеться, коли його маса перевищить 1,4 сонячних, межа Чандрасекара, коли почнеться гравітаційний колапс: він сколапсує і перетвориться з білого карлика на нейтронну зірку?
Деякі вчені вважають, що до виникнення нейтронної зірки тут справа не доходить, оскільки перш, ніж це станеться, відбувається вуглецевий вибух. Про це відомо поки що дуже мало. Нехай білий карлик, що є центральним ядром червоного гіганта, складається переважно з вуглецю. Вважають, що ще до початку гравітаційного колапсу вуглець вступає в термоядерну реакцію і вибух розносить зірку вщент - нейтронна зірка не утворюється. У таких наднових хмарах останків ми не виявляємо нейтронної зірки: звідти не виходять сигнали пульсарів. І справді, пульсари не виявлені ні на місці Наднової Тихо Бразі, ні на місці Наднової Кеплера, хоча обидві туманності молодші Крабовидної. Орбітальна Ейнштейнівська обсерваторія виявила у сузір'ї Кассіопеї останки Наднової, яка триста років залишалася непоміченою, прихована від земних спостерігачів хмарою зоряного пилу. Очевидно, тут нейтронна зірка також відсутня. Чи не сталося тут повної руйнації зірки внаслідок вуглецевого вибуху?
Чи менш масивні зірки закінчують своє існування вуглецевим вибухом? Сьогодні це нікому достеменно не відомо. Не виключено також, що після початку термоядерної реакції, вуглець горить відносно спокійно, без вибуху. Тоді білий карлик у центрі червоного гіганта набирає масу, і, як у нашому уявному експерименті, колапсує у нейтронну зірку. Енергія, що вивільняється, як і при «залізній катастрофі», випромінюється в простір, подаючи нам величне видовище вибуху наднової. Можливо, саме це сталося у разі вибуху Наднової 1054 року, коли виникла крабоподібна туманність. Історія тут могла бути такою.
Жила-була зірка з масою, що дорівнює п'яти сонячним. У своїх глибинах вона спалювала водень, а коли ядерне пальне скінчилося, зірка перетворилася на червоний гігант. У центрі зірки почалося горіння гелію, а коли гелій вигорів, утворилося вуглецеве ядро. Центральна частина зірки стала являти собою вуглецеве ядро, оточене гелієвою оболонкою, і щільність речовини була тут така ж велика, як у білому карлику. На поверхні гелієвої оболонки тривало перетворення водню на гелій, а на межі між гелієм і вуглецем гелій перетворювався на вуглець. Маса цього ядра, яке є по суті білим карликом, весь час зростала, і коли вона в 1054 році досягла 1,4 сонячних мас, стався гравітаційний колапс, який не зміг запобігти і горінню вуглецю. При цьому вивільнилося велика кількістьенергії, що розкидало у простір зовнішню оболонку зірки. Сьогодні ми бачимо її як крабоподібну туманність. Білий карлик менше ніж за хвилину перетворився на нейтронну зірку, яка до наших днів посилає радіосигнали, які ми приймаємо від пульсара в Крабовидній туманності.
Який із трьох варіантів насправді відповідає вибухам наднових? «Залізна катастрофа», коли залізне ядро, що утворилося всередині зірки, обрушується під дією гравітаційних сил? Білий карлик, Який, як ракова пухлина, пожирає речовину зірки, поки маса його не досягне критичного значення, при якому відбувається колапс? Чи вуглецевий вибух, що розносить зірку вщент ще до того, як білий карлик встигне перетворитися на нейтронну зірку?
В інших галактиках спостерігається два типи наднових.
Вони відрізняються інтенсивністю світлового спалаху. Ймовірно, вибух наднової може відповідати будь-якому з перерахованих вище механізмів. У масивних зірок утворюється залізне ядро, зірки з масою від 10 до 1,4 сонячної гинуть після утворення в їхньому центрі білих карликів чи то внаслідок вуглецевого вибуху, чи через виникнення нейтронної зірки.
Тільки зірки з масою менше 1,4 сонячної, а також ті, які вчасно встигають позбутися зайвої маси шляхом утворення планетарних туманностей або за рахунок зіркового вітру тихо закінчують своє існування. Вони перетворюються на білі карлики, в яких вже не відбувається жодних ядерних реакційта які перебувають у стійкій рівновазі.
Думковий експеримент із нейтронною зіркою
У нейтронних зірок є проблеми з рівновагою. Проведемо ще один уявний експеримент. Розглянемо пульсар у Крабовидній туманності, який, ймовірно, є нейтронною зіркою з масою, рівною сонячній. Уявімо, що у своєму космічному експерименті ми можемо збільшити масу нейтронної зірки, потроху додаючи нейтронну речовину на її поверхню. І знову виявляється, що зі збільшенням маси радіус зірки зменшується: ознака того, що сила тяжіння все більше бере гору над тиском. Коли маса нейтронної зірки, що росте, досягне приблизно двох сонячних, відбудеться гравітаційний колапс, що триває частки секунди. Чи може щось його зупинити? Чи може матерія перейти в якусь нову формуречовини, в якій тиск, наростаючи, протистоятиме силі тяжкості, як це було у разі білих карликів, де після перетворення речовини зірки на нейтронну матерію знову змогло встановити рівновагу? Фізики сьогодні схильні вважати, що ніщо не може зупинити гравітаційний колапс нейтронної зірки.
Сила тяжкості зростає, і невдовзі тиск перестає грати скільки-небудь істотну роль: нейтронна зірка скорочується до мізерно малих розмірів. На околиці компактного об'єкта з величезною масою гравітація надзвичайно сильна; те, що тут відбувається, описується в рамках загальної теоріївідносності Альберта Ейнштейна. Зокрема, загальна теорія відносності стверджує, що гравітація впливає поширення світла. Гравітаційне поле Сонця діє на промені зірок, що доходять до земного спостерігача, подібно до лінзи (рис. 11.2). Відстань між зірками, що опинилися по різні боки сонячного диска, здається трохи збільшеною. Цей ефект надзвичайно малий; він знаходиться майже на межі доступної нам точності вимірів. Однак його вдається спостерігати під час повного сонячного затемнення, коли Місяць закриває сонячний диск, і зірки з'являються на небі вдень. У ті кілька хвилин, що триває ця небесна вистава, можна виміряти викривлення світлових променів, що проходять поблизу Сонця. Виявилося, що це викривлення відповідає прогнозам загальної теорії відносності.
Мал. 11.2. Відхилення світлових променів поблизу Сонця. Дві віддалені нерухомі зірки посилають світло у всіх напрямках. Їхні промені А і В, що проходять поблизу Сонця, показані суцільними лініями. У гравітаційному полі Сонця промені викривляються. Спостерігачеві, що знаходиться на Землі, світло бачиться тим, що приходить за напрямками, показаними штриховими лініями: йому здається, що зірки відстоять далі одна від одної, ніж у той період, коли вони спостерігаються на небі далеко від Сонця. Сонце, таким чином, діє на промені подібно до лінзи, яка переміщається протягом року по небу і «збільшує» ділянку неба, що знаходиться в її околиці (та, звичайно, яка не закрита самим сонячним диском). Цей ефект дуже малий і може бути виміряний лише під час повного сонячного затемнення.
Ефект викривлення світлових променів у полі сили тяжіння відіграє дуже важливу роль, коли речовина нашої нейтронної зірки, яка нічим більше не утримується, обрушується до її центру. Спробуємо уявити собі цей процес у повільному вигляді. Спочатку нейтронна зірка ще в рівновазі. На її поверхні викривлення світлових променів стає помітним, оскільки сила тяжіння тут дуже велика. Промінь світла, що виходить з поверхні, рухається по викривленій траєкторії, поки не йде від поверхні на досить велику відстань, де гравітація не така сильна, і далі йде по прямій (рис. 11.3, а).
Мал. 11.3. Відхилення світла поблизу нейтронної зірки, що колапсує. Поблизу поверхні зірки траєкторія світлового променя викривляється (а). Що менше радіус зірки, то сильніше викривлення (б), отже світло може робити кілька витків навколо зірки (в), як піти у простір. Радіус зірки став меншим за радіус Шварцшильда (г). Світловий промінь, що йде від поверхні, викривляється так сильно, що повертається до зірки. На малюнку (г) масштаб збільшено по відношенню до (в) приблизно вдвічі (ліворуч), і для наочності на правому малюнку він збільшений ще кілька разів. Штриховою лінією показаний радіус Шварцшільда.
Коли маса нейтронної зірки збільшується і починається колапс, гравітаційне поле біля поверхні ще більше зростає. Викривлення світлових променів стає настільки сильним, що промінь світла, що відхиляється в «горизонтальному» напрямку, кілька разів огинає зірку, перш ніж піти у простір (). Світлану все важче подолати тяжіння зірки, і коли в ході колапсу зірка, яка, будемо вважати, має тепер масу, рівну трьом сонячним, досягне радіусу 8,85 кілометра, світло вже не зможе втекти від неї в простір. Світловий промінь, що йде від поверхні, викривляється в полі сили тяжіння так сильно, що повертається назад на поверхню (). Кванти світла-фотони-випромінювані тілом, повертаються назад, як кинуті на Землі каміння. Жодне випромінювання не проривається у зовнішній світ, щоб донести звістку про сумну долю нашої зірки. Подібний об'єкт отримав назву чорної дірки.
Чорні діри
Як ми бачили, тіло, яке піддається досить значному стиску, через якийсь час перестає відпускати від себе світлові промені. Радіус, за якого це починає відбуватися, вперше розрахував Карл Шварцшільд. Очевидно, його можна вважати найбільшим астрофізиком першої половини двадцятого століття. Йому належать основні внески до багатьох розділів астрофізики. Після того як Ейнштейн сформулював свої рівняння загальної теорії відносності, Карл Шварцшильд незадовго до своєї смерті отримав для них перші точні рішення, що описують, зокрема, властивості чорних дірок. Шварцшильд був директором обсерваторій у Геттінгені та Потсдамі; у 1916 р. у віці 43 років він помер від хвороби, отриманої на фронтах першої світової війни. Його порох спочиває на центральному цвинтаріу Геттінгені.
Радіус, до якого необхідно стиснути тіло, щоб світло від нього не могло йти в простір, називають радіусом Шварцшильда. Для Сонця він складає близько трьох кілометрів. Якщо стиснути Сонце до цього чи меншого радіусу, його світло не виходитиме назовні. Взагалі, радіус Шварцшильда може бути розрахований для будь-якого тіла. Чим менша маса тіла, тим менший і радіус Шварцшильда. Для тієї кількості речовини, з якої складається людина, радіус Шварцшильда настільки малий, що якщо його висловити в сантиметрах, вийде нуль цілих і ще двадцять один нуль після коми, і лише далі з'являться цифри, відмінні від нуля. Якщо стиснути масу, рівну масі людини, до такого малого радіусу, то зовнішній простір від неї не йтиме світло.
Перетворившись на чорну дірку, небесне тіло не зникає із Всесвіту. Воно дається взнаки зовнішньому світу завдяки своїй гравітації. Чорна діра поглинає світлові промені, що проходять поблизу неї, і відхиляє промені, що йдуть від неї на більш значній відстані. Чорна діра може вступати в гравітаційну взаємодію з іншими тілами: вона може утримувати біля себе планети або утворювати з іншою зіркою подвійну систему.
Але поки що це був наш уявний експеримент. Чи існують чорні дірки насправді? Досить важко уявити собі, щоб на нейтронну зірку надходила така велика кількість речовини, що її маса збільшилася до тієї межі, за якою настає гравітаційний колапс. У рентгенівських подвійних зірок, наприклад, потік речовини, що надходить до нейтронної зірки, настільки малий, що за весь час життя зірки, що віддає свою масу, маса нейтронної зірки збільшується зовсім ненабагато. Але що знаємо про виникнення нейтронних зірок? Лише те, що пульсар у Крабовидній туманності утворився після вибуху Наднової. А що ми знаємо про вибухи наднових? Чи не може статися, що іноді після розльоту зовнішньої оболонки залишається ще маса, достатня не тільки для утворення нейтронної зірки, а й для подальшого колапсу її у чорну дірку? Щодо деяких рентгенівських подвійних є сильна підозра, що є компактним об'єктом, від якого виходить рентгенівське випромінювання, є не нейтронна зірка, а чорна дірка. Речовина, яка йде від зірки-супутника, може ще до того, як стане невидимою в надрах чорної дірки, розігрітися настільки, що почне випускати рентгенівське випромінювання. Рухом видимої зірки, Визначеному за допомогою ефекту Доплера (див. ), Можна розрахувати масу рентгенівського джерела (див. ). Вважають, що у рентгенівського джерела Лебідь Х-1 маса компактного об'єкта перевищує три сонячні маси. Цей компактний об'єкт не може бути нейтронною зіркою; чи не є він чорною діркою? Втім, методи визначення маси не надто точні. Тому досі існування чорних дірок не є безперечно доведеним.
Поки що чорні дірки зустрічаються в науковій літературі, Та й у широкій пресі, набагато частіше, ніж у природі. Сьогодні модно залучати чорні діри для пояснення тих явищ, яким не вдається знайти іншого тлумачення, чорні діри роблять відповідальними за всі не зрозумілі досі космічні явища. У книгарні в Лондоні я побачив книгу Black Holes, поміщену в розділі книг з окультизму. Англійський книгопродавець, мабуть, добре відчув ситуацію, що склалася в сучасній астрофізиці.
Швидше за все, своє життя зірка закінчує як добропорядний остигаючий білий карлик або ж як нейтронна зірка, яка спочатку посилає радіоімпульси, а також якщо до неї звідкись надходить речовина, спостерігається як рентгенівське джерело.
Якщо ж до кінця існування зірки у неї залишається значна маса, занадто велика, щоб утворився стійкий білий карлик, і занадто велика, щоб нейтронна зірка могла перебувати в рівновазі, її останки колапсують у чорну дірку.
23 лютого 1987 року у Великій Магеллановій Хмарі стався спалах Наднової. Хоча вона й не належить до Чумацького ШляхуАле знаходиться від нього на відстані «всього» 120000 світлових років. Ця зірка є на зроблених раніше знімках зірок неба; вона вибухнула ще до того, як Землі з'явилися неандертальці. Коли готувалося це видання, було ще не ясно, чи залишилася на місці вибуху нейтронна зірка, від якої в майбутньому можуть бути прийняті сигнали пульсара, або ядро Наднової сколапсувало в чорну дірку.
Вмираючі зірки перетворюються на компактні об'єкти, в яких речовина пов'язана назавжди. Однак насамперед вони викидають частину своєї маси в простір - це речовина, яка може послужити для утворення нових зірок. І та речовина, з якої складаються наші власні тіла, щонайменше одного разу кипіло в надрах якоїсь зірки. Але майже завжди після зірки залишається компактний об'єкт, і зрештою вся матерія у Всесвіті буде зосереджена в білих карликах, що остигають, нейтронних зірках і чорних дірах, навколо яких звертаються безрадісні холодні планети. Схоже, що на Всесвіт чекає досить-таки похмуре майбутнє.
Примітки:
Тут і всюди в цій книзі, якщо не зазначено, ми користуємося абсолютною шкалою температур, нуль якої відповідає -273 ° Цельсія. Для переходу від абсолютної температури до температури за шкалою Цельсія потрібно забрати 273 градуси. Температура поверхні Сонця за Цельсієм дорівнює, таким чином, 5530°
Мріяти про вибух наднової десь поблизу не дуже розумно. Згідно з Мелвіном Рудерманом з Колумбійського університету в Нью-Йорку, людству доведеться погано, якщо вибух наднової відбудеться на відстані ближче 30 світлових років від нас. Космічні промені високої енергії зруйнують озонний щит у нашій атмосфері, ультрафіолетове випромінювання Сонця перестане затримуватись атмосферою та погубить усе живе на Землі.
За свої роботи з теорії білих карликів Чандрасекар у 1983 р. удостоєний Нобелівської преміїпо фізиці.
Цей процес називають гравітаційним колапсом.