Нейтронні зірки та рентгенівська астрономія

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Останнім часом увагу астрономів і фізиків знову притягнуто до проблеми нейтронних зірок. Ця проблема досить стара: її виникнення, пов’язане з ім’ям видатного фізика Л. Д. Ландау, відокремлене від наших днів більш ніж половиною століття. Згідно з гіпотезою Ландау, в природі може існувати поряд з твердим, рідким, газоподібним і плазмовим також нейтронний стан речовини.

Зустріти нейтронну речовину можна лише в надрах деяких зірок, де панують велетенські тиски, що на багато порядків перевищують ті, з якими має справу людина у своїй практичній діяльності. Нейтронних зірок досі ще ніхто не спостерігав. Проте останнім часом з’явилися нові можливості їх виявлення, завдяки яким можна сподіватися, ці цікаві і важливі для розуміння розвитку Всесвіту об’єкти займуть, нарешті, своє місце в зоряних каталогах.

Як може виникнути нейтронна зірка? Що вона собою являє? Речовина звичайної зірки, такої, наприклад, як наше Сонце, знаходиться в стані гарячої плазми, тобто являє собою сильно нагрітий газ, що складається з електронів та іонів — атомів, повністю або частково позбавлених своїх електронів. Джерелом колосальної енергії, яку випромінює зірка, служать термоядерні процеси, що відбуваються при зіткненні один з одним швидких атомних ядер, головним чином водню.

З плином часу у міру «вигорання» водню потік енергії, що виходить із зірки назовні, зменшується, сили тяжіння стають неврівноваженими і стискають зірку. При цьому щільність речовини зірки може досягти дуже великої величини: до десятків і сотень тисяч тонн у кубічному сантиметрі. В результаті створюються умови, при яких протони, що входять до складу ядер атомів, почнуть захоплювати електрони і перетворюються на нейтрони. В результаті більш чи менш значна частина речовини зірки може перетворитися в нейтронну «рідину», сама ж зірка ще більше ущільнюється і за своєю внутрішньою структурою починає бути схожою на звичайне атомне ядро, тільки неймовірно збільшене в об’ємі. При ще більш високому стисканні в речовині зірки починають з’являтися нові частинки — гіперони, маса яких перевищує масу протона.

Нейтронні зірки представляють значний інтерес для науки. Ці об’єкти, мабуть, є останнім етапом «життєвого шляху» зірки як світного тіла. Ясно, що скласти картину еволюції Всесвіту неможливо, не маючи чіткого уявлення про будову і властивості зірок на останньому етапі їх розвитку. Нейтронні зірки вельми цікаві і з погляду звичайної, «земної» фізики, оскільки в них здійснюються умови, про створення яких в наших лабораторіях в даний час не можна і мріяти.

Та обставина, що нейтронні зірки досі не виявлені, зовсім не є аргументом проти їх існування. Справа в тому, що нейтронні зірки вкрай важко спостерігати. Вони в силу колосальної густини нейтронної речовини є воістину карликами: їх діаметр дорівнює всього лише десяткам кілометрів. Між тим кількість енергії, що випромінюється зіркою, пропорційна площі її поверхні, тобто квадрату діаметра. Ясно, що таку зірку, якщо тільки вона якимось дивом не розташована поблизу сонячної системи, спостерігати в звичайний телескоп практично неможливо.

Перетворення звичайної зірки в нейтронну відбувається не плавно, а з вибухом, з виділенням величезної енергії. Дуже можливо, що саме цей процес призводить до виникнення наднових зірок. При цьому нейтронна зірка може виявитися нагрітою до високої температури, скажімо, в тисячу разів більш високої, ніж температура поверхні Сонця. В цей час повне випромінювання зірки дуже сильно збільшиться, причому більшу частину своєї енергії зірка буде випромінювати не у формі видимого світла, а у вигляді більш «жорсткого», рентгенівського випромінювання. Потужність випромінювання може бути такою значною, що існуючі прилади здатні зареєструвати нейтронну зірку на відстані в тисячі світлових років.

Все сказане набуває особливої гостроти, якщо згадати, що останнім часом з допомогою приладів, встановлених на ракетах, виявлено ряд джерел рентгенівського випромінювання, один з яких, до речі сказати, знаходиться в районі Крабовидної туманності — результат спалаху наднової в 1054 році. Правда, спостереження, проведені влітку 1964 року, показали, що відповідне джерело має великі кутові розміри і не може бути ототожнене з нейтронною зіркою. Тим не менш, саму можливість спостереження нейтронної зірки за її рентгенівським випромінюванням ніяк не можна вважати виключеною. Звичайно, такі спостереження є вкрай важкою справою, перш за все, через молодість відповідної галузі астрономії — рентгенівської астрономії. Є цілий ряд інших причин, що ускладнюють спостереження нейтронних зірок. На одній з них ми зупинимося докладніше.

Абсолютно ясно, що виявити рентгенівське випромінювання зірки можна лише в тому випадку, якщо висока температура її поверхні тримається досить тривалий, час. Добре відомо, що швидкість охолодження будь-якого тіла визначається величиною його теплоємності: чим менший розмір, тим менше «теплова інерція» тіла, тим швидше воно змінює свою температуру. Між тим саме теплоємність нейтронної зірки може виявитися значно меншою, ніж це можна було б очікувати за аналогією з іншими зірками.

Щоб зробити зрозумілим це твердження, нам доведеться звернутися до висновків фізики низьких температур — галузі науки, що на перший погляд нескінченно далека від теми цієї статті. Читач, мабуть, знайомий з чудовими явищами, які виникають у рідкому гелії і в деяких металах при досить низьких температурах, Мова йде про надплинність гелію і надпровідність металів — явищ, найбільш вражаюча особливість яких — повна відсутність якого б то не було опору течії гелію або проходження електричного струму в металах. Менш відома інша властивість надпровідника — аномальна малість його теплоємності. Цей факт, як і відсутність опору, пояснюється тим, що електрони надпровідника, між якими діють сили тяжіння, можуть «злипатися», утворюючи стійкі пов’язані пари.

Оцінки, проведені авторами цієї статті, показали, що у нейтронної зірки сили тяжіння, що діють між нейтронами, можуть призвести, незважаючи на величезні температури, що панують в надрах цих зірок, до появи пов’язаних пар нейтронів. Відповідно нейтронну зірку можна уподібнити гігантському надпровіднику з витікаючими звідси наслідками, зокрема, з аномально малою величиною теплоємності. Отже, нейтронна зірка не може довго утримувати високу температуру.

Якщо ці міркування підтвердяться, то спостереження нейтронної зірки виявиться ще більш важкою справою, ніж вважали досі. Тим не менш пошуки рентгенівського випромінювання нейтронних зірок залишаються однією з найбільш актуальних задач сучасної астрофізики. Ми хотіли б також підкреслити, що постановка питання про надтекучість нейтронних зірок — досить яскрава ілюстрація поєднання ідей, запозичених з абсолютно різних областей науки: астрономії, ядерної фізики, фізики низьких температур. Такого роду синтез — типова риса сучасного етапу розвитку науки.

Автори: В. Гінзбург, Д. Киржниц.

Швидка відповідь: що відбувається, коли гине нейтронна зірка?

Нейтронна зоря — це етап у житті дуже великих зірок, які після споживання всього водню у своєму ядрі та вибуху наднової зірки можуть перетворитися на надзвичайно щільне й компактне небесне тіло, де більше немає атомів, а є скупчення нейтронів. .

Як гине нейтронна зірка?

Зірка може навіть вибухнути, утворивши наднову: зовнішня частина різко викидається в космос, тоді як внутрішня частина – ядро ​​– стає настільки маленькою і щільною, що ложка цього матеріалу важила б мільйони тонн. Це ядро ​​називається нейтронною зіркою.

Що станеться, коли помре гігантська зірка?

Його смерть настає, коли він вже спалює все паливо. Оскільки це горіння породжує важчі елементи, воно закінчується лише тоді, коли починає вироблятися залізо, що є процесом, який споживає енергію. З цього моменту він остигає і різко зменшується в розмірах, повністю перетворюючись на залізо.

Коли зірка помирає, чи може вона стати трьома речами?

Якщо це так, коли зірка вмирає, вона розширюється, росте і, зрештою, знову трансформується, стаючи червоним гігантом. Замість смерті, процес починається спочатку; тільки тепер білий карлик починає новий етап як червоний гігант.

Скільки живе нейтронна зірка?

Факти про нейтронні зірки

Уповільнення часу через гравітацію нейтронних зірок становитиме 8 років там, що дорівнює 10 рокам на Землі. Магнітне поле нейтронних зірок може досягати позначки 1011 Тл.

Що відбувається з білим карликом?

Білий карлик — це назва типу зірок, набагато менших за звичайні зірки та з невеликою яскравістю порівняно з іншими. Він являє собою стадію після смерті зірки, яка не була достатньо масивною, щоб стати надновою, і в результаті стала планетарною туманністю.

Коли помирає зірка?

Але чому вмирають зірки? … «Але в зірці з масою Сонця температура плавлення вуглецю для утворення важчих елементів ніколи не буде досягнута, тому утворюється ядро, яке більше не буде виробляти енергію, і, як наслідок, процес смерті зірки починається ».

Як живе і вмирає зірка?

Навіть зірки народжуються і вмирають. Якщо ці сяючі зірки утворюються лише одним способом, їхній життєвий цикл може змінюватися на мільярди років. … Народження зірок відбувається, коли гігантська хмара газу та пилу починає збиратися в космосі, в регіоні, який називають «зоряними яслами».

Що таке кінцева стадія маленької зірки?

Якщо маса зірки становить від 0,08 MSol до 0,45 MSol, після перетворення H в He на головній послідовності вона стане білим карликом із гелієвим ядром. Зірки з масою до 1,75 MSol перетворюють водень на гелій за допомогою протон-протонного циклу і мають зовнішній конвекційний шар.

Чому вмирають зірки?

Так, зірки вмирають. Цікавий той факт, що чим більше маса зірки, тим коротший час її життя. Це пояснюється тим, що чим більша маса зірки, тим більша гравітаційна сила, яка прагне згорнути зірку. … Зірки з більшою масою можуть спалювати важчі елементи протягом свого життя.

Який найдовший етап у житті зірки?

Головна послідовність (SP) — це найдовший етап життя зірки, коли вона перетворює водень у гелій у ядрі та постійно світиться в гідростатичній рівновазі.

Які можливі місця призначення зірки після закінчення її життя?

Якщо зірка починає мати масу від 0,8 до 10 MSol, після споживання водню в центрі зірка пройде фазу гіганта, а потім фазу надгіганта, викине планетарну туманність і закінчить своє життя як білий карлик із масою порядку 0,6 MSol і радіусом близько 10 000 км.

Коли зірка вмирає, її світло все ще видно?

Це не так. Ні, вони існують. Світлу від далеких зірок потрібні тисячі років, щоб досягти Землі, але будь-яка зірка, яку ви можете побачити неозброєним оком, знаходиться надто близько, щоб померти. Найяскравіші зірки знаходяться на відстані 500 світлових років від Землі.