З моменту зародження Всесвіту пройшло вже більше десятка мільярда років, протягом яких відбувається зоряна еволюція, здійснюється зміна складу космічного простору. Одні космічні об'єкти зникають, а на їх місці з'являються інші. Цей процес відбувається постійно, однак через величезні часових проміжків, ми можемо спостерігати тільки один єдиний кадр колосальної і захоплюючій мультисессии.
Ми бачимо Всесвіт у всій красі, спостерігаючи життя зірок, етапи еволюції і момент передсмертної агонії. Смерть зірки - це завжди грандіозне і яскрава подія. Чим більші і масивніші зірка, тим масштабніше катаклізм.
Нейтронна зірка є яскравим прикладом такої еволюції, живим пам'ятником колишнього зоряного могутності. В цьому і полягає весь парадокс. На місці масивної зірки, розміри і маса якої в десятки і сотні разів перевищують аналогічні параметри нашого Сонця, виникає крихітне небесне тіло діаметром в пару десятків кілометрів. Таке перетворення не відбувається в один момент. Освіта нейтронних зірок - результат довгого еволюційного шляху розвитку космічного монстра, розтягнутого в просторі і в часі.
Фізика нейтронних зірок
Подібні об'єкти нечисленні у Всесвіті, як може здатися на перший погляд. Як правило, нейтронна зірка може бути одна на тисячу зірок. Секрет такого невеликого числа полягає в унікальності еволюційних процесів, які передують народженню нейтронних зірок. Всі зірки по-різному проживають своє життя. По-різному виглядає і фінал зоряної драми. Масштаби дійства визначаються масою зірки. Чим більше маса космічного тіла, чим масивніше зірка, тим вище ймовірність того що її смерть буде швидкою і яскравою.
Постійно збільшилися сили гравітації призводять до трансформації зоряної речовини в теплову енергію. Цей процес мимоволі супроводжується колосальним викидом - вибухом наднових. Результатом такого катаклізму стає новий космічний об'єкт - нейтронна зірка.
Простіше кажучи, зоряна матерія перестає бути паливом, термоядерні реакції втрачають свою інтенсивність і не в змозі підтримувати в надрах масивного тіла необхідні температури. Виходом із ситуації стану стає колапс - обвалення зоряного газу на центральну частину зірки.
Все це призводить до миттєвого вивільнення енергії, розкидає зовнішні шари зоряної матерії в різні боки. На місці зірки виникає розширюється туманність. Така трансформація може статися з будь-зіркою, однак при цьому результати колапсу можуть бути різними.
Якщо маса космічного об'єкта невелика, наприклад, ми маємо справу з жовтим карликом на кшталт Сонця, на місці спалаху залишається білий карлик. У тому випадку, якщо маса космічного монстра перевищує сонячну масу в десятки разів, в результаті обвалення ми спостерігаємо спалах наднових. На місці колишнього зоряного величі утворюється нейтронна зірка. Надмасивні зірки, маса яких в сотні разів більша за масу Сонця, завершують свій життєвий цикл, нейтронна зірка є проміжним етапом. Триваюче гравітаційне стиснення призводить до того, що життя нейтронної зірки завершується появою чорної діри.
В результаті колапсу від зірки залишається тільки ядро, яке триває стискатися. У зв'язку з цим, характерною особливістю нейтронних зірок є висока щільність і величезна маса при мізерних розмірах. Так маса нейтронної зірки діаметром 20 км. в 1,5-3 рази більша за масу нашої зірки. Відбувається ущільнення або нейтронізаціі електронів і протонів в нейтрони. Відповідно, при зменшенні обсягу і розмірів, стрімко збільшується щільність і маса зоряної речовини.
Склад нейтронних зірок
Точна інформація про склад нейтронних зірок відсутній. На сьогоднішній день вчені-астрофізики при вивченні подібних об'єктів користуються робочою моделлю, запропонованою фізиками - ядерниками.
Імовірно, зоряне речовина в результаті колапсу трансформується в нейтронну, надплинну рідина. Цьому сприяє величезна гравітаційне тяжіння, що надає постійний тиск на речовину. Така "ядерна рідка субстанція" називається вироджений газ і в 1000 разів щільніше води. Атоми виродженого газу складаються з ядра і електронів, що обертаються навколо нього. При нейтронізаціі внутрішній простір атомів під впливом сил гравітації зникає. Електрони зливаються з ядром, утворюючи нейтрони. Стійкість надщільного субстанції надає внутрішня гравітація. В іншому випадку неминуче почалася б ланцюгова реакція, що супроводжується ядерним вибухом.
Чим ближче до зовнішнього краю зірки, тим менше температура і тиск. В результаті складних процесів відбувається "охолодження" нейтронної субстанції, з якої інтенсивно виділяються ядра заліза. Колапс і подальший вибух є фабрикою планетарного заліза, яке поширюється в космічному просторі, стаючи будівельним матеріалом при формуванні планет.
Саме спалахів наднових Земля зобов'язана тим, що в її будову і структуру присутні частинки космічного заліза.
Умовно розглядаючи будову нейтронної зірки в мікроскоп, можна виділити в будові об'єкта п'ять шарів:
- атмосфера об'єкта;
- зовнішня кора;
- внутрішні шари;
- зовнішнє ядро;
- внутрішнє ядро нейтронної зірки.
Атмосфера нейтронної зірки має товщину всього кілька сантиметрів і є найтоншим шаром. За своїм складом - це шар плазми, що відповідає за теплове опромінення зірки. Далі йде зовнішня кора, яка має товщину в кілька сот метрів. Між зовнішньою корою і внутрішніми шарами - царство виродженого електронного газу. Чим глибше до центру зірки, тим швидше цей газ стає релятивістським. Іншими словами, всередині зірки відбуваються процеси пов'язані зі зменшенням частки атомних ядер. При цьому кількість вільних нейтронів збільшується. Внутрішні області нейтронної зірки представляють собою зовнішнє ядро, де нейтрони продовжують сусідити з електронами і протонами. Товщина цього шару субстанції становить кілька кілометрів, при цьому щільність матерії в десятки разів вище, ніж щільність атомного ядра.
Весь цей атомарний супчик існує завдяки колосальним температур. У момент спалаху наднових, температура нейтронної зірки становить 1011К. У цей період новий небесний об'єкт має максимальну світність. Відразу після вибуху настає етап стрімкого охолодження, температура за кілька хвилин падає до позначки 109К. Згодом процес охолодження сповільнюється. Незважаючи на те, що температура зірки все ще велика, світність об'єкта знижується. Зірка продовжує світитися тільки за рахунок теплового та інфрачервоного випромінювання.
Класифікація нейтронних зірок
Такий специфічний склад зоряно-ядерної субстанції обумовлює високу ядерну щільність нейтронної зірки 1014-1015 г / см³, при цьому середній розмір утворився об'єкта становить не менше 10 і не більше 20 км. Подальше збільшення щільності стабілізується силами взаємодії нейтронів. Іншими словами, вироджений зоряний газ знаходиться в стані рівноваги, утримуючи зірку від чергового колапсу.
Досить складна природа таких космічних об'єктів, якими є нейтронні зірки, стала причиною подальшої класифікації, яка пояснює їх поведінку і існування на просторах Всесвіту. Основними параметрами, на підставі яких здійснюється класифікація, є період обертання зірки і масштаби магнітного поля. У процесі свого існування нейтронна зірка втрачає енергію обертання, зменшується і магнітне поле об'єкта. Відповідно, небесне тіло переходить з одного стану в інший, серед яких найбільш характерними виділяються наступні типи:
- Радіопульсари (ежектори) є об'єктами, які мають малий період обертання, проте сила магнітного поля у них залишається досить великий. Заряджені частинки, здійснюючи рух уздовж силових полів, в місцях обриву залишають оболонку зірки. Небесне тіло даного типу ежектує, періодично наповнюючи Всесвіт радиоимпульсами, фіксуються в радіохвиль;
- Нейтронна зірка - пропелер. В даному випадку у об'єкта вкрай мала швидкість обертання, однак, магнітне поле не володіє достатньою силою, щоб притягувати з навколишнього простору елементи матерії. Зірка не випромінює імпульсів, не відбувається в даному випадку і аккреция (падіння космічної матерії);
- Рентгенівський пульсар (аккретора). Такі об'єкти мають малу швидкість обертання, але через сильний магнітного поля зірка інтенсивно поглинає матеріал з космічного простору. В результаті в місцях падіння зоряної матерії на поверхні нейтронної зірки накопичується плазма, розігріта до мільйонів градусів. Ці точки на поверхні небесного тіла стають джерелами пульсуючого теплового, рентгенівського випромінювання. З появою потужних радіотелескопів, здатних зазирнути в глибину космосу в інфрачервоному і рентгенівському діапазоні, стало можливим швидше виявляти досить багато звичайних рентгенівських пульсарів;
- Георотатор - об'єкт, який має малу швидкість обертання, при цьому на поверхні зірки в результаті акреції відбувається скупчення зоряної матерії. Сильне магнітне поле перешкоджає утворенню в поверхневому шарі плазми, і зірка поступово набирає свою масу.
Як видно з існуючою класифікацією, кожна з нейтронних зірок поводиться по-різному. Звідси випливають і різні способи їх виявлення, і можливо, різна буде доля цих небесних тіл в майбутньому.
Парадокси народження нейтронних зірок
Перша версія про те, що нейтронні зірки - продукти вибуху наднових, сьогодні не є постулатом. Існує теорія, що тут може бути використаний і інший механізм. У подвійних зоряних системах їжею для нових зірок стають білі карлики. Зоряне речовина поступово перетікає з одного космічного об'єкта на інший, збільшуючи його масу до стану критичної. Іншими словами, в майбутньому один з пари білий карлик - це нейтронна зірка.
Нерідко одиночна нейтронна зірка, перебуваючи в тісному оточенні зоряних скупчень, звертає свою увагу на найближчу сусідку. Компаньйонами нейтронних зірок можуть стати будь-які зірки. Ці пари виникають досить часто. Наслідки такої дружби залежать від маси компаньйона. Якщо маса нового компаньйона невелика, то вкрадене зоряне речовина буде накопичуватися навколо у вигляді аккреционного диска. Цей процес, що супроводжується великим періодом обертання, призведе до того, що зоряний газ розігріється до температури в мільйон градусів. Нейтронна зірка спалахне потоком рентгенівського випромінювання, стаючи рентгенівським Пульсаром. У цього процесу є два шляхи:
- зірка залишається в космосі тьмяним небесним тілом;
- тіло починає випромінювати короткі рентгенівські спалахи (барстери).
Під час рентгенівських спалахів яскравість зірки стрімко збільшується, роблячи такий об'єкт в 100 тисяч разів яскравіша за Сонце.
Історія вивчення нейтронних зірок
Нейтронний зірки стали відкриттям другої половини XX століття. Раніше виявити подібні об'єкти в нашій галактиці і у Всесвіті було технічно неможливо. Тьмяне світло і малі розміри таких небесних тіл не дозволяли їх виявити за допомогою оптичних телескопів. Незважаючи на відсутність візуального контакту, існування подібних об'єктів в космосі передбачали теоретично. Перша версія про існування зірок з величезною щільністю з'явилася з подачі радянського вченого Л. Ландау в 1932 році.
Через рік, в 1933 році вже за океаном було зроблено серйозну заяву про існування зірок з незвичайною будовою. Астрономи Фріц Цвіккі і Вальтер Бааде висунули обгрунтовану теорію, що на місці спалаху наднових обов'язково залишається нейтронна зірка.
У 60-і роки XX століття позначився прорив в астрономічних спостереженнях. Цьому сприяла поява рентгенівських телескопів, здатних виявляти в космосі джерела м'якого рентгенівського випромінювання. Використовуючи в спостереженнях теорію про існування в космосі джерел сильного теплового випромінювання, астрономи прийшли до висновку, що ми маємо справу з новим типом зірок. Вагомим доповненням теорії про існування нейтронних зірок стало відкриття в 1967 році пульсарів. Американець Джоселін Белл за допомогою своєї радіоапаратури виявив надходять з космосу радіосигнали. Джерелом радіохвиль був стрімко обертається об'єкт, який діяв подібно радіомаяку, посилаючи сигнали в усі сторони.
Такий об'єкт неодмінно має велику швидкість обертання, що для звичайної зірки стало б фатальним. Першим Пульсаром, який був відкритий астрономами, є PSR У 1919 + 21, що знаходиться на відстані 2283,12 св. року від нашої планети. На думку вчених, найближчої нейтронної зіркою до Землі є космічний об'єкт RX J1856.5-3754, розташований в сузір'ї Південна Корона, який був відкритий в 1992 році в обсерваторії Чандра. Відстань від Землі до найближчої нейтронної зірки становить 400 світлових років.
