какая плотность нейтронной звезды
10 увлекательных фактов о нейтронных звездах
Как и почти все во Вселенной, звезды рождаются, живут своей жизнью, а затем умирают на протяжении миллионов, а иногда и миллиардов лет. Потребовались десятилетия, чтобы исследователи определили и каталогизировали различные типы звезд, как они формируются, и их эволюционную последовательность.
То, как звезда заканчивает свою жизнь, в конечном счете зависит от ее одной характеристики: массы. Если это будет звезда с низкой массой, то она закончится как белый карлик, черная дыра, если это массивная звезда, но все, что находится между ними, коллапсирует в нейтронную звезду.
Нейтронные звезды возникают в результате взрыва сверхновой (происходящего на последних этапах жизни звезды), которому способствует гравитационный коллапс, который сжимает звездное ядро так сильно, что оно достигает плотности атомных ядер. Со временем они могут развиваться дальше различными способами.
Здесь мы собрали 15 интересных фактов о нейтронных звездах.
10. Есть три типа нейтронных звезд
По своим уникальным характеристикам нейтронные звезды можно разделить на три подтипа; Рентгеновские пульсары, магнетары и радиопульсары. Радиопульсары или просто пульсары являются наиболее распространенным типом нейтронных звезд, излучающих мощные электромагнитные импульсы. Однако их чрезвычайно сложно обнаружить.
Поскольку пульсары излучают электромагнитное излучение от своих магнитных полюсов, их можно наблюдать только тогда, когда луч излучения направлен на Землю. С Земли этот луч будет выглядеть так, как будто он идет из фиксированной точки в пространстве. Это явление также известно как эффект маяка.
Эти пульсары, если их найти в “особом состоянии”, могут дать нам бесценные знания о Вселенной.
Художественное представление магнетара
Рентгеновские пульсары также известны как пульсары с аккреционным питанием, которые обычно существуют в двойной системе звезд, где нейтронная звезда находится на орбите с другим звездным спутником. Они излучают энергию в рентгеновском спектре.
Подтипы рентгеновских пульсаров включают миллисекундные пульсары (рециркулированные пульсары), низкомассовые рентгеновские бинарные системы, среднемассовые рентгеновские бинарные системы и высокомассовые рентгеновские бинарные системы.
9. Они очень горячие и очень плотные
Температура поверхности почти каждой наблюдаемой нейтронной звезды составляет около 600 000 К, и она еще выше в новообразованных звездах. Для сравнения, Солнце имеет температуру поверхности приблизительно 5 775 K, в то время как Сириус, белый карлик, имеет температуру поверхности 9 940 K.
Нейтронная звезда компактна и настолько плотна, что ложка, полная образца материала звезды, весила бы намного больше миллиарда тонн. Ее плотность сильно варьируется, которая увеличивается с глубиной. Вблизи ядра нейтронная звезда становится плотнее атомного ядра.
Кроме того, их магнитное поле примерно в один квадриллион раз, а гравитационное поле примерно в 200 миллиардов раз сильнее, чем у Земли. Однако, причина их мощного магнитного поля остается загадкой.
8. Ближайшая нейтронная звезда
Художественная концепция “изолированной нейтронной звезды”
Еще в 2007 году группа исследователей обнаружила своеобразный рентгеновский источник в созвездии Малой Медведицы на расстоянии 250-1000 световых лет от Земли, который они позже определили как нейтронную звезду. Возможно, это может быть ближайшая к Земле нейтронная звезда.
Официально обозначенная как 1RXS J141256.0 + 792204, нейтронная звезда получила прозвище Кальвера после антагониста популярного фильма 1960-х годов «Великолепная семерка». В отличие от большинства наблюдаемых звезд, Кальвера принадлежит к редкой группе изолированных нейтронных звезд, у которых нет остатка сверхновой звезды и звезды-компаньона.
7. В Млечном Пути есть около двух тысяч известных пульсаров
Согласно оценкам, основанным на количестве взрывов сверхновых, в нашей галактике Млечный Путь должно присутствовать по меньшей мере 100 миллионов нейтронных звезд. Однако на сегодняшний день астрономы обнаружили лишь менее двух тысяч пульсаров (наиболее распространенный тип нейтронной звезды).
Этот огромный контраст в численности мог быть вызван их возрастом. Нейтронным звездам, как правило, миллиарды лет, что дает им достаточное время для охлаждения. Без необходимой энергии для излучения на разных длинах волн многие пульсары становятся почти невидимыми для наших спутников. Даже молодые пульсары могут остаться незамеченными из-за их узкого поля излучения.
6. Самая быстрая нейтронная звезда вращается со скоростью 716 раз в секунду
Новорожденные нейтронные звезды могут достигать чрезвычайно высокой скорости вращения благодаря сохранению момента импульса. Самая быстрая вращающаяся нейтронная звезда, зарегистрированная на сегодняшний день, это PSR J1748-2446ad, расположенная в созвездии Стрельца, на расстоянии около 18 000 световых лет от Земли.
Далекий пульсар вращается с бешеной скоростью 716 раз в секунду или 43 000 оборотов в минуту. Исследования подтвердили, что звезда имеет массу чуть меньше двух солнечных масс и радиус менее 16 км.
5. Скорость их вращения может увеличиться
В некоторых случаях нейтронная звезда в двойной системе может начать поглощать аккрецированную материю или плазму от своей звезды-компаньона. Этот процесс может значительно увеличить скорость вращения нейтронной звезды, а также может изменить ее форму на сжатый сфероид. Эти изменения вызваны взаимодействием магнитосферы звезды и плазмы.
Хотя этот феномен впервые наблюдался в нескольких рентгеновских пульсарах, таких как Centaurus X-3 и Hercules X-1, в настоящее время он наблюдается и в других подобных пульсарах. С другой стороны, также регистрируется долгосрочное уменьшение периода импульса Centaurus X-3.
4. Нейтронные звезды могут иногда подвергаться «сбоям»
Художественная концепция «звездного землетрясения»
Ряд недавних исследований показали, что уровень энергии, выделяющейся во время звездного землетрясения, будет недостаточным для возникновения сбоя. Вместо этого была выдвинута новая теория, в которой эти сбои могут быть объяснены с помощью возмущений в гипотетическом сверхтекучем ядре пульсара.
3. Может существовать в сложной двойной системе
Но в 2003 году международная группа радиоастрономов из обсерватории Паркса (Австралия) обнаружила двойную систему с двумя пульсарами, то есть двумя пульсирующими нейтронными звездами в гравитационно связанной системе. Это единственная известная нам двойная система пульсаров. Два пульсара обозначены как PSR J0737-3039A и PSR J0737-3039B.
2. Нейтронные звезды также могут принимать планеты
Художественная концепция системы PSR B1257 + 12
Как и другие, нейтронные звезды могут также принимать планеты и даже иметь четко определенную планетную систему. Теоретически, эти экзопланеты могут быть местными, захваченными или существующими в околоземной форме (планета в двойной системе звезд).
Кроме того, пульсирующая нейтронная звезда в двойной системе может полностью удалить атмосферу своей звезды-компаньона, оставив только голую небесную массу. Эти массы можно интерпретировать либо как планету, либо как звездный объект.
Только две такие планетные системы были подтверждены на сегодняшний день. Первая состоит из трех планет, а именно Полтергейста, Фобетора и Драугра, вращающихся вокруг PSR B1257 + 12. Вторая система содержит только один внесолнечный мир, и она вращается вокруг PSR B1620-26.
1. Столкновение двух нейтронных звезд
17 августа 2017 года около 70 различных обсерваторий по всему миру, включая Virgo и LIGO, обнаружили сигнал гравитационной волны, теперь известный как GW170817. Эта гравитационная волна возникла в течение последних нескольких минут слияния двух нейтронных звезд. Хотя это было не первое обнаруженное открытие, оно считается прорывным открытием в астрономии.
Причина этого заключается в том, что все ранее записанные гравитационные волновые сигналы были вызваны слиянием черных дыр, которые не испускают никакого значительного электромагнитного сигнала. Вскоре после столкновения космический гамма-телескоп Ферми наблюдал короткий гамма-всплеск, обозначенный как GRB 170817A.
Несколько коротких фактов
Hulse-Taylor binary или PSR B1913+16-это пульсар, который вместе с нейтронной звездой образует бинарную звездную систему. После своего открытия в 1972 году он стал первым в истории бинарным пульсаром, который был обнаружен и оказался решающим в изучении гравитационных волн. Это открытие и дальнейший анализ принесли Расселу Алану Халсу и Джозефу Хутону Тейлору-младшему Нобелевскую премию по физике в 1993 году.
Сопоставимый с пределом Чандрасекара (максимальная масса, при которой белый карлик может оставаться стабильным), предел Толмана–Оппенгеймера–Волкофа является верхним потолком массы нейтронной звезды, после чего мертвая звезда далее коллапсирует в черную дыру. Его значение колеблется от 1,5 до 3,0 солнечной массы.
Существование нейтронных звезд было предсказано астрономами Вальтером Бааде и Фрицем Цвицким в 1934 году, более чем за три десятилетия до того, как они были впервые подтверждены.
Остальные шесть звезд в группе: RX J0806.4-4132, RX J0720.4-3125, RBS1556, RBS1223, RX J0420.0-5022 и 1RXS J214303.7 + 065419. Каждый из семи источников рентгеновского излучения обнаружен спутником ROSAT.
Мягкая или твёрдая? Спор о том, что находится внутри нейтронной звезды
Ядро нейтронной звезды находится в таком экстремальном состоянии, что физики не могут договориться о том, что происходит внутри неё. Но новый космический эксперимент — и несколько сталкивающихся нейтронных звёзд — должны показать, могут ли ломаться нейтроны
Предупреждения начали приходить рано утром 17 августа. Гравитационные волны, порождённые столкновением двух нейтронных звёзд — плотных ядер умерших звёзд — омывали Землю. Более 1000 физиков обсерватории aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) поспешили расшифровать вибрации пространства-времени, прокатившиеся по детекторам подобно долгому раскату грома. Тысячи астрономов боролись за право стать свидетелями послесвечения. Однако официально весь этот переполох держался в секрете. Нужно было собирать данные и писать научные работы. Внешний мир не должен был узнать об этом ещё два месяца.
Этот строгий запрет поставил Джоселин Рид и Катерино Чатциоаноу, двух членов коллаборации LIGO, в неловкое положение. Днём 17 числа они должны были вести конференцию, посвящённую вопросу о том, что происходит в невообразимых условиях внутренностей нейтронной звезды. А их темой как раз было то, как должно происходить слияние двух нейтронных звёзд. «Мы вышли на перерыв, сели и уставились друг на друга, — говорит Рид, профессор Калифорнийского университета в Фуллертоне. — Так как же мы это сделаем?»
Десятилетиями физики спорили о том, содержат или нет нейтронные звёзды в себе новые виды материи, появляющиеся, когда звезда ломает привычный мир протонов и нейтронов и создаёт новые взаимодействия между кварками или другими экзотическими частицами. Ответ на этот вопрос также пролил бы свет на астрономические загадки, окружающие сверхновые и появление тяжёлых элементов, вроде золота.
Кроме наблюдения за столкновениями при помощи LIGO, астрофизики разрабатывали творческие методы зондирования нейтронной звезды. Задача состоит в том, чтобы узнать какие-либо свойства её внутренних слоёв. Но сигнал, пришедший на LIGO, и подобные ему — испускаемые двумя нейтронными звёздами, обращающимися вокруг общего центра масс, притягивающимися друг к другу, и, наконец, врезающимися — предлагает совершенно новый подход к проблеме.
Странная материя
Нейтронная звезда — это сжатое ядро массивной звезды, очень плотные угли, оставшиеся после сверхновой. Её масса сравнима с солнечной, но сжата она до размеров города. Таким образом, нейтронные звёзды служат плотнейшими резервуарами материи во Вселенной — «последнее вещество на рубеже чёрной дыры», как говорит Марк Алфорд, физик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.
Пробурив такую звезду, мы бы приблизились к переднему краю науки. Пара сантиметров нормальных атомов — в основном, железо и кремний — лежат на поверхности, будто ярко-красное покрытие самых плотных сосательных конфет Вселенной. Затем атомы так сильно сжимаются, что теряют электроны, попадающие в общее море. Ещё глубже протоны начинают превращаться в нейтроны, находящиеся так близко, что они начинают перекрывать друг на друга.
Необыкновенное ядро нейтронной звезды. Физики пока ещё обсуждают, что именно находится внутри неё. Вот несколько основных идей.
Традиционная теория
Атмосфера — лёгкие элементы вроде водорода и гелия
Внешняя оболочка — ионы железа
Внутренняя оболочка — решётка ионов
Внешнее ядро — богатые нейтронами ионы в море свободных нейтронов
А что внутри?
Другие астрофизики считают иначе. Нуклоны — не элементарные частицы. Они состоят из трёх кварков [на самом деле, нет — прим. перев.]. Под невероятно сильным давлением кварки могут сформировать новое состояние — кварковую материю. «Нуклоны — это не бильярдные шары», — говорит Дэвид Блашке, физик из Вроцлавского университета в Польше. «Они больше похожи на вишенки. Их можно немного сжимать, но в какой-то момент вы их раздавите».
Но некоторые считают джем из кварков слишком простым вариантом. Теоретики давно думают о том, что внутри нейтронной звезды могут появляться слои из более странных частиц. Энергия сжимаемых вместе нейтронов может перейти в создание более тяжёлых частиц, содержащих не только верхние и нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, но и более тяжёлые и экзотические странные кварки.
К примеру, нейтроны могут уступать место гиперонам, трёхкварковым частицам, в которые входит по меньшей мере один странный кварк. В лабораторных экспериментах гипероны получались, но они практически сразу исчезали. Внутри нейтронных звёзд они могут стабильно существовать миллионы лет.
Как вариант, скрытые глубины нейтронных звёзд могут быть заполнены каонами — также состоящими из странных кварков — собирающимися в один кусок материи, находящийся в едином квантовом состоянии.
Но несколько десятилетий поле этих исследований было в тупике. Теоретики изобретали идеи по поводу того, что может происходить внутри нейтронных звёзд, но это окружение настолько экстремальное и малознакомое, что эксперименты на Земле не могут воссоздать нужных условий. В Брукхейвенской национальной лаборатории и в ЦЕРН физики сталкивают друг с другом тяжёлые ядра, например, золота и свинца. Это создаёт состояние материи, напоминающее суп частиц, в котором присутствуют свободные кварки, известное, как кварк-глюонная плазма. Но это вещество получается разреженным, не плотным, а его температура в миллиарды или триллионы градусов оказывается гораздо выше, чем у внутренностей нейтронной звезды, внутри которой царят относительно прохладные температуры в миллионы градусов.
Даже теория возрастом в несколько десятилетий, описывающая кварки и ядра, “квантовая хромодинамика” или КХД, не может дать ответов на эти вопросы. Вычисления, требующиеся для изучения КХД в относительно холодных и плотных средах до такой степени ужасно сложные, что их нельзя провести даже на компьютере. Исследователям остаётся довольствоваться чрезмерными упрощениями и разными трюками.
Единственный вариант — изучать сами нейтронные звёзды. К несчастью, они очень далеки, тусклы, и очень сложно измерить у них что-либо кроме самых основных свойств. Что ещё хуже, самая интересная физика происходит под их поверхностью. «Ситуация напоминает лабораторию, в которой происходит что-то удивительное, — говорит Алфорд, — в то время, как вы можете видеть только свет из её окон».
Но с новым поколением экспериментов теоретики могут, наконец, вскоре взглянуть на это как следует.
Инструмент NICER прямо перед запуском на МКС. Он отслеживает рентгеновское излучение нейтронных звёзд
Мягкое или твёрдое?
Что бы ни находилось в ядре нейтронной звезды — свободные кварки, конденсат каонов, гипероны или старые, добрые нуклоны — этот материал должен держаться против сокрушительной гравитации, превышающей солнечную. Иначе звезда схлопнулась бы в чёрную дыру. Но разные материалы могут сжиматься гравитацией в разной степени, что определяет максимально возможный вес звезды для заданного физического размера.
Астрономы, вынужденные оставаться снаружи, распутывают эту цепочку, пытаясь понять, из чего состоят нейтронные звёзды. А для этого очень хорошо было бы знать, насколько они мягкие или жёсткие на сжатие. Чтобы узнать это, астрономам необходимо измерить массы и радиусы различных нейтронных звёзд.
Среди нейтронных звёзд легче всего взвешивать пульсары: быстро вращающиеся нейтронные звёзды, радиолуч которых проходит сквозь Землю с каждым их поворотом. Порядка 10% из 2500 известных пульсаров относятся к двойным системам. В процессе движения этих пульсаров те их импульсы, что должны с равными промежутками достигать Земли, варьируются, выдавая движение пульсаров и их положение на орбитах. А зная орбиты, астрономы могут, воспользовавшись законами Кеплера и дополнительными поправками Эйнштейна и ОТО, находить массы этих парочек.
Пока что крупнейшим прорывом стало открытие неожиданно здоровых нейтронных звёзд. В 2010 году команда под руководством Скотта Рэнсома в Национальной радиоастрономической обсерватории Виргинии объявила, что измерила массу пульсара и нашла её равной двум солнечным — что гораздо больше ранее виденного. Некоторые даже сомневались в возможности существования таких нейтронных звёзд; это приводит к серьёзным последствиям для нашего представления о поведении ядер атомов. «Сейчас это одна из самых часто цитируемых работ по наблюдению за пульсарами, и всё благодаря физикам-ядерщикам», — говорит Рэнсом.
В соответствии с некоторыми моделями нейтронных звёзд, утверждающих, что гравитация должна их сильно сжимать, объект такой массы должен схлопнуться в чёрную дыру. Каонные конденсаты в таком случае пострадают, поскольку они достаточно мягкие, а также это не очень хорошо для некоторых вариантов квантовой материи и гиперонов, которые тоже сжались бы слишком сильно. Измерение было подтверждено открытием ещё одной нейтронной звезды, имеющей массу в две солнечных, в 2013 году.
Ферьял Озель, астрофизик из Аризонского университета, провела измерения, из которых следует, что в ядрах нейтронных звёзд содержится экзотическая материя
С радиусами всё немного сложнее. Астрофизики, например, Ферьял Озель из Аризонского университета, разработала различные приёмы для подсчёта физического размера нейтронных звёзд при помощи наблюдения за рентгеновскими лучами, исходящими с их поверхности. Вот один способ: можно измерить общее рентгеновское излучение, использовать его для оценки температуры поверхности, и затем рассчитать размер нейтронной звезды, способной излучать такие волны (внося поправки на то, как они изгибаются из-за гравитации). Также можно искать горячие точки на поверхности нейтронной звезды, постоянно появляющиеся и исчезающие из поля зрения. Сильное гравитационное поле звезды будет изменять световые импульсы в зависимости от этих горячих точек. Разобравшись в гравитационном поле звезды, можно воссоздать её массу и радиус.
Если верить этим расчётам Озел, получается, что хотя нейтронные звёзды и бывают довольно тяжёлыми, их размер находится в пределах 20-22 км в диаметре.
Принятие того факта, что нейтронные звёзды маленькие и массивные «загоняет вас в рамки, в хорошем смысле», — говорит Озел. Она говорит, что так должны выглядеть нейтронные звёзды, набитые взаимодействующими кварками, а у нейтронных звёзд, состоящих только из нуклонов, радиус должен был быть большим.
Джеймс Латтимер, астрофизик из Университета в Стони-Брук, утверждает, что в ядрах нейтронных звёзд нейтроны остаются нетронутыми
Но у Латтимера, среди прочих критиков, есть сомнения по поводу предположений, используемых при рентгеновских измерениях — он считает, что они ошибочные. Он думает, что они могут неоправданно уменьшить радиус звёзд.
Обе соперничающие стороны считают, что их спор вскоре разрешится. В прошлом июне 11-я миссия SpaceX доставила на МКС ящик весом 372 кг, содержащий рентгеновский телескоп Найсер (англ. Neutron star Interior Composition Explorer, NICER). Найсер, в данное время собирающий данные, создан для определения размеров нейтронных звёзд через изучение горячих точек на их поверхности. Эксперимент должен выдать лучшие измерения радиусов нейтронных звёзд, считая пульсары, массы которых измерены.
«Мы все очень ждём результатов», — говорит Блашке. Точно измеренные масса и радиус даже одной нейтронной звезды сразу отметут множество вероятных теорий, описывающих их внутреннюю структуру, и оставит только те, что выдают определённое соотношение размера и веса.
А теперь к экспериментам подключился ещё и LIGO.
Сначала сигнал, который Рид обсуждала за кофе 17 августа, обрабатывали как результат столкновения чёрных дыр, а не нейтронных звёзд. И это имело смысл. Все предыдущие сигналы с LIGO были получены от чёрных дыр, более сговорчивых объектов с вычислительной точки зрения. Но в порождении этого сигнала участвовали более лёгкие объекты, а продолжался он гораздо дольше, чем происходит объединение чёрных дыр. «Совершенно очевидно, что это оказалась не такая система, на которых мы тренировались», — сказала Рид.
Когда две ЧД сближаются по спирали, они излучают орбитальную энергию в пространство время в виде гравитационных волны. Но в последнюю секунду нового 90-секундного сигнала, полученного LIGO, каждый объект испытал то, чего не испытывают ЧД: он деформировался. Пара объектов стала растягивать и сжимать материю друг друга, создавая волны, изымающие энергию их орбит. Это заставило их столкнуться быстрее, чем было бы в ином случае.
После нескольких месяцев неистовой работы с компьютерными симуляциями, группа Рид в LIGO выпустила своё первое измерение эффектов, оказываемых этими волнами на сигнал. Пока у команды есть только верхний предел — что означает, что эффект, оказываемый волнами, слаб или даже просто незаметен. А это значит, что нейтронные звёзды физически малы, и их материя удерживается вокруг центра в очень плотном состоянии, что препятствует её приливному растяжению. «Думаю, что первое измерение через гравитационные волны вроде бы подтверждает то, о чём говорили рентгеновские наблюдения», — говорит Рид. Но это ещё не конец. Она ожидает, что более сложное моделирование того же сигнала выдаст более точную оценку.
Найсер и LIGO предоставляют новые способы изучения нейтронных звёзд, и многие эксперты с оптимизмом ждут, что в следующие несколько лет появятся недвусмысленные ответы на вопрос сопротивления материала гравитации. Но теоретики, например, Альфорд, предупреждают, что простое измерение мягкости материи нейтронной звезды не даст полной информации о ней.
Возможно, другие признаки скажут больше. К примеру, идущие наблюдения за скоростью охлаждения нейтронных звёзд должны позволить астрофизикам рассуждать о присутствующих внутри них частицах и их способности излучать энергию. Или же изучение замедления их вращения может помочь определить вязкость их внутренностей.
Но, в любом случае, просто знать, в какой момент происходит фазовый переход материи и во что она превращается — это достойная задача, считает Альфорд. «Изучение свойств материи, существующей в разных условиях — это, в общем, и есть физика», — говорит он.