Нейтронные звёзды

Поиск пульсаров

Главным методом для поиска пульсаров в космосе остаются радиотелескопы. Они небольшие и слабые по сравнению с другими объектами, поэтому приходится сканировать все небо и постепенно в объектив попадают эти объекты. Большая часть была найдена при помощи Обсерватории Паркса в Австралии. Много новых данных можно будет получить с Антенной решетки в квадрантный километр (SKA), стартующий в 2018 году.

В 2008 году запустили телескоп GLAST, который нашел 2050 гамма-излучающих пульсаров, среди которых 93 были миллисекундными. Этот телескоп невероятно полезен, так как сканирует все небо, в то время как другие выделяют лишь небольшие участки вдоль плоскости Млечного Пути.

Небесная карта, отображающая гамма-пульсары, найденные телескопом GLAST

Поиск различных длин волн может сталкиваться с проблемами. Дело в том, что радиоволны невероятно мощные, но могут просто не попадать в объектив телескопа. А вот гамма-излучения распространяются по больше части неба, но уступают по яркости.

Сейчас ученые знают о существовании 2300 пульсаров, найденных по радиоволнам и 160 через гамма-лучи. Есть также 240 миллисекундных пульсаров, из которых 60 производят гамма-излучение.

3. Классификация нейтронных звезд

Существует два параметра, характеризующих взаимодействие нейтронных звезд с окружающим веществом и как следствие их наблюдательные проявления: период вращения и величина магнитного поля. Со временем звезда расходует свою вращательную энергию, и её период вращения увеличивается. Магнитное поле тоже ослабевает. По этой причине нейтронная звезда за время своей жизни может менять свой тип. Ниже представлена номенклатура нейтронных звезд в порядке убывания скорости вращения.

3.1. Эжектор (радиопульсар)

Сильные магнитные поля и малый период вращения. Магнитное поле вращается твердотельно, т. е. с той же угловой скоростью, что и сама нейтронная звезда. На определенном радиусе линейная скорость вращения поля начинает превосходить скорость света. Этот радиус называется радиусом светового цилиндра. За этим радиусом обычное дипольное поле существовать не может, поэтому линии напряженности поля в этом месте обрываются. Заряженные частицы, двигающиеся вдоль линий магнитного поля, через такие обрывы могут покидать нейтронную звезды и улетать на бесконечность. Нейтронная звезда данного типа эжектирует (англ. eject — извергать, выталкивать) релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне. Для наблюдателя эжекторы выглядят как радиопульсары.

3.2. Пропеллер

Скорость вращения уже недостаточна для эжектирования частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром. Однако она всё ещё велика, и захваченная магнитным полем окружающая нейтронную звезду материя не может упасть, т. е. аккреция вещества не происходит. Нейтронные звезды данного типа практически не имеют наблюдательных проявлений, и изучены плохо.

3.3. Аккретор (рентгеновский пульсар)

Скорость вращения снижается до такой степени, что веществу теперь ничего не мешает падать на звезду. Плазма, падая, движется по линиям магнитного поля и ударяется о твердую поверхность в районе полюсов нейтронной звезды, разогреваясь до миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, светится в рентгеновском диапазоне. Область, в которой происходит столкновение падающего вещества с поверхностью звезды, очень мала — всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически пропадает из вида, что наблюдатель воспринимает как пульсации. Такие объекты называются рентгеновскими пульсарами.

3.4. Георотатор

Скорость вращения таких нейтронных звезд мала, и не препятствует аккреции. Но размеры магнитосферы таковы, что плазма останавливается магнитным полем раньше, чем она будет захвачена гравитацией. Подобная ситуация реализуется в магнитосфере Земли, из-за чего данный тип и получил своё название.

Всесильная гравитация

Согласно современной теории эволюции массивные звезды заканчивают свою жизнь колоссальным взрывом, превращающим большую их часть в расширяющуюся газовую туманность. В итоге от гиганта, во много раз превышавшего размерами и массой наше Солнце, остается плотный горячий объект размером около 20 км, с тонкой атмосферой (из водорода и более тяжелых ионов) и гравитационным полем, в 100 млрд. раз превышающим земное. Его и назвали нейтронной звездой, полагая, что он состоит главным образом из нейтронов. Вещество нейтронной звезды — самая плотная форма материи (чайная ложка такого суперядра весит около миллиарда тонн).

Очень короткий период излучаемых пульсарами сигналов был первым и самым главным аргументом в пользу того, что это и есть нейтронные звезды, обладающие огромным магнитным полем и вращающиеся с бешеной скоростью. Только плотные и компактные объекты (размером всего несколько десятков километров) с мощным гравитационным полем могут выдерживать такую скорость вращения, не разлетаясь на куски из-за центробежных сил инерции.

Нейтронная звезда состоит из нейтронной жидкости с примесью протонов и электронов. «Ядерная жидкость», очень напоминающая вещество из атомных ядер, в 1014 раз плотнее обычной воды. Это огромное различие вполне объяснимо — ведь атомы состоят в основном из пустого пространства, в котором вокруг крошечного, тяжелого ядра порхают легкие электроны. Ядро содержит почти всю массу, так как протоны и нейтроны в 2 000 раз тяжелее электронов. Экстремальные силы, возникающие при формировании нейтронной звезды, так сжимают атомы, что электроны, вдавленные в ядра, объединяются с протонами, образуя нейтроны. Таким образом рождается звезда, почти полностью состоящая из нейтронов. Сверхплотная ядерная жидкость, если ее принести на Землю, взорвалась бы, подобно ядерной бомбе, но в нейтронной звезде она устойчива благодаря огромному гравитационному давлению. Однако во внешних слоях нейтронной звезды (как, впрочем, и всех звезд) давление и температура падают, образуя твердую корку толщиной около километра. Как полагают, состоит она в основном из ядер железа

Использование пульсаров

Пульсары – не просто удивительные космические объекты, но и полезные инструменты. Испускаемый свет может многое поведать о внутренних процессах. То есть, исследователи способны разобраться в физике нейтронных звезд. В этих объектах настолько высокое давление, что поведение материи отличается от привычного. Странное наполнение нейтронных звезд называют «ядерной пастой».

Пульсары приносят много пользы благодаря точности импульсов. Ученые знают конкретные объекты и воспринимают их как космические часы. Именно так начали появляться догадки о наличии других планет. Фактически, первая найденная экзопланета вращалась вокруг пульсара.

Не забывайте, что пульсары во время «мигания» продолжают двигаться, а значит, можно с их помощью измерять космические дистанции. Они также участвовали в проверке теории относительности Эйнштейна, вроде моментов с силой тяжести. Но регулярность пульсации может нарушаться гравитационными волнами. Это заметили в феврале 2016 года.

Снимок пульсара PSR B0531+21, сделанный рентгеновской обсерваторией Чандра. В центре вы видите белый пульсар и струи выбрасывающегося материала

Магнетары

Некоторые нейтронные звезды, названные источниками повторяющихся всплесков мягкого гамма-излучения — SGR, испускают мощные всплески «мягких» гамма-лучей через нерегулярные интервалы. Количество энергии, выбрасываемое SGR при обычной вспышке, длящейся несколько десятых секунды, Солнце может излучить только за целый год. Четыре известные SGR находятся в пределах нашей Галактики и только один — вне ее. Эти невероятные взрывы энергии могут быть вызваны звездо-трясениями — мощными версиями землетрясений, когда разрывается твердая поверхность нейтронных звезд и из их недр вырываются мощные потоки протонов, которые, увязая в магнитном поле, испускают гамма- и рентгеновское излучение.

Нейтронные звезды были идентифицированы как источники мощных гамма-всплесков после огромной гамма-вспышки 5 марта 1979 года, когда было выброшено столько энергии в течение первой же секунды, сколько Солнце излучает за 1 000 лет. Недавние наблюдения за одной из наиболее «активных» в настоящее время нейтронных звезд, похоже, подтверждают теорию о том, что нерегулярные мощные всплески гамма- и рентгеновского излучений вызваны звездотрясениями. В 1998 году внезапно очнулся от «дремоты» известный SGR, который 20 лет не подавал признаков активности и выплеснул почти столько же энергии, как и гамма-вспышка 5 марта 1979 года. Больше всего поразило исследователей при наблюдении за этим событием резкое замедление скорости вращения звезды, говорящее о ее разрушении. Для объяснения мощных гамма и рентгеновских вспышек была предложена модель магнетара — нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем. Если нейтронная звезда рождается, вращаясь очень быстро, то совместное влияние вращения и конвекции, которая играет важную роль в первые несколько секунд существования нейтронной звезды, может создать огромное магнитное поле в результате сложного процесса, известного как «активное динамо» (таким же способом создается поле внутри Земли и Солнца). Теоретики были поражены, обнаружив, что такое динамо, работая в горячей, новорожденной нейтронной звезде, может создать магнитное поле, в 10 000 раз более сильное, чем обычное поле пульсаров. Когда звезда охлаждается (секунд через 10 или 20), конвекция и действие динамо прекращаются, но этого времени вполне достаточно, чтобы успело возникнуть нужное поле.

Магнитное поле вращающегося электропроводящего шара бывает неустойчивым, и резкая перестройка его структуры может сопровождаться выбросом колоссальных количеств энергии (наглядный пример такой неустойчивости — периодическая переброска магнитных полюсов Земли). Аналогичные вещи случаются и на Солнце, во взрывных событиях, названных «солнечными вспышками». В магнетаре доступная магнитная энергия огромна, и этой энергии вполне достаточно для мощи таких гигантских вспышек, как 5 марта 1979 и 27 августа 1998 годов. Подобные события неизбежно вызывают глубокую ломку и изменения в структуре не только электрических токов в объеме нейтронной звезды, но и ее твердой коры.

Другим загадочным типом объектов, которые испускают мощное рентгеновское излучение во время периодических взрывов, являются так называемые аномальные рентгеновские пульсары — АХР. Они отличаются от обычных рентгеновских пульсаров тем, что излучают только в рентгеновском диапазоне. Ученые полагают, что SGR и АХР являются фазами жизни одного и того же класса объектов, а именно магнетаров, или нейтронных звезд, которые излучают мягкие гамма-кванты, черпая энергию из магнитного поля. И хотя магнетары на сегодня остаются, детищами теоретиков и нет достаточных данных, подтверждающих их существование, астрономы упорно ищут нужные доказательства.

Активное динамо

Все мы знаем, что энергия любит переходить из одной формы в другую. Электричество легко превращается в тепло, а кинетическая энергия — в потенциальную. Огромные конвективные потоки электропроводящей магмы плазмы или ядерного вещества, оказывается, тоже могут свою кинетическую энергию преобразовать во что-нибудь необычное, например в магнитное поле. Перемещение больших масс на вращающейся звезде в присутствии небольшого исходного магнитного поля могут приводить к электрическим токам, создающим поле того же направления, что и исходное. В результате начинается лавинообразное нарастание собственного магнитного поля вращающегося токопроводящего объекта. Чем больше поле, тем больше токи, чем больше токи, тем больше поле — и все это из-за банальных конвективных потоков, обусловленных тем, что горячее вещество легче холодного, и потому всплывает.

Состав нейтронных звезд

Точная информация о составе нейтронных звезд отсутствует. На сегодняшний день ученые-астрофизики при изучении подобных объектов пользуются рабочей моделью, предложенной физиками – ядерщиками.

Строение нейтронной звезды

Предположительно, звездное вещество в результате коллапса трансформируется в нейтронную, сверхтекучую жидкость. Этому способствует огромное гравитационное притяжение, оказывающее постоянное давление на вещество. Такая «ядерная жидкая субстанция» называется вырожденный газ и в 1000 раз плотнее воды. Атомы вырожденного газа состоят из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. При нейтронизации внутреннее пространство атомов под воздействием сил гравитации исчезает. Электроны сливаются с ядром, образуя нейтроны. Устойчивость сверхплотной субстанции придает внутренняя гравитация. В противном случае неизбежно началась бы цепная реакция, сопровождающаяся ядерным взрывом.

Гравитационный коллапс

Чем ближе к внешнему краю звезды, тем меньше температура и давление. В результате сложных процессов происходит «остывание» нейтронной субстанции, из которой интенсивно выделяются ядра железа. Коллапс и последующий взрыв является фабрикой планетарного железа, которое распространяется в космическом пространстве, становясь строительным материалом при формировании планет.

Условно рассматривая строение нейтронной звезды в микроскоп, можно выделить в строении объекта пять слоёв:

• атмосфера объекта;
• внешняя кора;
• внутренние слои;
• внешнее ядро;
• внутреннее ядро нейтронной звезды.

Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров и является самым тонким слоем. По своему составу – это слой плазмы, отвечающий за тепловое облучение звезды. Далее идет внешняя кора, которая имеет толщину в несколько сот метров. Между внешней корой и внутренними слоями – царство вырожденного электронного газа. Чем глубже к центру звезды, тем быстрее этот газ становится релятивистским. Другими словами, внутри звезды происходящие процессы связаны с уменьшением доли атомных ядер. При этом количество свободных нейтронов увеличивается. Внутренние области нейтронной звезды представляют собой внешнее ядро, где нейтроны продолжают соседствовать с электронами и протонами. Толщина этого слоя субстанции составляет несколько километров, при этом плотность материи в десятки раз выше, чем плотность атомного ядра.

Схема вращения нейтронной звезды

Весь этот атомарный супчик существует благодаря колоссальным температурам. В момент вспышки Сверхновой, температура нейтронной звезды составляет 1011К. В этот период новый небесный объект обладает максимальной светимостью. Сразу после взрыва наступает этап стремительного остывания, температура за несколько минут падает до отметки 109К. Впоследствии процесс остывания замедляется. Несмотря на то, что температура звезды все еще велика, светимость объекта снижается. Звезда продолжает светиться только за счет теплового и инфракрасного излучения.

Нейтронные звёзды

Category:Коротко и ясно о самом интересном

Нейтронная звезда в разрезе (v.uecdn.es).
 Магнитар (тип нейтронных звёзд с исключительно сильным магнитным полем). Рисунок (ESO/L. Calçada).
 Джоселин Белл Бернелл, первооткрыватель пульсаров (alchetron.com).
 Нейтронная звезда EXO 0748-676 (синяя сфера в изображении) вращается вокруг общего центра масс вместе с обычной звездой. Художник показал, как вещество обычной звезды перетекает на нейтронную звезду под действием её сильной гравитации (NASA).
 Кассиопея A – остаток сверхновой в созвездии Кассиопея, на расстоянии 11 тысяч световых лет от Солнца. В результате взрыва, который произошёл примерно в 1680 году, образовалась нейтронная звезда – самая молодая из наблюдаемых нейтронных звёзд нашей Галактики. Изображение составлено из трёх фотографий. Красный цвет – данные в инфракрасном диапазоне (телескоп «Спитцер»), оранжевый – видимый диапазон (телескоп «Хаббл»), зелёный и синий – рентгеновский диапазон (телескоп «Чандра»). На врезке – иллюстрация художника (X-ray: NASA / CXC / UNAM / Ioffe / D.Page, P.Shternin et al; Optical: NASA / STScI; Illustration: NASA / CXC / M.Weiss).

Следующее важное открытие шестидесятых годов – нейтронные звезды. Нейтронными звёздами я занимаюсь профессионально, у меня даже есть про них популярная книжка «Суперобъекты: звезды размером с город»

Открыты они были совершенно случайно, и это открытие в 1974 году было отмечено Нобелевской премией. Интересно, что девушка, которая их, собственно, и открыла, не была включена в число лауреатов – это считается одной из самых больших ошибок Нобелевского комитета. Нейтронные звёзды вобрали в себя всю физику, и это очень легко объяснить. Мы берём любой объект, начинаем его сжимать, и он становится всё концентрированнее. Выше температура, плотность, магнитные поля, гравитационные – всё интереснее и интереснее. Мы приближаемся к экстремальному режиму. Если вы пережмёте, то всё упадёт в чёрную дыру. И тогда информация к нам из-под горизонта не попадёт. А нейтронная звезда – это там, где природа вовремя остановилась. Часть процессов нам видна напрямую, если это происходит вблизи поверхности, часть не видна, потому что это происходит под поверхностью и в центре, но косвенными методами мы можем это вытаскивать. И это чрезвычайно важная, интересная область физики и астрофизики. Есть большая популяция самых разных нейтронных звёзд, их любят за эти экстремальные свойства. Пульсары используют для проверок теория гравитации, за открытие первой двойной нейтронной звезды (нейтронная звезда плюс нейтронная звезда) тоже дали Нобелевскую премию по физике. Это стало на тот момент лучшим тестом для проверки Общей теории относительности. Сейчас мы ждём, когда будут открыты слияния нейтронных звёзд и гравитационные волны от этого события. Это крайне интересно потому, что мы всё-таки хотим в деталях узнать, что находится внутри нейтронной звезды. Чтобы узнать, что находится внутри какого-то предмета, его надо разобрать. Чтобы разломать нейтронную звезду, нужна другая нейтронная звезда. Поэтому самый лучший способ это сделать – попытаться увидеть, как две нейтронные звезды сольются, при этом произойдёт яркая вспышка. И, по всей видимости, вспышки мы такие наблюдаем. Много важной информации приходит с гравитационными волнами. И мы ждём, пока детектор LIGO или достигнет такой чувствительности, чтобы точно за несколько месяцев увидеть это событие, или просто нам повезёт, и на расстоянии меньше, чем 100 млн световых лет произойдёт такое слияние, и тогда LIGO сможет это увидеть. Тогда мы сможем узнать, из чего состоят нейтронные звёзды. Это очень важный вопрос, важный не только для астрономии. То есть снова мы говорим о том, что важное астрономическое открытие выходит за рамки просто астрономии. В данном случае это будет важно для ядерной физики, и отчасти для физики элементарных частиц.

Это – глава из стенгазеты, выпущенной благотворительным проектом «Коротко и ясно о самом интересном». Нажмите на миниатюру газеты ниже и читайте остальные статьи по интересующей вас тематике. Спасибо!

Материал выпуска любезно предоставил Сергей Борисович Попов – астрофизик, доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. Штернберга Московского государственного университета, лауреат нескольких престижных премий в области науки и просвещения. Надеемся, что знакомство с выпуском будет полезно и школьникам, и родителям, и учителям – особенно сейчас, когда астрономия снова вошла в список обязательных школьных предметов (приказ №506 Минобрнауки от 7 июня 2017 года).

Источники энергии для подогрева атмосферы

Раз нейтронная звезда «греет» свою планету рентгеновским и гамма-излучением, возникает вопрос, а не погибнет ли жизнь на поверхности планеты от таких лучей. Авторы попробовали определить, на какой высоте происходит поглощение самых энергичных рентгеновских фотонов. У них получилось, что даже на Земле с ее сравнительно тонкой атмосферой подобные частицы были бы поглощены в 50–70 километрах от поверхности. Как уже отмечалось, пульсарные планеты исходно должны быть куда богаче кислородом и другими газами, поэтому атмосфера с гидросферой на них могут быть значительно толще нашей. В столь легком поглощении довольно опасного излучения на самом деле нет ничего странного, так как чем выше энергия фотона, тем быстрее он поглощается.

Хватит ли энергии от рентгеновского излучения и пульсарного ветра, чтобы прогреть атмосферу суперземель сверху вниз? Авторы не обсуждают эту проблему. Это связано с тем, что у рассматриваемых ими планет должна быть очень толстая атмосфера. И из расчетов, и из наблюдений известно, что при плотной газовой оболочке поступающая в нее снаружи энергия в конечном счете эффективно передается сверху вниз. Например, Титан и Венера в Солнечной системе имеют атмосферу намного плотнее земной, поэтому у них во всех точках поверхности колебания температур слабее, чем на Земле. И это несмотря на то, что почти всё входящее излучение там поглощается высоко в атмосфере, а не достигает поверхности планеты, как на Земле в безоблачных районах.

Итак, жизнь на планетах нейтронных звезд возможна, и весьма вероятно, что две из них уже известны. Но это не значит, что речь может идти о привычном для нас растительном и животном мире. Все пульсарные планеты, чтобы быть обитаемыми долгое время, должны иметь толстую атмосферу, полностью поглощающую излучение нейтронной звезды. То есть на их поверхности очень темно, а давление больше земного. Из-за высокого давления температура в приповерхностном слое будет везде одинаковой. Местная жизнь, как и первые земные организмы, могут быть хемоавтотрофами или использовать фоновое ИК-излучение от нагретой излучением пульсара атмосферы (см.: Древний фермент подтверждает гипотезу о зарождении жизни в горячих источниках, «Элементы», 02.04.2010, и J. Thomas Beatty et al., 2005. An obligately photosynthetic bacterial anaerobe from a deep-sea hydrothermal vent).

В своем блоге Алессандро Патруно, один из авторов работы, предполагает, что жизнь в таких условиях может развиваться подобно земной в Марианской впадине и сходных местах. Согласно его представлениям, местные организмы могут быть сходны с ксенофиофорами, типичными для глубин морей. По мнению ученого, не исключены и более сложные организмы. Следует отметить, что и на Земле многоклеточные, возможно, возникли при огромном давлении (см.: В вулканических породах возрастом 2,4 млрд лет найдены следы древнейших грибов, «Элементы», 11.05.2017), в километрах под морским дном. Так что возможность возникновения сложной жизни на еще одной планете только из-за повышенного давления или отсутствия света исключать не стоит.

Почему пульсары вращаются?

Медлительность для пульсара – одно вращение в секунду. Наиболее быстрые разгоняются до сотен оборотов в секунду и называются миллисекундными. Процесс вращения происходит, потому что звезды, из которых они образовались, также вращались. Но, чтобы добраться до такой скорости, нужен дополнительный источник.

Исследователи полагают, что миллисекундные пульсары сформировались при помощи воровства энергии у соседа. Можно заметить наличие чужого вещества, которое увеличивает скорость вращения. И это не очень хорошо для пострадавшего компаньона, который однажды может полностью поглотиться пульсаром. Такие системы называют черными вдовами (в честь опасного вида паука).

Художественная интерпретация связи между пульсаром и его спутником

Пульсары способны излучать свет в нескольких длинах волн (от радио до гамма-лучей). Но как они это делают? Ученые пока не могут найти точного ответа. Полагают, что за каждую длину волн отвечает отдельный механизм. Маякоподобные лучи состоят из радиоволн. Они отличаются яркостью и узостью и напоминают когерентный свет, где частицы формируют сфокусированный луч.

Чем быстрее вращение, тем слабее магнитное поле. Но скорости вращения достаточно, чтобы они излучали такие же яркие лучи, как и медленные.

Здесь отображены линии магнитного поля, вращающиеся вокруг пульсара. Фиолетовое свечение – гамма-лучи

Во время вращения, магнитное поле создает электрическое, которое способно привести заряженные частицы в подвижное состояние (электрический ток). Участок над поверхностью, где доминирует магнитное поле, называют магнитосферой. Здесь заряженные частицы ускоряются до невероятно высоких скоростей из-за сильного электрического поля. При каждом ускорении они излучают свет. Он отображается в оптическом и рентгеновском диапазоне.

А что с гамма-лучами? Исследования говорят о том, что их источник нужно искать в другом месте возле пульсара. И они будут напоминать веер.

Строение нейтронной звезды

Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013 Гс. Для сравнения — у Земли около 1 Гс. Именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Начиная с 1990-х годов, некоторые нейтронные звёзды отождествлены как магнетары. Это звёзды, обладающие магнитными полями порядка 1014 Гс и выше.

К 2012 году открыто около 2000 нейтронных звёзд. Порядка 90% из них — одиночные. Всего же в нашей Галактике могут существовать 108—109 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 нейтронная звезда может быть в этом случае видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический. На который приходится около 0,003% излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине).

Нейтронные звёзды — одни из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.

В 1933 году астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки предположили, что нейтронная звезда может образоваться в результате взрыва сверхновой. Теоретические расчёты того времени показали, что излучение нейтронной звёзды слишком слабое, и ее невозможно обнаружить. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х гг., когда начала развиваться рентгеновская астрономия.

Классификация

Разумеется, нейтронные звезды, как и любые другие объекты, делятся на виды. Хотя учёные установили, что они могут за свою жизнь изменяться.

В основном на их развитие влияют скорость вращения вокруг своей оси и магнитное поле. Так как собственное вращение со временем тормозится, а магнитное поле слабеет, то другие свойства и процессы также меняются.

Нейтронные звезды, их типы и примеры

Радиопульсары или, по-другому, эжекторы обладают высокой вращательной скоростью и сильными магнитными полями. Они, так сказать, выталкивают заряженные релятивистские частицы, излучаемые в радиодиапазоне. Кстати, первым из данного вида звёздных тел открыли радиопульсар PSR B1919+21.

Пульсар

Пропеллеры, напротив, не выделяют заряженные частицы. Однако из-за высокой скорости вращения и силы магнитной области вещество поддерживается над поверхностью. Правда, данный тип светил сложно обнаружить и он мало изучен.

Рентгеновский пульсар или аккретор отличается тем, что в нём вещество попадает на поверхность. Потому как небольшой темп оборотов позволяет ему спускаться, но уже в состоянии плазмы. В свою очередь, она нагревается благодаря магнитному полю. Как следствие, это вещество ярко светится в рентгеновском диапазоне.

А вот пульсация возникает в результате вращения, при котором происходит затмение горячей материи. К примеру, первый аккретор — Центавр X-3 не только имел пульсацию своей яркости, но и постоянно менял период колебаний.

Рентгеновский пульсар

Георотатор имеет малую вращательную скорость, что вызывает приращение массы тела с помощью силы гравитации вещества (газа) из окружающего пространства. Такой процесс, между прочим, называется аккрецией.

Несмотря на это, границы области вокруг небесного тела позволяют магнитному полю удерживать плазму до того, как она окажется на поверхности.

Георотатор

Эргозвезда, на самом деле, представляет собой теоретически возможный тип. По мнению учёных, такой объект может сформироваться при слиянии или столкновении нейтронных звёзд.

Предполагают, что в ней имеется эргосфера, то есть область пространства-времени, расположенная рядом с чёрной дырой. Она, по идее, лежит где-то между горизонтом событий и пределом статичности. Проще говоря, подобные объекты имеют место быть, но это не точно.

Радиопульсары

Радиоульсары были открыты в конце 1967 г. аспирантом Jocelyn Bell Burnell как радиоисточники, которые пульсируют на постоянной частоте. Радиация, испускаемая звездой, видна как пульсирующий источник излучения или пульсар.

Схематическое изображение вращения нейтронной звезды

Радиопульсары (или просто пульсар) — это вращающиеся нейтронные звезды, струи частиц которых, движутся почти со скоростью света, как вращающийся луч маяка.

После непрерывного вращения, в течение нескольких миллионов лет, пульсары теряют свою энергию и становятся нормальными нейтронными звездами. На сегодня известно только около 1000 пульсаров, хотя их могут быть сотни в галактике.

Радиопульсар в Крабовидной туманности

Некоторые нейтронные звезды испускают рентгеновское излучение. Знаменитая Крабовидная туманность — хороший пример такого объекта, образовавшейся во время взрыва сверхновой. Эта вспышка сверхновой наблюдалась в 1054 году нашей эры.

Ветер от Пульсара, видео телескопа Чандра

Радиопульсар в Крабовидной туманности, сфотографированный с помощью космического телескопа Хаббла через фильтр 547nm (зеленый свет) с 7 августа 2000 года по 17 апреля 2001 года.

Пульсар в Крабовидной туманности

Типы нейтронных звезд

Пульсары

Это обобщающее название для всех нейтронных звезд. Пульсары имеют четко определенный период вращения, который не меняется очень долгое время. Благодаря этому свойству их прозвали «маяками вселенной»

Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.

Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.

Магнетары

При рождении очень быстро крутящейся нейтронной звезды, общие вращение и конвекция создают громадное магнитное поле. Это происходит за счёт процесса «активного динамо». Это поле превышает величины полей обычных пульсаров в десятки тысяч раз. Действие динамо заканчивается через 10 – 20 секунд, и происходит охлаждение атмосферы звезды, но магнитное поле успевает возникнуть заново за этот срок. Оно неустойчиво, и быстрая смена его структуры порождает выброс гигантского количества энергии. Получается, что магнитное поле звезды разрывает её саму. Кандидатов на роль магнетаров в нашей галактике насчитывается около десятка. Появление его возможно из звезды, превосходящей минимум в 8 раз массу нашего Солнца. Размеры же их порядка 15 км в диаметре, при массе около одной солнечной. Но достаточного подтверждения существования магнетаров пока не получено.

Рентгеновские пульсары.

Они считаются другой фазой жизни магнетара и излучают исключительно в рентгеновском диапазоне. Излучение возникает в результате взрывов, имеющих определённый период.

Некоторые нейтронные звёзды появляются в двойных системах или же приобретают компаньона, захватив его в свое гравитационное поле. Такой компаньон будет отдавать своё вещество агрессивной соседке. Если компаньон нейтронной звезды по массе не меньше Солнца, то возможны интересные явления – барстеры. Это рентгеновские вспышки, продолжительностью в секунды или минуты. Но они способны усилить светимость звезды до 100 тыс. солнечных. Перенесённые с компаньона водород и гелий наслаиваются на поверхности барстера. Когда слой становится очень плотным и горячим, запускается термоядерная реакция. Мощность такого взрыва невероятна: на каждом квадратном сантиметре звезды выделяется мощь, эквивалентная взрыву всего земного ядерного потенциала.

При наличии компаньона-гиганта, вещество теряется им в виде звёздного ветра, а нейтронная звезда втягивает его своей гравитацией. Частицы летят по силовым линиям по направлению к магнитным полюсам. При несовпадении магнитной оси  и  оси вращения, яркость звезды будет переменной. Получается рентгеновский пульсар.

Миллисекундные пульсары.

Они тоже связаны с двойными системами и обладают самыми короткими периодами (меньше 30 миллисекунд). Вопреки ожиданиям, они оказываются не самыми молодыми, а достаточно старыми. Старая и медленная нейтронная звезда поглощает материю компаньона-гиганта. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается. Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе.

Море синее зажгли

При наличии ­мощного аккреционного потока над океаном идёт термоядер­ное горение водорода и гелия. Последний превращается, как правило, в углерод. Так что в основном океан будет состоять именно из него. Очень хочется назвать это жидким алмазом (ведь давление там гигантское), но это было бы преуменьшением. Нас ждёт сюрприз! Разогретый почти до миллиарда градусов океан углерода с плотностью в десять миллиардов раз больше, чем у воды, взрывается. Это термоядерное горение. Вспышка длится около часа, и за это время выделяется столько энергии, сколько Солнце высвечивает за год. Энергии настолько много, что уносить её приходится нейтрино.

Но не у всякой нейтронной звезды углеродный океан загорается часто. Надо, чтобы в месте падения вещество не успело быстро растечься, тогда там возникнет область с особенно высокими температурой и плотностью.