Conceito de estrela de nêutrons
O conceito de estrelas de nêutrons não é novo: a primeira sugestão sobre a possibilidade de sua existência foi feita pelos talentosos astrônomos Fritz Zwicky e Walter Baarde da Califórnia em 1934. (Um pouco antes, em 1932, a possibilidade da existência de estrelas de nêutrons foi prevista pelo famoso cientista soviético L. D. Landau.) No final da década de 1930, tornou-se objeto de pesquisa de outros cientistas americanos Oppenheimer e Volkov. O interesse desses físicos neste problema foi causado pelo desejo de determinar o estágio final da evolução de uma estrela em contração massiva. Como o papel e o significado das supernovas foram revelados na mesma época, foi sugerido que uma estrela de nêutrons poderia ser o remanescente de uma explosão de supernova. Infelizmente, com a eclosão da Segunda Guerra Mundial, a atenção dos cientistas voltou-se para as necessidades militares e estudo detalhado esses novos e o mais alto grau objetos misteriosos Foi suspenso. Então, na década de 50, o estudo das estrelas de nêutrons foi retomado puramente teoricamente a fim de estabelecer se elas são relevantes para o problema do nascimento elementos químicos dentro regiões centrais estrelas.permanecem o único objeto astrofísico cuja existência e propriedades foram previstas muito antes de sua descoberta.
No início da década de 1960, a inauguração fontes espaciais Os raios X têm sido muito encorajadores para aqueles que consideram as estrelas de nêutrons como possíveis fontes de raios X celestes. No final de 1967 foi descoberto nova classe objetos celestes - pulsares, que levaram os cientistas à confusão. Essa descoberta foi a mais evento importante no estudo das estrelas de nêutrons, uma vez que novamente levantou a questão da origem dos raios X cósmicos. Falando de estrelas de nêutrons, deve-se ter em mente que suas características físicas estabelecido teoricamente e altamente hipotético, uma vez que condições físicas que existem nesses corpos não podem ser reproduzidos em experimentos de laboratório.
Propriedades das estrelas de nêutrons
De importância decisiva nas propriedades das estrelas de nêutrons são forças gravitacionais. De acordo com várias estimativas, os diâmetros das estrelas de nêutrons são de 10 a 200 km. E este insignificante conceitos de espaço o volume é "enchido" com uma quantidade de substância que pode ser corpo celestial, semelhante ao Sol, com um diâmetro de cerca de 1,5 milhão de km, e em massa quase um terço de milhão de vezes mais pesado que a Terra! A consequência natural de tal concentração de matéria é incrível alta densidade Estrêla de Neutróns. Na verdade, é tão denso que pode até ser sólido. A gravidade de uma estrela de nêutrons é tão grande que uma pessoa pesaria cerca de um milhão de toneladas lá. Os cálculos mostram que as estrelas de nêutrons são altamente magnetizadas. Segundo estimativas, o campo magnético de uma estrela de nêutrons pode chegar a 1 milhão de km. milhão de gauss, enquanto na Terra é de 1 gauss. Raio da estrela de nêutrons cerca de 15 km é levado, e a massa é de cerca de 0,6 - 0,7 massas solares. camada externaé uma magnetosfera que consiste em elétron rarefeito e plasma nuclear, que é penetrado por um poderoso campo magnético de uma estrela. É aqui que nascem os sinais de rádio, que são marca pulsares. Partículas carregadas ultrarrápidas, movendo-se em espirais ao longo do campo magnético linhas de força, dar origem tipo diferente radiação. Em alguns casos, a radiação ocorre na faixa de rádio espectro eletromagnético, em outros - radiação em altas frequências.Densidade de uma estrela de nêutrons
Quase imediatamente sob a magnetosfera, a densidade da matéria atinge 1 t/cm3, que é 100.000 vezes mais densidade glândula. A próxima camada externa tem as características de um metal. Esta camada de matéria "superdura" está na forma cristalina. Os cristais são formados por núcleos atômicos massa atômica 26 - 39 e 58 - 133. Esses cristais são extremamente pequenos: para cobrir uma distância de 1 cm, você precisa alinhar cerca de 10 bilhões de cristais em uma linha. A densidade nesta camada é mais de 1 milhão de vezes maior que na camada externa, ou então, 400 bilhões de vezes maior que a densidade do ferro.Movendo-se mais para o centro da estrela, cruzamos a terceira camada. Inclui a área núcleos pesados como o cádmio, mas também rico em nêutrons e elétrons. A densidade da terceira camada é 1.000 vezes maior que a anterior. Penetrando mais profundamente em uma estrela de nêutrons, chegamos à quarta camada, enquanto a densidade aumenta ligeiramente - cerca de cinco vezes. No entanto, com tal densidade, os núcleos não podem mais manter sua integridade física: eles decaem em nêutrons, prótons e elétrons. O máximo de a matéria está na forma de nêutrons. Existem 8 nêutrons para cada elétron e próton. Essa camada, em essência, pode ser considerada como um líquido de nêutrons "poluído" por elétrons e prótons. Abaixo desta camada está o núcleo de uma estrela de nêutrons. Aqui a densidade é cerca de 1,5 vezes maior do que na camada sobrejacente. E, no entanto, mesmo esse pequeno aumento na densidade faz com que as partículas no núcleo se movam muito mais rápido do que em qualquer outra camada. Energia cinética o movimento de nêutrons misturado com uma pequena quantidade de prótons e elétrons é tão grande que há colisões inelásticas partículas. Nos processos de colisão, todos conhecidos em física nuclear partículas e ressonâncias, das quais existem mais de mil. Com toda a probabilidade, há grande número partículas ainda não conhecidas por nós.
Temperatura da estrela de nêutrons
As temperaturas das estrelas de nêutrons são comparativamente altas. Isso é de se esperar, dada a forma como eles surgem. Durante os primeiros 10 a 100 mil anos de existência de uma estrela, a temperatura do núcleo diminui para várias centenas de milhões de graus. Em seguida, vem uma nova fase, quando a temperatura do núcleo da estrela diminui lentamente devido à emissão de radiação eletromagnética.O produto final da evolução estelar é chamado estrelas de nêutrons. Seu tamanho e peso são simplesmente incríveis! Tendo um tamanho de até 20 km de diâmetro, mas pesando como . A densidade da matéria em uma estrela de nêutrons é muitas vezes maior que a densidade de um núcleo atômico. Estrelas de nêutrons aparecem durante explosões de supernovas.
A maioria das estrelas de nêutrons conhecidas tem uma massa de aproximadamente 1,44 massas solares. e é igual ao limite de massa de Chandrasekhar. Mas é teoricamente possível que eles possam ter até 2,5 massas. O mais pesado descoberto até hoje tem um peso de 1,88 massa solar, e é chamado - Vele X-1, e o segundo com uma massa de 1,97 Solar - PSR J1614-2230. Com um aumento adicional na densidade, a estrela se transforma em um quark.
O campo magnético das estrelas de nêutrons é muito forte e atinge 10 à 12ª potência de G, o campo da Terra é 1 Gs. Desde 1990, algumas estrelas de nêutrons foram identificadas como magnetares - são estrelas em que os campos magnéticos vão muito além de 10 elevado à 14ª potência de gauss. Em tais campos magnéticos críticos, a física também muda, aparecem efeitos relativísticos (deflexão da luz por um campo magnético) e polarização vácuo físico. Estrelas de nêutrons foram previstas e depois descobertas.
As primeiras sugestões foram feitas por Walter Baade e Fritz Zwicky em 1933., eles assumiram que as estrelas de nêutrons nascem como resultado de uma explosão de supernova. Segundo os cálculos, a radiação dessas estrelas é muito pequena, é simplesmente impossível detectá-la. Mas em 1967, a estudante de pós-graduação da Hewish Jocelyn Bell descobriu o , que emitia pulsos de rádio regulares.
Tais impulsos foram obtidos como resultado de uma rápida rotação do objeto, mas estrelas comuns de uma rotação tão forte simplesmente se separariam e, portanto, eles decidiram que eram estrelas de nêutrons.
Pulsares em ordem decrescente de velocidade de rotação:
O ejetor é um pulsar de rádio. Baixa velocidade de rotação e forte campo magnético. Tal pulsar tem um campo magnético e a estrela gira junto com a mesma velocidade angular. NO certo momento velocidade da linha campo atinge a velocidade da luz e começa a ultrapassá-la. Além disso, o campo dipolar não pode existir e as linhas de força do campo são rasgadas. Movendo-se ao longo dessas linhas, partículas carregadas atingem um penhasco e se desprendem, deixando a estrela de nêutrons e podem voar para qualquer distância até o infinito. Portanto, esses pulsares são chamados de ejetores (doar, entrar em erupção) - pulsares de rádio.
Hélice, ele não tem mais uma velocidade de rotação como um ejetor para acelerar as partículas até a velocidade pós-luz, então não pode ser um pulsar de rádio. Mas sua velocidade de rotação ainda é muito alta, a matéria capturada pelo campo magnético ainda não pode cair sobre a estrela, ou seja, a acreção não ocorre. Essas estrelas são muito mal estudadas, porque é quase impossível observá-las.
Um acretor é um pulsar de raios-X. A estrela não está mais girando tão rápido e a matéria começa a cair sobre a estrela, caindo ao longo da linha campo magnético. Caindo perto do pólo em uma superfície sólida, a substância é aquecida a dezenas de milhões de graus, resultando em raios X. As pulsações ocorrem como resultado do fato de a estrela ainda estar girando e, como a área da matéria em queda é de apenas 100 metros, esse ponto desaparece periodicamente de vista.
Eles foram previstos no início dos anos 30. século 20 físico soviético L. D. Landau, os astrônomos W. Baade e F. Zwicky. Em 1967, foram descobertos pulsares, que em 1977 foram finalmente identificados com estrelas de nêutrons.
As estrelas de nêutrons são formadas como resultado de uma explosão de supernova no último estágio da evolução de uma estrela de grande massa.
Se a massa do remanescente de supernova (ou seja, o que resta após a ejeção da casca) for maior que 1,4 M☉ mas inferior a 2,5 M☉ , então sua compressão continua após a explosão até que a densidade atinja valores nucleares. Isso levará ao fato de que os elétrons serão "pressionados" nos núcleos, e uma substância consistindo apenas de nêutrons será formada. Nasce uma estrela de nêutrons.
Os raios das estrelas de nêutrons, como os raios das anãs brancas, diminuem com o aumento da massa. Então, uma estrela de nêutrons com uma massa de 1,4 M ☉ (peso mínimo estrela de nêutrons) tem um raio de 100-200 km e uma massa de 2,5 M☉ (peso máximo) - apenas 10-12 km. materiais do site
Uma seção esquemática de uma estrela de nêutrons é mostrada na Figura 86. As camadas externas da estrela (Figura 86, III) consistem em ferro, que forma uma crosta sólida. A uma profundidade de cerca de 1 km, começa uma crosta sólida de ferro com uma mistura de nêutrons (Fig. 86), que passa para um núcleo superfluido e supercondutor líquido (Fig. 86, I). Em massas próximas ao limite (2,5–2,7 M☉), nas regiões centrais de uma estrela de nêutrons, mais pesadas partículas elementares(hiperons).
Densidade de uma estrela de nêutrons
A densidade da matéria em uma estrela de nêutrons é comparável à densidade da matéria em núcleo atômico: atinge 10 15 -10 18 kg / m 3. Nessas densidades existência independente elétrons e prótons é impossível, e a matéria da estrela consiste praticamente apenas de nêutrons.
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Desde a descoberta das estrelas de nêutrons na década de 1960, os cientistas têm procurado responder questão importante: quão massivas podem ser as estrelas de nêutrons? Ao contrário dos buracos negros, essas estrelas não podem ter uma massa arbitrária. E astrofísicos da Universidade. Goethe foi capaz de calcular um limite superior para a massa máxima das estrelas de nêutrons.
Com um raio de cerca de 12 quilômetros e uma massa que pode ser o dobro de , as estrelas de nêutrons estão entre os objetos mais densos do universo, criando campos gravitacionais, comparável em potência aos campos gerados por . A maioria das estrelas de nêutrons tem uma massa de cerca de 1,4 vezes a do Sol, mas também são conhecidos exemplos, como o pulsar PSR J0348+0432, que possui 2,01 massas solares.
A densidade dessas estrelas é enorme, é quase a mesma que se o Himalaia fosse comprimido ao tamanho de uma caneca de cerveja. No entanto, há razões para acreditar que a estrela de nêutrons com a massa máxima encolherá em um buraco negro se apenas um nêutron for adicionado.
Junto com seus alunos Elias Most e Lukas Weich, o Prof. Luciano Rezzolla, físico, investigador O Instituto de Estudos Avançados de Frankfurt (FIAS) e professor de astrofísica teórica da Universidade Goethe de Frankfurt, resolveram agora um problema que permaneceu sem resposta por 40 anos. Sua conclusão é a seguinte: com uma probabilidade de até vários por cento, a massa máxima de não-rotação não pode exceder 2,16 massas solares.
A base para este resultado foi a abordagem de "relações universais" desenvolvida em Frankfurt há alguns anos. A existência de "razões universais" implica que praticamente todas as estrelas de nêutrons são "semelhantes entre si", o que significa que suas propriedades podem ser expressas em termos de quantidades adimensionais. Os pesquisadores combinaram essas "relações universais" com dados sobre ondas gravitacionais e radiação eletromagnética obtido durante a observação do ano passado de duas estrelas de nêutrons como parte do experimento. Isso simplifica muito os cálculos, pois os torna independentes da equação de estado. Esta equação é Modelo teórico, usado para descrever a matéria densa dentro de uma estrela, que fornece informações sobre sua composição em diferentes profundidades. Portanto, essa conexão universal desempenhada Papel essencial na determinação da nova massa máxima.
O resultado obtido é bom exemplo interação entre teoria e Estudos experimentais. "Charme pesquisa teóricaé que nos permite fazer previsões. A teoria, no entanto, precisa desesperadamente de experimentos para diminuir algumas de suas incertezas”, diz o Prof. Rezzolla. “É, portanto, bastante notável que a observação de uma única colisão de estrelas de nêutrons que ocorreu a milhões de anos-luz de distância, combinada com as relações universais descobertas em nosso trabalho teórico permitiu-nos resolver um mistério sobre o qual houve tanta especulação no passado."
Os resultados foram publicados como uma carta para revista astrofísica (Jornal Astrofísico). Apenas alguns dias depois grupos de pesquisa dos EUA e do Japão confirmaram suas descobertas, apesar de terem adotado abordagens diferentes e independentes até agora.
Korma-A remanescente de supernova, no centro da qual é uma estrela de nêutrons
Estrelas de nêutrons são remanescentes estrelas massivas que chegaram ao fim de seus caminho evolutivo no tempo e no espaço.
Esses objetos interessantes, nascem de gigantes outrora massivos de quatro a oito vezes o tamanho do nosso Sol. Isso acontece em uma explosão de supernova.
Após essa explosão, as camadas externas são ejetadas para o espaço, o núcleo permanece, mas não é mais capaz de suportar fusão nuclear. Sem pressão externa das camadas sobrejacentes, ele colapsa e encolhe catastroficamente.
Apesar de seu pequeno diâmetro - cerca de 20 km, as estrelas de nêutrons possuem 1,5 vezes a massa do nosso Sol. Assim, eles são incrivelmente densos.
Uma pequena colherada de matéria estelar na Terra pesaria cerca de cem milhões de toneladas. Nele, prótons e elétrons são combinados em nêutrons - esse processo é chamado de neutronização.
Composto
Sua composição é desconhecida; supõe-se que eles podem consistir em um líquido de nêutrons superfluido. Eles têm extremamente forte atração gravitacional muito mais do que a Terra e até mesmo o Sol. Essa força gravitacional é especialmente impressionante porque tem um tamanho pequeno.
Todos eles giram em torno de um eixo. Durante a compressão, o momento angular de rotação é preservado e, devido à diminuição do tamanho, a velocidade de rotação aumenta.
por causa de grande velocidade rotação, a superfície externa, que é uma “crosta” sólida, ocorrem periodicamente rachaduras e “estrelações”, que diminuem a velocidade de rotação e despejam “excesso” de energia no espaço.
A pressão avassaladora que existe no núcleo pode ser semelhante à que existia no momento Big Bang, mas infelizmente não pode ser simulado na Terra. Portanto, esses objetos são laboratórios naturais ideais onde podemos observar energias inacessíveis na Terra.
pulsares de rádio
Os pulsares de rádio foram descobertos no final de 1967 pela estudante de pós-graduação Jocelyn Bell Burnell como fontes de rádio que pulsam em uma frequência constante.
A radiação emitida pela estrela é visível como uma fonte de radiação pulsante ou pulsar.
Representação esquemática da rotação de uma estrela de nêutrons
Pulsares de rádio (ou simplesmente um pulsar) são estrelas de nêutrons giratórias cujos jatos de partículas se movem quase à velocidade da luz, como um feixe de luz giratório.
Após uma rotação contínua, por vários milhões de anos, os pulsares perdem sua energia e se tornam normais. estrelas de nêutrons. Apenas cerca de 1.000 pulsares são conhecidos hoje, embora possa haver centenas deles na galáxia.
pulsar de rádio em nebulosa de caranguejo
Algumas estrelas de nêutrons emitem raios X. A famosa Nebulosa do Caranguejo é um bom exemplo desse objeto, formado durante uma explosão de supernova. Esta explosão de supernova foi observada em 1054 AD.
Vento pulsar, vídeo do Chandra
Um pulsar de rádio na Nebulosa do Caranguejo fotografado com telescópio espacial Filtro Hubble através de 547nm ( luz verde) de 7 de agosto de 2000 a 17 de abril de 2001.
magnetares
As estrelas de nêutrons têm um campo magnético milhões de vezes mais forte que o campo magnético mais forte produzido na Terra. Eles também são conhecidos como magnetares.
Planetas perto de estrelas de nêutrons
Até agora, quatro são conhecidos por terem planetas. Quando está em um sistema binário, é possível medir sua massa. Destes sistemas binários na faixa de rádio ou raios-X, as massas medidas de estrelas de nêutrons eram cerca de 1,4 vezes mais massa Sol.
Sistemas duplos
Um tipo completamente diferente de pulsar é visto em alguns binários de raios-X. Nesses casos, uma estrela de nêutrons e uma comum formam um sistema binário. Um forte campo gravitacional puxa o material de estrela comum. O material que cai sobre ele durante o processo de acreção aquece tanto que produz raios-X. Raios-X pulsados são visíveis quando pontos quentes em um pulsar giratório passam pela linha de visão da Terra.
Por sistemas binários contendo um objeto desconhecido, essa informação ajuda a distinguir se é uma estrela de nêutrons ou, por exemplo, um buraco negro, porque os buracos negros são muito mais massivos.
