Нейтронные звезды и пульсары
Нейтронная звезда может наблюдаться как изолированный объект в остатке сверхновой или как компонент двойной системы. У четырех нейтронных звезд обнаружены планеты. Когда нейтронная звезда является компаньоном в двойной системе, астрономы могут измерить ее массу. Для некоторого количества нейтронных звезд, наблюдавшихся с помощью радио и рентгеновских телескопов, массы были определены и соответствовали примерно 1.4 массы Солнца. Для двойных систем, содержащих неизвестный объект, эта информация позволяет определить, является ли объект нейтронной звездой или черной дырой, т.к черные дыры тяжелее, чем нейтронные звезды.
Говоря просто, пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды. Первый пульсар был открыт в 1967 году аспиранткой Джоселин Белл Барнелл, это был радиоисточник, который вспыхивал с постоянной частотой. В настоящее время самые яркие пульсары наблюдаются почти во всем диапазоне длин волн. Пульсары представляют собой вращающиеся нейтронные звезды. У нейтронных звезд есть джеты (узконаправленные потоки релятивистских частиц), выбрасываемые над их магнитными полюсами. Эти джеты являются мощными источниками излучения. Поскольку магнитная ось и ось вращения нейтронной звезды смещены относительно друг друга, наблюдатель видит вспышки света (импульсы) через равные промежутки времени. Нейтронная звезда, от которой мы видим импульсы, называется «пульсаром».
Рентгеновские наблюдения пульсаров.
Схема пульсара. Ссылка: Mark A. Garlick space-art.co.uk
Некоторые пульсары излучают в рентгене. Ниже мы увидим Крабовидную Туманность, которая является неоспоримым примером нейтронной звезды, сформировавшейся в результате взрыва сверхновой. Эта сверхновая наблюдалась в 1054 г. н.э. Изображения ниже получены рентгеновской обсерваторией Эйнштейн. На них показано диффузное излучение Крабовидной Туманности, окружающей яркий пульсар в состоянии «вкл.» и «выкл.», т.е. когда магнитный полюс находится «в» и «вне» луче зрения наблюдателя.
Крабовидная Туманность, окружающая яркий пульсар в состоянии «выкл.» и «вкл.» Ссылка:
Сильно отличающиеся типы пульсаров можно наблюдать с помощью рентгеновских телескопов в некоторых рентгеновских двойных системах. В этих случаях двойная система состоит из нейтронной звезды и нормальной звезды. Сильное магнитное поле нейтронной звезды притягивает вещество нормальной звезды. Вещество стекает на нейтронную звезду вдоль ее магнитных полюсов. В этом процессе, называемом аккрецией, вещество разогревается настолько, что излучает в рентгеновском диапазоне. Вспышки рентгеновского излучения видны, когда горячие пятна на вращающейся нейтронной звезде попадают на луч зрения наблюдателя.
Исследователи обнаружили нейтронную звезду с очень странным магнитным полем
Астрофизики открывают уникальную нейтронную звезду, магнитное поле которой проявляется только при взгляде под определенным углом. Она принадлежит к переходному рентгеновскому пульсару GRO J2058+42.
Нейтронная звезда образуется, когда гигантская звезда умирает в сверхновой и ее ядро разрушается, при этом электроны и протоны, по существу, плавятся друг в друга, образуя нейтроны.
Нейтронные звезды представляют собой сверхплотные объекты с радиусом около 10 километров и массой около 1,4 солнечных масс. Напряженность магнитного поля на поверхности нейтронных звезд колеблется от 10 4 до 10 11 Тесла, в миллионы раз выше, чем достигается в самых мощных лабораториях.
Обычно магнитное поле на нейтронных звездах имеет дипольную конфигурацию, то есть они имеют два магнитных полюса, как и Земля. До сих пор все нейтронные звезды можно было разделить на две группы:
Недавно астрофизики из Московского физико-технического института и Пулковской обсерватории обнаружили уникальную нейтронную звезду, магнитное поле которой проявляется только при взгляде под определенным углом (относительно наблюдателя).
Как они это обнаружили?
Комптонская гамма-лучевая обсерватория (CGRO) обнаружила переходный рентгеновский пульсар под названием GRO J2058+42 в 1995 году. Нейтронная звезда, анализируемая в этом исследовании, является частью этой системы. Хотя его уже исследовали с помощью различных приборов, ничто не выделяет его среди других нейтронных звезд.
Однако недавние наблюдения, сделанные из массива ядерных спектроскопических телескопов (космическая обсерватория NuSTAR), показали некоторую интересную информацию. Рентгеновский телескоп работает в чрезвычайно широком диапазоне (от 3 до 79 кэВ), что позволило астрофизикам обнаружить необычную особенность в излучении пульсара.
Для определения магнитного поля нейтронной звезды в энергетическом спектре источника регистрируется циклотронная линия поглощения (частота заряженной частицы, движущейся магнитным полем).
В этом случае линия циклотронного поглощения проявляется, когда нейтронная звезда рассматривается под определенным углом. Это делает ее первым объектом своего семейства.
Углубленное «томографическое» исследование системы GROJ2058+42 сделало это открытие возможным. Исследователи измерили рентгеновский спектр нейтронной звезды с десяти различных углов.
Магнитное поле нейтронной звезды в ее начальной фазе и после ее перехода в неустойчивую фазу
Они обнаружили существенное снижение интенсивности излучения (около 10 кэВ) только в одном из этих десяти углов. Интенсивность излучения соответствует напряженности магнитного поля 10 8 на поверхности нейтронной звезды.
Исследователи также отмечают, что излучение GRO J2058+42 может быть обнаружено только во время ярких вспышек, что означает, что система состоит из Be-звезд (гетерогенный набор звезд с B спектральными типами и эмиссионными линиями).
Всплески в таких бинарных системах происходят не очень часто и их трудно предсказать. Исследователи считают, что им повезло поймать выброс GRO J2058+42 с самого начала.
Полученные данные доказывают, что магнитное поле нейтронных звезд намного сложнее, чем предполагалось ранее. Такая сложная структура магнитного поля может долго сохранять свою форму и определять поведение нейтронной звезды. В целом, теперь у ученых появится новый инструмент и данные для исследования параметров нейтронных звезд.
Нейтронная звезда
Или их еще называют пульсарами, магнетарами, радиопульсарами, рентгеновскими пульсарами
Нейтронная звезда — очень быстро вращающееся тело, оставшееся после взрыва сверхновой звезды. При диаметре 20 километров это тело имеет массу сравнимую с солнечной, один грамм нейтронной звезды весил бы в земных условиях более 500 миллионов тонн! Такая огромная плотность возникает от вдавливания электронов в ядра, от чего они объединяются с протонами и образуют нейтроны. По сути, нейтронные звезды по свойствам, включая плотность и состав, очень похожи на атомные ядра. Но есть существенная разница: в ядрах нуклоны притягивает сильное взаимодействие, а в звездах – сила гравитации.
Что из себя представляет
Состав нейтронных звёзд
Состав этих объектов (по понятным причинам) изучен пока только в теории и математических расчетах. Однако, известно уже многое. Как и следует из названия, состоят они преимущественно из плотно упакованных нейтронов.
Атмосфера нейтронной звезды имеет толщину всего несколько сантиметров, но в ней сосредоточено все её тепловое излучение. За атмосферой находится кора, состоящая из плотно упакованных ионов и электронов. В середине находится ядро, состоящее из нейтронов. Ближе к центру достигается максимальная плотность вещества, которая в 15 раз больше ядерной. Нейтронные звезды — самые плотные объекты во вселенной. Если попытаться и далее увеличивать плотность вещества произойдет коллапс в черную дыру, или образуется кварковая звезда.
Магнитное поле
Типы нейтронных звезд
Пульсары
Это обобщающее название для всех нейтронных звезд. Пульсары имеют четко определенный период вращения, который не меняется очень долгое время. Благодаря этому свойству их прозвали «маяками вселенной»
Частицы узким потоком на очень высоких скоростях вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей вращения, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать.
Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.
Магнетары
При рождении очень быстро крутящейся нейтронной звезды, общие вращение и конвекция создают громадное магнитное поле. Это происходит за счёт процесса «активного динамо». Это поле превышает величины полей обычных пульсаров в десятки тысяч раз. Действие динамо заканчивается через 10 – 20 секунд, и происходит охлаждение атмосферы звезды, но магнитное поле успевает возникнуть заново за этот срок. Оно неустойчиво, и быстрая смена его структуры порождает выброс гигантского количества энергии. Получается, что магнитное поле звезды разрывает её саму. Кандидатов на роль магнетаров в нашей галактике насчитывается около десятка. Появление его возможно из звезды, превосходящей минимум в 8 раз массу нашего Солнца. Размеры же их порядка 15 км в диаметре, при массе около одной солнечной. Но достаточного подтверждения существования магнетаров пока не получено.
Рентгеновские пульсары.
Они считаются другой фазой жизни магнетара и излучают исключительно в рентгеновском диапазоне. Излучение возникает в результате взрывов, имеющих определённый период.
Некоторые нейтронные звёзды появляются в двойных системах или же приобретают компаньона, захватив его в свое гравитационное поле. Такой компаньон будет отдавать своё вещество агрессивной соседке. Если компаньон нейтронной звезды по массе не меньше Солнца, то возможны интересные явления – барстеры. Это рентгеновские вспышки, продолжительностью в секунды или минуты. Но они способны усилить светимость звезды до 100 тыс. солнечных. Перенесённые с компаньона водород и гелий наслаиваются на поверхности барстера. Когда слой становится очень плотным и горячим, запускается термоядерная реакция. Мощность такого взрыва невероятна: на каждом квадратном сантиметре звезды выделяется мощь, эквивалентная взрыву всего земного ядерного потенциала.
При наличии компаньона-гиганта, вещество теряется им в виде звёздного ветра, а нейтронная звезда втягивает его своей гравитацией. Частицы летят по силовым линиям по направлению к магнитным полюсам. При несовпадении магнитной оси и оси вращения, яркость звезды будет переменной. Получается рентгеновский пульсар.
Миллисекундные пульсары.
Они тоже связаны с двойными системами и обладают самыми короткими периодами (меньше 30 миллисекунд). Вопреки ожиданиям, они оказываются не самыми молодыми, а достаточно старыми. Старая и медленная нейтронная звезда поглощает материю компаньона-гиганта. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается. Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе.
Экзопланеты у нейтронных звезд
Первую экзопланету открыли при исследовании радиопульсара. Так как нейтронные звезды очень стабильны, возможно очень точно отслеживать находящиеся рядом планеты с массами, намного меньшими массы Юпитера.
Очень легко отыскалась планетная система у пульсара PSR 1257+12, удалённого от Солнца на 1000 световых лет. Рядом со звездой три планеты, имеющие массы 0,2, 4,3 и 3,6 масс Земли с периодами обращений в 25, 67 и 98 суток. Позже нашлась ещё одна планета с массой Сатурна и периодом обращения 170 лет. Также известен пульсар с планетой немного массивнее Юпитера.
На самом деле парадоксально, что возле пульсара существуют планеты. Нейтронная звезда рождается в результате взрыва сверхновой, и та теряет основную часть своей массы. Оставшаяся часть уже не обладает достаточной гравитацией для удержания спутников. Вероятно, найденные планеты образовались уже после катаклизма.
Исследования
Число известных нейтронных звёзд около 1200. Из них 1000 считаются радиопульсарами, а остальные определены как рентгеновские источники. Изучать эти объекты невозможно, послав к ним какой-либо аппарат. В кораблях «Пионер» были отправлены послания разумным существам. И местоположение нашей Солнечной системы указано именно с ориентацией на ближайшие к Земле пульсары. От Солнца линиями показаны направления на эти пульсары и расстояния до них. А прерывистость линии обозначает период их обращения.
Ближайший к нам нейтронный сосед расположен в 450 световых годах. Это двойная система – нейтронная звезда и белый карлик, период её пульсации 5,75 миллисекунды.
Вряд ли возможно оказаться рядом с нейтронной звездой и остаться в живых. Можно только фантазировать на эту тему. Да и как представить выходящие за границы разума величины температуры, магнитного поля и давления? Но пульсары ещё помогут нам в освоении межзвёздного пространства. Любое, даже самое дальнее галактическое путешествие, окажется не гибельным, если будут работать стабильные маяки, видимые во всех уголках Вселенной.
10 увлекательных фактов о нейтронных звездах
Как и почти все во Вселенной, звезды рождаются, живут своей жизнью, а затем умирают на протяжении миллионов, а иногда и миллиардов лет. Потребовались десятилетия, чтобы исследователи определили и каталогизировали различные типы звезд, как они формируются, и их эволюционную последовательность.
То, как звезда заканчивает свою жизнь, в конечном счете зависит от ее одной характеристики: массы. Если это будет звезда с низкой массой, то она закончится как белый карлик, черная дыра, если это массивная звезда, но все, что находится между ними, коллапсирует в нейтронную звезду.
Нейтронные звезды возникают в результате взрыва сверхновой (происходящего на последних этапах жизни звезды), которому способствует гравитационный коллапс, который сжимает звездное ядро так сильно, что оно достигает плотности атомных ядер. Со временем они могут развиваться дальше различными способами.
Здесь мы собрали 15 интересных фактов о нейтронных звездах.
10. Есть три типа нейтронных звезд
По своим уникальным характеристикам нейтронные звезды можно разделить на три подтипа; Рентгеновские пульсары, магнетары и радиопульсары. Радиопульсары или просто пульсары являются наиболее распространенным типом нейтронных звезд, излучающих мощные электромагнитные импульсы. Однако их чрезвычайно сложно обнаружить.
Поскольку пульсары излучают электромагнитное излучение от своих магнитных полюсов, их можно наблюдать только тогда, когда луч излучения направлен на Землю. С Земли этот луч будет выглядеть так, как будто он идет из фиксированной точки в пространстве. Это явление также известно как эффект маяка.
Эти пульсары, если их найти в «особом состоянии», могут дать нам бесценные знания о Вселенной.
Художественное представление магнетара
Рентгеновские пульсары также известны как пульсары с аккреционным питанием, которые обычно существуют в двойной системе звезд, где нейтронная звезда находится на орбите с другим звездным спутником. Они излучают энергию в рентгеновском спектре.
Подтипы рентгеновских пульсаров включают миллисекундные пульсары (рециркулированные пульсары), низкомассовые рентгеновские бинарные системы, среднемассовые рентгеновские бинарные системы и высокомассовые рентгеновские бинарные системы.
9. Они очень горячие и очень плотные
Температура поверхности почти каждой наблюдаемой нейтронной звезды составляет около 600 000 К, и она еще выше в новообразованных звездах. Для сравнения, Солнце имеет температуру поверхности приблизительно 5 775 K, в то время как Сириус, белый карлик, имеет температуру поверхности 9 940 K.
Нейтронная звезда компактна и настолько плотна, что ложка, полная образца материала звезды, весила бы намного больше миллиарда тонн. Ее плотность сильно варьируется, которая увеличивается с глубиной. Вблизи ядра нейтронная звезда становится плотнее атомного ядра.
Кроме того, их магнитное поле примерно в один квадриллион раз, а гравитационное поле примерно в 200 миллиардов раз сильнее, чем у Земли. Однако, причина их мощного магнитного поля остается загадкой.
8. Ближайшая нейтронная звезда
Художественная концепция «изолированной нейтронной звезды»
Еще в 2007 году группа исследователей обнаружила своеобразный рентгеновский источник в созвездии Малой Медведицы на расстоянии 250-1000 световых лет от Земли, который они позже определили как нейтронную звезду. Возможно, это может быть ближайшая к Земле нейтронная звезда.
Официально обозначенная как 1RXS J141256.0 + 792204, нейтронная звезда получила прозвище Кальвера после антагониста популярного фильма 1960-х годов «Великолепная семерка». В отличие от большинства наблюдаемых звезд, Кальвера принадлежит к редкой группе изолированных нейтронных звезд, у которых нет остатка сверхновой звезды и звезды-компаньона.
7. В Млечном Пути есть около двух тысяч известных пульсаров
Согласно оценкам, основанным на количестве взрывов сверхновых, в нашей галактике Млечный Путь должно присутствовать по меньшей мере 100 миллионов нейтронных звезд. Однако на сегодняшний день астрономы обнаружили лишь менее двух тысяч пульсаров (наиболее распространенный тип нейтронной звезды).
Этот огромный контраст в численности мог быть вызван их возрастом. Нейтронным звездам, как правило, миллиарды лет, что дает им достаточное время для охлаждения. Без необходимой энергии для излучения на разных длинах волн многие пульсары становятся почти невидимыми для наших спутников. Даже молодые пульсары могут остаться незамеченными из-за их узкого поля излучения.
6. Самая быстрая нейтронная звезда вращается со скоростью 716 раз в секунду
Новорожденные нейтронные звезды могут достигать чрезвычайно высокой скорости вращения благодаря сохранению момента импульса. Самая быстрая вращающаяся нейтронная звезда, зарегистрированная на сегодняшний день, это PSR J1748-2446ad, расположенная в созвездии Стрельца, на расстоянии около 18 000 световых лет от Земли.
Далекий пульсар вращается с бешеной скоростью 716 раз в секунду или 43 000 оборотов в минуту. Исследования подтвердили, что звезда имеет массу чуть меньше двух солнечных масс и радиус менее 16 км.
5. Скорость их вращения может увеличиться
В некоторых случаях нейтронная звезда в двойной системе может начать поглощать аккрецированную материю или плазму от своей звезды-компаньона. Этот процесс может значительно увеличить скорость вращения нейтронной звезды, а также может изменить ее форму на сжатый сфероид. Эти изменения вызваны взаимодействием магнитосферы звезды и плазмы.
Хотя этот феномен впервые наблюдался в нескольких рентгеновских пульсарах, таких как Centaurus X-3 и Hercules X-1, в настоящее время он наблюдается и в других подобных пульсарах. С другой стороны, также регистрируется долгосрочное уменьшение периода импульса Centaurus X-3.
4. Нейтронные звезды могут иногда подвергаться «сбоям»
Художественная концепция «звездного землетрясения»
Ряд недавних исследований показали, что уровень энергии, выделяющейся во время звездного землетрясения, будет недостаточным для возникновения сбоя. Вместо этого была выдвинута новая теория, в которой эти сбои могут быть объяснены с помощью возмущений в гипотетическом сверхтекучем ядре пульсара.
3. Может существовать в сложной двойной системе
Но в 2003 году международная группа радиоастрономов из обсерватории Паркса (Австралия) обнаружила двойную систему с двумя пульсарами, то есть двумя пульсирующими нейтронными звездами в гравитационно связанной системе. Это единственная известная нам двойная система пульсаров. Два пульсара обозначены как PSR J0737-3039A и PSR J0737-3039B.
2. Нейтронные звезды также могут принимать планеты
Художественная концепция системы PSR B1257 + 12
Как и другие, нейтронные звезды могут также принимать планеты и даже иметь четко определенную планетную систему. Теоретически, эти экзопланеты могут быть местными, захваченными или существующими в околоземной форме (планета в двойной системе звезд).
Кроме того, пульсирующая нейтронная звезда в двойной системе может полностью удалить атмосферу своей звезды-компаньона, оставив только голую небесную массу. Эти массы можно интерпретировать либо как планету, либо как звездный объект.
Только две такие планетные системы были подтверждены на сегодняшний день. Первая состоит из трех планет, а именно Полтергейста, Фобетора и Драугра, вращающихся вокруг PSR B1257 + 12. Вторая система содержит только один внесолнечный мир, и она вращается вокруг PSR B1620-26.
1. Столкновение двух нейтронных звезд
17 августа 2017 года около 70 различных обсерваторий по всему миру, включая Virgo и LIGO, обнаружили сигнал гравитационной волны, теперь известный как GW170817. Эта гравитационная волна возникла в течение последних нескольких минут слияния двух нейтронных звезд. Хотя это было не первое обнаруженное открытие, оно считается прорывным открытием в астрономии.
Причина этого заключается в том, что все ранее записанные гравитационные волновые сигналы были вызваны слиянием черных дыр, которые не испускают никакого значительного электромагнитного сигнала. Вскоре после столкновения космический гамма-телескоп Ферми наблюдал короткий гамма-всплеск, обозначенный как GRB 170817A.
Несколько коротких фактов
Hulse-Taylor binary или PSR B1913+16-это пульсар, который вместе с нейтронной звездой образует бинарную звездную систему. После своего открытия в 1972 году он стал первым в истории бинарным пульсаром, который был обнаружен и оказался решающим в изучении гравитационных волн. Это открытие и дальнейший анализ принесли Расселу Алану Халсу и Джозефу Хутону Тейлору-младшему Нобелевскую премию по физике в 1993 году.
Сопоставимый с пределом Чандрасекара (максимальная масса, при которой белый карлик может оставаться стабильным), предел Толмана–Оппенгеймера–Волкофа является верхним потолком массы нейтронной звезды, после чего мертвая звезда далее коллапсирует в черную дыру. Его значение колеблется от 1,5 до 3,0 солнечной массы.
Существование нейтронных звезд было предсказано астрономами Вальтером Бааде и Фрицем Цвицким в 1934 году, более чем за три десятилетия до того, как они были впервые подтверждены.
Остальные шесть звезд в группе: RX J0806.4-4132, RX J0720.4-3125, RBS1556, RBS1223, RX J0420.0-5022 и 1RXS J214303.7 + 065419. Каждый из семи источников рентгеновского излучения обнаружен спутником ROSAT.
В сердце нейтронных звезд
Внутри нейтронных звезд царит чрезвычайная плотность, одна из самых высоких во Вселенной. В какой форме там находится материя? Нейтронная сверхтекучая жидкость? Странные кварки?
Не имея возможности открыть нейтронную звезду и заглянуть внутрь, трудно сделать выбор между этими гипотезами. Но важный прорыв произошел в августе 2017 года, когда две обсерватории на Земле обнаружили гравитационные волны (колебания пространства-времени), которые, вероятно, излучались при слиянии двух нейтронных звезд. Эти волны несли информацию о массе и размере двух звезд непосредственно перед их столкновением. Физики использовали эти данные для установления новых границ свойств и возможных составов нейтронных звезд.
Благодаря этим и другим экспериментам у нас наконец-то появилась надежда узнать больше о внутреннем строении нейтронных звезд, а также о том, как вещество ведет себя в экстремальных условиях.
Взрывное рождение
«Сейчас считается, что нейтронная звезда содержит не более 10% гиперонов.»
Еще в 1934 году немец Вальтер Бааде и швейцарский американец Фриц Цвицки первыми вообразили, что сверхновая может дать начало нейтронной звезде. Прошло всего два года с тех пор, как британский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, и многие ученые скептически относились к существованию такого экстремального объекта, как нейтронная звезда. Только в 1967 году Джоселин Белл Бернелл, тогда защитившая докторскую диссертацию в Кембриджском университете, Великобритания, и её коллеги наблюдали пульсары (а в следующем году исследователи определили, что эти пульсары должны быть вращающимися нейтронными звездами), и эта идея получила признание.
По словам астрофизиков, изучающих их, нейтронные звезды имеют массу от 1 до 2,5 масс Солнца. Нейтронные звезды имеют как минимум три слоя. Внешний слой представляет собой газообразную «атмосферу» водорода и гелия толщиной несколько сантиметров. Он плавает на вершине внешней «коры» толщиной около километра и состоит из ядер атомного железа, расположенных в кристаллической структуре, между которыми находятся нейтроны и электроны.
Остальная часть звезды, более глубокая, является предметом дополнительных спекуляций. По мере приближения к центру давление увеличивается, и каждое атомное ядро содержит больше нейтронов. Но с определенного порога ядра насыщаются нейтронами, так что они переполняются: это уже не ядра, а просто жидкость из нейтронов и протонов. В конце концов, глубоко внутри звезды, во внутреннем ядре, они тоже могут распасться.
Как выглядит эта жидкость? Возможно, что эти кварки образуют «сверхтекучую», лишенную вязкости жидкость, которая после приведения в движение теоретически никогда не перестанет двигаться. Это странное состояние материи возможно потому, что кварки имеют сродство к другим кваркам, и если бы их толкнуть достаточно близко друг к другу, они бы образовали » Куперовские пары «, как электроны в сверхпроводящих материалах.
Сверхтекучее ядро нейтронных звезд
Даже вне ядра, во внешнем ядре, где нейтроны еще целы, они также могут образовывать сверхтекучую среду. Фактически, ученые уверены, что нейтроны ведут себя именно так. Доказательства получены из наблюдений пульсарных «глюков», эпизодов, когда вращение нейтронной звезды внезапно ускоряется.
Теоретики считают, что эти сбои возникают, когда скорость вращения звезды в целом перестает синхронизироваться с вращением сверхтекучей жидкости под корой. В целом вращение звезды естественным образом замедляется со временем, потому что звезда теряет энергию из-за испускания электромагнитного излучения и звездного ветра; напротив, сверхтекучая жидкость, текущая без трения, не замедляется. Механическое напряжение, создаваемое разностью скоростей между двумя слоями, накапливает энергию, которая внезапно высвобождается в виде углового момента, который повторно ускоряет звезду.
В 2011 году Джеймс Латтимер и его коллеги заявили, что нашли доказательства сверхтекучести в ядре нейтронной звезды, но исследователь признает, что споры остаются открытыми. Его группа под руководством Дэни Пейдж из Национального автономного университета Мексики проанализировала данные пятнадцатилетних рентгеновских наблюдений Кассиопеи А, остатка сверхновой, которая стала видимой в начале 17 века. Астрономы обнаружили, что пульсар в центре туманности остывает быстрее, чем предполагает теория.
Таким образом, нейтронные звезды могут содержать сверхтекучую жидкость в своем внешнем и внутреннем ядре. Они также могут содержать так называемый странную материю, потому что он будет содержать кварки s, или странные (s для strange на английском языке).
«Странная» материя?
Существует шесть видов, кварков: u, d, c, s, t и b. Только два самых легких, U и D, находятся в атомах. Другие виды более массивны и нестабильны. Они появляются, например, в столкновениях частиц с высокой энергией на коллайдерах, таких как LHC (Большой адронный коллайдер) ЦЕРНа, недалеко от Женевы. Но в очень плотных недрах нейтронных звезд u и d кварки, содержащиеся в нейтронах, иногда превращались в s кварки (другие кварки настолько массивны, что они, вероятно, не образовались бы даже в таких экстремальных условиях). Если s кварки появляются и остаются связанными с другими кварками, это приведет к образованию гиперонов.
Наконец, возможно также, что эти кварки присутствуют в плазме из кварков и глюонов. Эксперименты в ускорителях частиц позволили бы узнать больше об условиях, необходимых, например, для появления гиперонов. В случае кварк-глюонной плазмы эксперимент Alice на LHC посвящен изучению этого состояния вещества. Но эта искусственная плазма получается при высокой температуре и очень низкой плотности, далекой от условий ядра нейтронной звезды, температура которой относительно низкая, а плотность высокая.
Измерение размера нейтронных звезд полезно для сужения диапазона форм, которые может принимать материя. Долгое время считалось, что половина нейтронов в нейтронной звезде превращается в гипероны; теоретические расчеты предполагали, что нейтронная звезда не может превышать 1.5 массы Солнца. Но в 2010 году Пол Деморест из Радиоастрономической обсерватории США в Вирджинии и его команда обнаружили нейтронную звезду с массой Солнца 1,97, что противоречило первоначальному прогнозу. Сегодня, по оценкам физиков, гипероны составляют не более 10% содержимого нейтронной звезды.
Новые и очень разные наблюдения могут рассказать нам еще больше о нейтронных звездах. В течение многих лет телескопы регистрировали вспышки света, известные как гамма-всплески, которые, как подозревают исследователи, являются результатом столкновений двух нейтронных звезд. Такое событие было подтверждено 17 августа 2017 года: два прибора, Ligo ( лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн, установленная в штате Вашингтон и Луизиана) и Virgo (недалеко от Пизы, Италия), одновременно зарегистрировали гравитационные волны испускается парой нейтронных звезд, которые вращаются по спирали вокруг друг друга, прежде чем столкнуться и слиться.
Информация через гравитационные волны
Анализ сигналов показал, что событие возникло в результате столкновения пары нейтронных звезд, расположенных примерно в 130 миллионах световых лет от Земли, каждая из которых имеет около 1,4 солнечной массы и радиус от 11 до 15 километров до столкновения. Используя эти данные, ученые уточняют ограничения на уравнение состояния нейтронных звезд. Это уравнение, которое должно применяться ко всем нейтронным звездам во Вселенной, описывает плотность вещества как функцию давления и температуры в звезде. Теоретики предложили различные формы, соответствующие различным гипотезам о природе вещества внутри этих звезд, и новые измерения дали возможность исключить некоторые из них.
Оценочный радиус двух нейтронных звезд, детектированных Ligo и Virgo, относительно невелик по сравнению с их массой. Этот результат удивил астрофизиков, так как поставил под сомнение некоторые теории, описывающие эти звезды. Нелегко включить как компактные нейтронные звезды, так и очень массивные, такие как 1,98 солнечной массы, в одно и то же уравнение состояния.
До сих пор Ligo и Virgo обнаружили только это одиночное столкновение нейтронных звезд, но другое подобное наблюдение может произойти в любой момент, так как оба комплекса обнаружения только что возобновили свою наблюдательную кампанию.
Подсказки в пределах досягаемости детекторов завтрашнего дня
А что насчет гравитации?
Раскрытие структуры нейтронных звезд дало бы нам почти полную картину форм, которые может принимать материя, от самых обычных до самых экстремальных. И понимание нейтронных звезд принесет дополнительную пользу: изучение этих звезд, безусловно, позволяет исследовать ядерные взаимодействия, но они дают возможность лучше понять загадочное взаимодействие, которым является гравитация.
