Что представляет из себя нейтронная звезда и как она образуется. Предположительная схема внутреннего строения нейтронной звезды.
🔵 Что такое нейтронная звезда?
Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток массивной звезды, которая взорвалась как сверхновая. Перед взрывом сверхновой ядро звезды моментально сжимается под действием гравитации до такой степени, что протоны и электроны сливаются в нейтроны. Сжатие ядра происходит за доли секунды — это называют гравитационным коллапсом. Взрыв сверхновой — следствие этого коллапса.
Размер нейтронной звезды — всего 10–20 км в диаметре, но её масса может быть в 1,4–2,5 раза больше массы Солнца! Это делает её невероятно плотной: чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы миллиарды тонн на Земле.
🌀 Образование нейтронных звёзд
Нейтронные звезды рождаются в результате коллапса ядра массивной звезды в 8–20 раз тяжелее Солнца, сопровождаемого взрывом сверхновой. Ядро такой звезды, чтобы стать нейтронной звездой, должно иметь массу от 1,4 до примерно 2,5 солнечных масс. Если масса ядра превысит указанные пределы, звезда превратится в черную дыру.
Основные этапы формирования нейтронной звезды:
- Исчерпание ядерного топлива
На протяжении миллионов лет звезда синтезирует в своем ядре все более тяжелые элементы, пока не доходит до железа. Синтез железа не выделяет энергию, и ядро теряет способность сопротивляться гравитации. - Гравитационный коллапс ядра
Ядро звезды начинает быстро сжиматься (всё происходит за доли секунды), а внешние слои звезды начинают падать на него. Плотность и температура в ядре увеличиваются, вызывают слияние электронов и протонов с образованием нейтронов и мощного потока электронных нейтрино. - Взрыв сверхновой
Когда плотность ядра достигает 4⋅1017 кг/м3, его сжатие останавливается. Мощный поток нейтрино отбрасывает от ядра внешнюю оболочку звезды, которая при очень высоких температурах становится непрозрачной для нейтрино, при этом звезда превращается в сверхновую. - Образование нейтронной звезды
После рассеивания внешней оболочки от звезды остаётся звёздный остаток — нейтронная звезда.
🎯 Строение нейтронной звезды
Простейшая структурная схема нейтронной звезды:
Что находится внутри нейтронной звезды? Несмотря на десятилетия исследований, внутреннее строение нейтронной звезды остается предметом активных научных споров.
В настоящее время в нейтронной звезде выделяют пять основных слоёв: атмосфера, внешняя кора, внутренняя кора, внешнее ядро и внутреннее ядро:
- Атмосфера нейтронной звезды — очень тонкий слой плазмы от миллиметров до десятков сантиметров, в которой формируется тепловое излучение нейтронной звезды.
- Внешняя кора — слой толщиной в нескольких сотен метров, состоящий из ядер и электронов.
- Внутренняя кора — слой толщиной в несколько километров, состоящий из электронов, свободных нейтронов и атомных ядер с избытком нейтронов.
- Внешнее ядро — состоит из нейтронов с небольшой примесью протонов и электронов. У нейтронных звёзд с малой массой внешнее ядро может простираться до центра звезды.
- Внутреннее ядро — может присутствовать у массивных нейтронных звёзд и, теоретически, состоять из кварков или других частиц.
🧲 Невероятные свойства нейтронных звёзд
Нейтронные звезды обладают целым рядом экстремальных характеристик, которые делают их уникальными объектами для изучения:
- Фантастическая плотность
Нейтронная звезда — это самый плотный объект во Вселенной, который не является черной дырой. Вещество нейтронной звезды плотнее, чем атомное ядро — один кубический сантиметр такого вещества весит около миллиарда тонн, что сравнимо с массой горы Эверест. - Экстремальная гравитация
Гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды в сотни миллиардов раз сильнее земного. Чтобы преодолеть его, требуется скорость, составляющая значительную долю скорости света. Даже свет заметно искривляется вблизи нейтронной звезды. - Быстрое вращение
Исходная звезда вращалась. При коллапсе ее угловой момент сохраняется, но радиус уменьшается в миллионы раз. Подобно фигуристу, сжимающему руки при вращении, нейтронная звезда начинает вращаться с невероятной скоростью – от нескольких оборотов в секунду до сотен (и даже более тысячи!) оборотов в секунду на ранних этапах. - Сильное магнитное поле
Магнитное поле исходной звезды также «сжимается» при коллапсе. В результате нейтронная звезда обладает магнитным полем, которое в триллионы раз сильнее земного. У некоторых нейтронных звезд, называемых магнетарами, магнитные поля настолько сильны, что могут влиять на электронику космических аппаратов на огромных расстояниях и вызывать мощнейшие выбросы энергии.
💎 Разновидности нейтронных звезд
Существует несколько типов нейтронных звёзд, которые различаются по своим свойствам и поведению:
- Пульсары
Это быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем, которые испускают узконаправленные пучки электромагнитного излучения (часто радиоволн) вдоль осей своего магнитного поля. Если эти пучки «пролетают» мимо Земли по мере вращения звезды, мы регистрируем регулярные импульсы излучения – отсюда и название «пульсар». - Магнетары
Это особый класс нейтронных звезд с исключительно сильными магнитными полями (до квадриллионов земных!). Их активность проявляется в виде внезапных и очень мощных выбросов рентгеновского и гамма-излучения. Магнетары являются одними из самых ярких и мощных источников данного излучения во Вселенной. - Рентгеновские двойные системы
Это нейтронные звёзды, которые поглощают материал с соседней звезды, излучая рентгеновские волны.
🔬 Важность нейтронных звёзд для науки
Изучение нейтронных звезд дает уникальную возможность проверить наши теории о материи и гравитации в условиях, недостижимых в земных лабораториях. Нейтронные звёзды являются природными экспериментальными полигонами для:
- Изучения состояния вещества при экстремальных плотностях.
- Тестирования Общей теории относительности Эйнштейна в сильных гравитационных полях.
- Понимания работы мощнейших магнитных полей.
- Исследования происхождения тяжелых элементов во Вселенной (слияние нейтронных звезд является одним из источников золота, платины и других тяжелых металлов).
- Поиска новых форм материи.
⚫️ Нейтронные звезды и чёрные дыры
И нейтронные звезды, и черные дыры являются конечными стадиями эволюции массивных звезд, образующимися после взрыва сверхновой. Главное отличие в их плотности и гравитации:
- Нейтронная звезда имеет невероятную, но конечную плотность и твердую «поверхность». Гравитация на поверхности огромна, но её можно преодолеть.
- Черная дыра имеет сингулярность (бесконечную плотность) в центре и горизонт событий – границу, из-за которой даже свет не может выбраться.
🤯 Интересные факты о нейтронных звёздах
- Если бы вы могли взять чайную ложку вещества нейтронной звезды, она весила бы столько же, сколько все люди на Земле вместе взятые.
- Пульсары были впервые обнаружены в 1967 году астрономом Джоселин Белл Бернелл, которая изначально приняла их сигналы за возможные признаки инопланетной жизни.
- Нейтронные звёзды могут вращаться так быстро, что их экваториальная скорость достигает значительной доли скорости света. Рекордсмен по скорости вращения — нейтронная звезда PSR J1748–2446ad (716 оборотов в секунду!).
Нейтронные звёзды — это удивительные космические объекты, которые открывают перед учёными новые горизонты в изучении Вселенной. Их уникальные свойства, такие как сверхплотность, мощные магнитные поля и способность генерировать гравитационные волны, делают их ключевыми факторами для понимания законов физики и эволюции звёзд.