Сегодня - 13.12.2019

Нейтронная звезда - физическая лаборатория в космосе

02 октября 2012

Сергей ПоповВедущий сотрудник Государственного астрономического института (ГАИШ) им. Штернберга МГУ доктор физико-математических наук Сергей Борисович Попов на лекции в научном кафе «Эврика!» рассказал о нейтронных звездах – небесных телах, которые рождаются при взрыве сверхновых звезд. Их радиус всего 10 километров, а масса равна солнечной или в два раза больше.

- На первый план тема лекции звучит скучно, - сказал Сергей Попов, - как мне объясняли организаторы в Москве, она должна привлекать внимание, и лучше, чтобы в ней были упомянуты черные дыры и пришельцы.  Но сейчас я постараюсь вам объяснить, почему нейтронные звезды изучать интересней, чем черные дыры.
 
В некотором смысле нейтронные звезды – это место, где господь вовремя остановился. Они представляют собой самый компактный объект во Вселенной, у которого есть поверхность. Их радиус всего раза в 3-4 больше, чем у черных дыр соответствующих масс. В центре находится сверхплотное вещество (сверхплотное – значит, его масса больше массы атомного ядра). Сам процесс рождения нейтронных звезд достаточно интересен: они появляются в результате вспышки сверхновых. Звезды – объекты с термоядерными реакциями:  легкие элементы превращаются в тяжелые, водород в гелий, гелий в углерод и так далее, но наступает момент, когда объект теряет устойчивость и схлопывается, но внезапно этот процесс может остановиться, и будет тот самый взрыв сверхновой. В противном случае получится черная дыра.

- Нейтронные звезды были открыты как радиопульсары, неофициально это открытие удостоено Нобелевской премии, но там произошла драматическая история, - говорит лектор. -   После Второй мировой войны был построен первый радиотелескоп, с помощью которого можно изучать мерцание далеких источников, а через него – свойства плазмы: радиосигнал проходит сквозь плазму, она на него влияет, и по выходящему сигналу можно понять, что там в середине. В это время Джоселин Белл, аспирантка Энтони Хьюиша, изучая эти мерцающие источники, заметила, что есть строго периодичный объект, и  период мерцания у него очень маленький  – доли секунды.  Достаточно интересный момент:  ученые наложили на эти исследования внутреннее вето, потому что сигнал выглядел искусственно. Но потом окрыли еще несколько таких объектов и решили, что столько «зеленых человечков» быть не может, - отмечает Сергей Попов и продолжает: Нейтронные звезды были предсказаны раньше, но никто не говорил про радиоизлучение. Наконец, показали, что радиопульсары – это нейтронные звезды, а не белые карлики. За все это Энтони Хьюиш получил Нобелевскую премию по физике. Считается, что это – самый большой прокол нобелевского комитета, потому что выпал сам человек, который сделал открытие.

Нейтронная звездаИнформации о нейтронных звездах пока мало. Например, толщина атмосферы нейтронной звезды – несколько миллиметров, затем несколько сот метров - твердая кристаллическая кора, потом внешнее ядро – протоны, нейтроны, но что в нём, мы пока не знаем.

Еще у нее два радиуса: от центра наружу и по экватору. То есть радиус на поверхности нейтронной звезды - один, а тот, который мы видим издалека, другой.

- Нейтронная звезда такая компактная и массивная, что если бы моя голова была нейтронной звездой, то вы видели бы и затылок, - отмечает С. Попов. - Последние лет 10-15 стало ясно, что «зоопарк» нейтронных звезд гораздо более разнообразен, чем мы думали раньше. Какие-то вспыхивают в гамма-диапазоне и святят сильнее, чем вся галактика, но всего доли секунды, другие - стабильно излучают в радио-диапозаное, некоторые - пульсируют в нем же, есть те, которые создают ренгтен-волны.

Мы  видим что-то, потому что оно выделяет энергию, источник этой энергии и причины ее появления могут быть разными. Например, радиопульсары быстро вращаются, и за счет этого выделяется энергия. Может быть выделение гравитационной энергии: вещество падает на нейтронную звезду, и она светится.


Классификация нейтронных звезд

Эжектор, он же радиопульсар
Для него характерны сильные магнитные поля и малый период вращения, за счет чего звезда выталкивает релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне.

Пропеллер
Скорость вращения уже недостаточна для выталкивания частиц, но все еще велика, и окружающая звезду материя не может на нее «упасть».

Аккретор, он же рентгеновский пульсар
Скорость вращения снижается до такой степени, что веществу теперь ничего не мешает падать на такую нейтронную звезду. Плазма, падая, движется по линиям магнитного поля и ударяется о твёрдую поверхность в районе полюсов нейтронной звезды, разогреваясь до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, светится в рентгеновском диапазоне.

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

Источник: Wikipedia


Магниты во Вселенной

Магнитар  - это тоже нейтронная звезда, которая отличается сильным магнитным полем, как это следует из названия, его величина достигает 10 в 14 – 10 в 15 гаусс, (для сравнения, на Земле меньше 1 гаусса).

- Представьте себе отрезанную голову с волосами, - добавляет образности лектор, - если мы усушим голову, но сохраним плотность волос, то получим примерно ту картину, которая и происходит с плотностью магнитного поля этой нейтронной звезды – она сжимается, а поле растет. Вернее, есть такая теория, что это происходит. Есть и вторая, которая говорит, что поля можно усиливать с помощью эффекта альфа-динамо.
Понятно, что магнитное поле существует, если в коре магнитара текут токи, они постоянно греют кору, но иногда происходят замыкания и выделяется очень много энергии. Например, мощная вспышка была в конце 2004 года, в результате нее выделилось столько энергии, сколько солнце излучает за 10 млн. лет.

Магнитары - редкие объекты, они рождаются в Галактике раз в 1000 лет, живут всего несколько тысяч лет. Рядом с Землей их нет, но если посчитать вероятность, то раз в 10-100 миллионов лет может происходить вспышка рядом. Примерно с таким же периодом гибнут динозавры, земля пересекает спиральные рукава галактики и так далее.  Гигантская вспышка может быть опасна для Земли с расстояния 3 световых года, или примерно 1 парсек.  Вспышка 2004 года опасна с расстояния в 2 раза больше.

Недавно впервые обнаружили спокойный магнитар, то есть открыли радиопульсар, который спокойно и регулярно ведет себя как нейтронная звезда, но при этом у него колоссальное магнитное поле и некоторые другие признаки, присущие магнитарам, но он им не является.


Цифры Вселенной

31,5 миллионов секунд -  в обычном  году
1, 1 на 10 в 18 степени сантиметров - в световом году
4000 звезд – находится в нашей галактике
6000 – градусов Цельсия составляет температура Солнца
10 км – размер ядра нейтронной звезды
13,7 млрд лет - возраст Вселенной.


Что же можно изучать в нейтронной звезде?

Почему нейтронные звезды так важны? Это – уникальная лаборатория для изучения физики с очень необычными условиями. По словам С. Попова, уже две Нобелевские премии присуждены за них: первая - за открытие звезд, вторая за обнаружение двойного радиопульсара, что позволило очень точно измерить эффекты общей теории относительности, были косвенного открыты гравитационные волны. Лектор считает, что третья премия, скорее всего, будет за прямую фиксацию гравитационных волн.

- Ядерную физику можно изучать на ускорителях и спутниках, и эти измерения друг друга дополнят, - говорит Сергей Попов. - Для развития прикладной ядерной физики нужно запускать спутники.  Например, в нейтронных звездах не симметричное вещество (нейтронов больше), его нельзя изучать на ускорителях.  Нельзя создать подобные условия на Земле.
Массу нейтронных звезд можно измерять фантастически точно с помощью двойных нейтронных звезд. Существует такой объект - двойной радиопульсар – две нейтронные звезды в паре и обе наблюдались как радиопульсары. Для этой системы массу измерить можно вплоть до 3 знака после запятой.

- И это - скучно, - говорит С. Попов.  Потому что интересно узнать предел массы, после которого вещество коллапсирует в черную дыру. Он таким способом не определяется, поэтому важно искать  массивные нейтронные звезды: чем больше масса, тем сильнее сжато вещество. Вопрос в том, как долго вещество может терпеть такое издевательство над собой. Пока рекорд – звезда PSR J 1614-2230.

Можно измерить еще один интересный момент, по словам лектора.
-  Представим, что мы бросили бутылку колы, весом 2 кг в нейтронную звезду, а сами крутимся вокруг нее на космическом корабле и измеряем. Увеличится или уменьшится масса нейтронной звезды?  Она увеличится, но меньше, чем на два килограмма. Вообще у звезды две разные массы – гравитационная и барионная = количество протонов и нейтронов умножить на их массу. Если знать обе, то можно понять ядерную физику.

На ближайшее время существует две задачи: изучение странного вещества и гравитационных волн.

Прелесть странного вещества в том,  что оно удерживается за счет сильного взаимодействия и его можно брать в каких угодно количествах в отличие от вещества нейтронной звезды. Несмотря на то, что в популярных книжках пишут, что спичечный коробок такого вещества будет весить больше, чем пирамиды Хеопса, его нельзя взять в таком объеме! Вещество нейтронной звезды удерживается за счет сильной гравитации, если ее убрать, оно разлетится. А странное вещество можно брать какими угодно кусками. И идея в том, чтобы искать маленькие комочки, капельки странного вещества, которые, кстати, имеют собственное название «страпельки». Они разлетятся, если нейтронную звезду разрушить. Это можно сделать только другим таким же объектом.   Звезды, особенно массивные, часто рождаются парами, они потихоньку испускают гравитационные волны и  сближаются. В итоге они сольются, но часть вещества разбросает вокруг.

Отвечая на вопрос одной из слушательниц, которая представилась бухгалтером и поинтересовалась, какая польза от изучения звезд, С. Попов сказал, что польза фундаментальной науки проявляется не сразу.
-  Нельзя сказать, что исследование нейтронных звезд можно сразу «применить в народном хозяйстве», но попутно решается очень много прикладных задач. Например, вы знаете, что Wi-fi был изобретен астрофизиками?

Подготовила Юлия Позднякова

Фото: анонс - shkola2.taba.ru, 1,3,4 - Юлия Позднякова, 2 - Nature

Ваша оценка: Нет Средняя: 4 (3 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus