Conceptul de stea neutronică
Conceptul de stele neutronice nu este nou: prima sugestie despre posibilitatea existenței lor a fost făcută de talentații astronomi Fritz Zwicky și Walter Baarde din California în 1934. (Puțin mai devreme, în 1932, posibilitatea existenței stelelor neutronice a fost prezisă de celebrul om de știință sovietic L. D. Landau.) La sfârșitul anilor 1930, a devenit subiectul cercetărilor altor oameni de știință americani Oppenheimer și Volkov. Interesul acestor fizicieni pentru această problemă a fost cauzat de dorința de a determina stadiul final al evoluției unei stele masive care se contractează. Deoarece rolul și semnificația supernovelor au fost dezvăluite cam în același timp, s-a sugerat că o stea neutronică ar putea fi rămășița unei explozii de supernovă. Din păcate, odată cu izbucnirea celui de-al Doilea Război Mondial, atenția oamenilor de știință s-a îndreptat către nevoile militare și studiu detaliat aceste noi şi cel mai înalt grad obiecte misterioase a fost suspendat. Apoi, în anii '50, studiul stelelor neutronice a fost reluat pur teoretic pentru a stabili dacă acestea sunt relevante pentru problema nașterii. elemente chimiceîn regiunile centrale stele.rămân singurul obiect astrofizic a cărui existență și proprietăți au fost prezise cu mult înainte de descoperirea lor.
La începutul anilor 1960, deschiderea sursele spațiale Emisia de raze X a fost foarte încurajatoare pentru cei care au considerat stelele cu neutroni drept posibile surse de emisie de raze X cerești. Până la sfârșitul anului 1967 a fost descoperit noua clasa obiecte cerești - pulsari, care au condus oamenii de știință în confuzie. Această descoperire a fost cea mai mare eveniment importantîn studiul stelelor neutronice, deoarece a ridicat din nou problema originii razelor X cosmice. Vorbind despre stele neutronice, trebuie avut în vedere faptul că lor caracteristici fizice stabilit teoretic şi foarte ipotetic, întrucât conditii fizice care există în aceste corpuri nu pot fi reproduse în experimente de laborator.
Proprietățile stelelor neutronice
De o importanță decisivă asupra proprietăților stelelor neutronice sunt forte gravitationale. Potrivit diverselor estimări, diametrele stelelor neutronice sunt de 10-200 km. Și asta nesemnificativ concepte spațiale volumul este „umplut” cu o asemenea cantitate de substanță care poate fi corp ceresc, asemănătoare Soarelui, cu un diametru de aproximativ 1,5 milioane km, și în masă de aproape o treime de milion de ori mai grea decât Pământul! Consecința naturală a unei astfel de concentrații de materie este incredibilă densitate mare stea neutronică. De fapt, se dovedește a fi atât de dens încât poate fi chiar solid. Gravitația unei stele neutronice este atât de mare încât o persoană ar cântări aproximativ un milion de tone acolo. Calculele arată că stelele neutronice sunt foarte magnetizate. Potrivit estimărilor, câmpul magnetic al unei stele neutronice poate atinge 1 milion de km. milion de gauss, în timp ce pe Pământ este de 1 gauss. Raza stelei neutronice se iau aproximativ 15 km, iar masa este de aproximativ 0,6 - 0,7 mase solare. strat exterior este o magnetosferă formată din electroni rarefiați și plasmă nucleară, care este pătrunsă de un câmp magnetic puternic al unei stele. Aici se nasc semnalele radio, care sunt semn distinctiv pulsarii. Particule încărcate ultrarapide, care se deplasează în spirale de-a lungul magnetice linii de forță, da naștere alt fel radiatii. În unele cazuri, radiațiile apar în domeniul radio spectru electromagnetic, în altele - radiații la frecvențe înalte.Densitatea unei stele neutronice
Aproape imediat sub magnetosferă, densitatea materiei ajunge la 1 t/cm3, adică de 100.000 de ori. mai multa densitate glandă. Următorul strat exterior are caracteristicile unui metal. Acest strat de materie „superdură” este sub formă cristalină. Cristalele sunt formate din nuclee atomice masă atomică 26 - 39 și 58 - 133. Aceste cristale sunt extrem de mici: pentru a acoperi o distanță de 1 cm, trebuie să aliniați aproximativ 10 miliarde de cristale într-o linie. Densitatea în acest strat este de peste 1 milion de ori mai mare decât în stratul exterior sau, în caz contrar, de 400 de miliarde de ori mai mare decât densitatea fierului.Deplasându-ne mai departe spre centrul stelei, traversăm al treilea strat. Include zona nuclee grele precum cadmiul, dar și bogat în neutroni și electroni. Densitatea celui de-al treilea strat este de 1.000 de ori mai mare decât cea precedentă. Pătrunzând mai adânc într-o stea neutronică, ajungem la al patrulea strat, în timp ce densitatea crește ușor - de aproximativ cinci ori. Cu toate acestea, cu o asemenea densitate, nucleele nu își mai pot menține integritatea fizică: se dezintegrează în neutroni, protoni și electroni. Majoritatea materia este sub formă de neutroni. Există 8 neutroni pentru fiecare electron și proton. Acest strat, în esență, poate fi considerat ca un lichid neutronic „poluat” de electroni și protoni. Sub acest strat se află nucleul unei stele neutronice. Aici densitatea este de aproximativ 1,5 ori mai mare decât în stratul de deasupra. Și totuși, chiar și această mică creștere a densității face ca particulele din miez să se miște mult mai repede decât în orice alt strat. Energie kinetică mișcarea neutronilor amestecați cu o cantitate mică de protoni și electroni este atât de mare încât există în mod constant ciocniri inelastice particule. În procesele de coliziune, toate cunoscute în fizica nucleara particule și rezonanțe, dintre care există mai mult de o mie. După toate probabilitățile, există număr mare particule necunoscute încă de la noi.
Temperatura stelei neutronice
Temperaturile stelelor neutronice sunt relativ ridicate. Acest lucru este de așteptat, având în vedere modul în care apar. În primii 10 - 100 de mii de ani de existență a unei stele, temperatura nucleului scade la câteva sute de milioane de grade. Urmează apoi o nouă fază, când temperatura nucleului stelei scade încet din cauza emisiei de radiații electromagnetice.Produsul final al evoluției stelare se numește stele neutronice. Dimensiunea și greutatea lor sunt pur și simplu uimitoare! Având o dimensiune de până la 20 km în diametru, dar cântărind ca . Densitatea materiei dintr-o stea neutronică este de multe ori mai mare decât densitatea unui nucleu atomic. Stelele neutronice apar în timpul exploziilor supernovei.
Cele mai cunoscute stele neutronice au o masă de aproximativ 1,44 mase solare.și este egal cu limita de masă Chandrasekhar. Dar teoretic este posibil ca acestea să poată avea până la 2,5 mase. Cel mai greu descoperit până în prezent are o greutate de 1,88 masa solară, și se numește - Vele X-1, iar al doilea cu o masă de 1,97 Solar - PSR J1614-2230. Odată cu o creștere suplimentară a densității, steaua se transformă într-un cuarc.
Câmpul magnetic al stelelor neutronice este foarte puternic și atinge puterea 10 până la a 12-a a lui G, câmpul Pământului este de 1 Gs. Din 1990, unele stele neutronice au fost identificate ca magnetare - acestea sunt stele în care câmpurile magnetice depășesc cu mult puterea 10 până la a 14-a a lui gauss. La astfel de câmpuri magnetice critice, fizica se schimbă și ea, apar efecte relativiste (deviația luminii de către un câmp magnetic) și polarizarea vid fizic. Stelele neutronice au fost prezise și apoi descoperite.
Primele sugestii au fost făcute de Walter Baade și Fritz Zwicky în 1933., ei au presupus că stelele neutronice se nasc ca urmare a exploziei unei supernove. Conform calculelor, radiația acestor stele este foarte mică, pur și simplu este imposibil să o detectezi. Dar în 1967, studentul absolvent al Hewish Jocelyn Bell a descoperit , care emitea impulsuri radio regulate.
Astfel de impulsuri au fost obținute ca urmare a rapidității rotirea obiectelor, dar stelele obișnuite dintr-o rotație atât de puternică s-ar depărta pur și simplu și, prin urmare, au decis că sunt stele neutronice.
Pulsari în ordinea descrescătoare a vitezei de rotație:
Ejectorul este un radio pulsar. Viteză mică de rotație și câmp magnetic puternic. Un astfel de pulsar are un câmp magnetic și steaua se rotește împreună cu o viteză unghiulară egală. LA anumit moment viteza liniei câmpul atinge viteza luminii și începe să o depășească. În plus, câmpul dipol nu poate exista, iar liniile de intensitate a câmpului sunt rupte. Deplasându-se de-a lungul acestor linii, particulele încărcate ajung la o stâncă și se desprind, astfel încât părăsesc steaua neutronică și pot zbura la orice distanță până la infinit. Prin urmare, acești pulsari se numesc ejectoare (ceda, erup) - pulsari radio.
Elice, nu mai are o astfel de viteză de rotație ca un ejector pentru a accelera particulele la viteza post-lumină, deci nu poate fi un pulsar radio. Dar viteza sa de rotație este încă foarte mare, materia captată de câmpul magnetic nu poate cădea încă pe stea, adică nu are loc acreția. Astfel de stele sunt studiate foarte prost, deoarece este aproape imposibil să le observi.
Un acretor este un pulsar cu raze X. Steaua nu se mai învârte atât de repede și materia începe să cadă pe stea, căzând de-a lungul liniei camp magnetic. Căzând lângă pol pe o suprafață solidă, substanța este încălzită la zeci de milioane de grade, rezultând raze X. Pulsările apar ca urmare a faptului că steaua se rotește încă și, deoarece zona materiei care căde este de numai aproximativ 100 de metri, acest loc dispare periodic din vedere.
Au fost prezise la începutul anilor 30. Secolului 20 fizician sovietic L. D. Landau, astronomii W. Baade și F. Zwicky. În 1967, au fost descoperiți pulsari, care până în 1977 au fost în cele din urmă identificați cu stele neutronice.
Stelele neutronice se formează ca urmare a exploziei unei supernove în ultima etapă a evoluției unei stele de masă mare.
Dacă masa rămășiței supernovei (adică ceea ce rămâne după ejectarea carcasei) este mai mare de 1,4 M☉ dar mai mic de 2,5 M☉ , apoi comprimarea lui continuă după explozie până când densitatea atinge valori nucleare. Acest lucru va duce la faptul că electronii vor fi „presați” în nuclee și se formează o substanță constând numai din neutroni. S-a născut o stea neutronică.
Razele stelelor neutronice, ca și razele piticelor albe, scad odată cu creșterea masei. Deci, o stea neutronică cu o masă de 1,4 M ☉ (greutate minima stea neutronică) are o rază de 100-200 km și o masă de 2,5 M☉ (greutate maximă) - doar 10-12 km. material de pe site
O secțiune schematică a unei stele neutronice este prezentată în Figura 86. Straturile exterioare ale stelei (Figura 86, III) sunt formate din fier, care formează o crustă solidă. La o adâncime de aproximativ 1 km începe o crustă solidă de fier cu un amestec de neutroni (Fig. 86), care trece într-un superfluid lichid și miez supraconductor (Fig. 86, I). La mase apropiate de limită (2,5–2,7 M☉), în regiunile centrale ale unei stele neutronice, mai grele particule elementare(hiperonii).
Densitatea unei stele neutronice
Densitatea materiei într-o stea neutronică este comparabilă cu densitatea materiei în nucleul atomic: atinge 10 15 -10 18 kg / m 3. La aceste densităţi existență independentă electroni și protoni este imposibil, iar materia stelei constă practic numai din neutroni.
Poze (fotografii, desene)
Pe această pagină, material pe teme:
De la descoperirea stelelor neutronice în anii 1960, oamenii de știință au căutat să răspundă foarte mult întrebare importantă: cât de masive pot fi stelele cu neutroni? Spre deosebire de găurile negre, aceste stele nu pot avea o masă arbitrară. Și astrofizicieni de la Universitate. Goethe a reușit să calculeze o limită superioară a masei maxime a stelelor neutronice.
Cu o rază de aproximativ 12 kilometri și o masă care poate fi de două ori mai mare decât a lui , stelele neutronice sunt printre cele mai dense obiecte din univers, creând câmpuri gravitaționale, comparabil ca putere cu câmpurile generate de . Majoritatea stelelor cu neutroni au o masă de aproximativ 1,4 ori mai mare decât a Soarelui, cu toate acestea sunt cunoscute și exemple, cum ar fi pulsarul PSR J0348+0432, care are 2,01 mase solare.
Densitatea acestor stele este enormă, este cam la fel ca și cum Himalaya ar fi comprimat la dimensiunea unei căni de bere. Cu toate acestea, există motive să credem că steaua neutronică cu masa maximă se va micșora într-o gaură neagră dacă se adaugă chiar și un neutron.
Împreună cu elevii săi Elias Most și Lukas Weich, prof. Luciano Rezzolla, fizician, senior Cercetător Institutul de Studii Avansate din Frankfurt (FIAS) și profesor de astrofizică teoretică la Universitatea Goethe din Frankfurt, au rezolvat acum o problemă care a rămas fără răspuns timp de 40 de ani. Concluzia lor este următoarea: cu o probabilitate de până la câteva procente, masa maximă de nerotire nu poate depăși 2,16 mase solare.
La baza acestui rezultat a fost abordarea „relațiilor universale” dezvoltată la Frankfurt acum câțiva ani. Existența „raților universale” implică faptul că practic toate stelele neutronice sunt „asemănătoare între ele”, ceea ce înseamnă că proprietățile lor pot fi exprimate în termeni de cantități adimensionale. Cercetătorii au combinat aceste „relații universale” cu date despre valuri gravitationaleși radiatie electromagnetica obținut în timpul observării de anul trecut a două stele neutronice ca parte a experimentului. Acest lucru simplifică foarte mult calculele, deoarece le face independente de ecuația de stare. Această ecuație este model teoretic, folosit pentru a descrie materia densă din interiorul unei stele, care oferă informații despre compoziția acesteia la diferite adâncimi. Prin urmare, a jucat o astfel de conexiune universală rol esential la determinarea noii mase maxime.
Rezultatul obtinut este bun exemplu interacţiunea dintre teoretice şi studii experimentale. "Farmec cercetare teoretică este că ne permite să facem predicții. Teoria, totuși, are nevoie disperată de experimente pentru a reduce unele dintre incertitudinile sale”, spune profesorul Rezzolla. „Este, prin urmare, destul de remarcabil faptul că observarea unei singure stele neutrone care a avut loc la milioane de ani lumină distanță, combinată cu relațiile universale descoperite în munca teoretica ne-a permis să rezolvăm un mister despre care s-au speculat atât de multe în trecut”.
Rezultatele au fost publicate ca o scrisoare către jurnal astrofizic (Jurnal astrofizic). Doar câteva zile mai târziu grupuri de cercetare din SUA și Japonia și-au confirmat concluziile, în ciuda faptului că au adoptat abordări diferite și independente până acum.
Rămășița de supernovă Korma-A, în centrul căreia se află o stea neutronică
Stelele neutronice sunt rămășițe stele masive care au ajuns la capătul lor cale evolutivă in timp si spatiu.
Aceste obiecte interesante, sunt născuți din giganți odată masivi de patru până la opt ori mai mari decât Soarele nostru. Se întâmplă într-o explozie de supernovă.
După o astfel de explozie, straturile exterioare sunt aruncate în spațiu, miezul rămâne, dar nu mai poate susține fuziune nucleară. Fără presiune externă din straturile de deasupra, se prăbușește și se micșorează catastrofal.
În ciuda diametrului lor mic - aproximativ 20 km, stelele neutronice au masa de 1,5 ori mai mare decât Soarele nostru. Astfel, sunt incredibil de dense.
O lingură mică de materie stelară de pe Pământ ar cântări aproximativ o sută de milioane de tone. În ea, protonii și electronii sunt combinați în neutroni - acest proces se numește neutronizare.
Compus
Compoziția lor este necunoscută; se presupune că pot consta dintr-un lichid neutron superfluid. Au extrem de puternici atracție gravitațională mult mai mult decât Pământul și chiar Soarele. Această forță gravitațională este deosebit de impresionantă pentru că are o dimensiune mică.
Toate se rotesc în jurul unei axe. În timpul compresiei, momentul unghiular de rotație este păstrat, iar din cauza scăderii dimensiunii, viteza de rotație crește.
Din cauza viteza mare rotație, suprafața exterioară, care este o „crustă” solidă, au loc periodic fisuri și „cutremurele stelare”, care încetinesc viteza de rotație și aruncă „excesul” de energie în spațiu.
Presiunea copleșitoare care există în miez poate fi similară cu cea care a existat în acest moment Marea explozie, dar, din păcate, nu poate fi simulat pe Pământ. Prin urmare, aceste obiecte sunt laboratoare naturale ideale unde putem observa energii inaccesibile pe Pământ.
pulsari radio
Pulsarii radio au fost descoperiți la sfârșitul anului 1967 de studenta absolventă Jocelyn Bell Burnell ca surse radio care pulsează la o frecvență constantă.
Radiația emisă de stea este vizibilă ca o sursă de radiație pulsatoare sau pulsar.
Reprezentare schematică a rotației unei stele neutronice
Pulsarii radio (sau pur și simplu un pulsar) sunt stele de neutroni care se rotesc ale căror jeturi de particule se mișcă aproape cu viteza luminii, ca un fascicul far rotativ.
După o rotație continuă, timp de câteva milioane de ani, pulsarii își pierd energia și devin normali. stele neutronice. Doar aproximativ 1.000 de pulsari sunt cunoscuți astăzi, deși ar putea fi sute de ei în galaxie.
pulsar radio în nebuloasa crabului
Unele stele neutronice emit raze X. Celebra Nebuloasă a Crabului este un bun exemplu al unui astfel de obiect, format în timpul exploziei unei supernove. Această explozie de supernovă a fost observată în 1054 d.Hr.
Vânt pulsar, videoclip Chandra
Un pulsar radio din Nebuloasa Crabului fotografiat cu telescopul spațial Filtru Hubble prin 547nm ( lumina verde) din 7 august 2000 până în 17 aprilie 2001.
magnetare
Stelele cu neutroni au un câmp magnetic de milioane de ori mai puternic decât cel mai puternic câmp magnetic produs pe Pământ. Ele sunt cunoscute și sub numele de magnetare.
Planete în apropierea stelelor neutronice
Până acum, se știe că patru au planete. Când se află într-un sistem binar, este posibil să-i măsoare masa. Dintre aceste sisteme binare în domeniul radio sau cu raze X, masele măsurate ale stelelor neutronice au fost de aproximativ 1,4 ori. mai multa masa Soare.
Sisteme duble
Un tip complet diferit de pulsar este văzut în unele binare cu raze X. În aceste cazuri, o stea neutronică și una obișnuită formează un sistem binar. Un câmp gravitațional puternic trage material din stea obișnuită. Materialul care cade pe el în timpul procesului de acumulare se încălzește atât de mult încât produce raze X. Raze X pulsate sunt vizibile atunci când punctele fierbinți de pe un pulsar care se rotesc trec prin linia vizuală de pe Pământ.
Pentru sisteme binare Conținând un obiect necunoscut, această informație ajută la distingerea dacă este o stea neutronică sau, de exemplu, o gaură neagră, deoarece găurile negre sunt mult mai masive.
