Мир нейтронных звезд

ТАЙНЫ НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД.

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ:ИГУМНОВ А. 11А

СОШ №1 г. Олонца

Учитель: ЖуковаЕ.В.

Нейтро́нная звезда́ — космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звёзд, состоящее, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (около 1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов.Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус нейтронной звезды составляет лишь 10—20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅1017 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерного вещества, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью осевого вращения, — до нескольких сотен оборотов в секунду. По современным представлениям нейтронные звёзды возникают в результате вспышек сверхновых звёзд.

В нейтронной звезде можно условно выделить пять слоёв: атмосфера, внешняя кора, внутренняя кора, внешнее ядро и внутреннее ядро.Атмосфера нейтронной звезды — очень тонкий слой плазмы (от десятков сантиметров у горячих звёзд до миллиметров у холодных), в ней формируется тепловое излучение нейтронной звезды. Внешняя кора состоит из ядер и электронов, её толщина достигает нескольких сотен метров. В тонком (не более нескольких метров) приповерхностном слое горячей внешней коры нейтронной звезды электронный газ находится в невырожденном состоянии, в более глубоких слоях электронный газ вырожденный, с увеличением глубины его вырождение становится релятивистским и ультрарелятивистским. Внутренняя кора состоит из электронов, свободных нейтронов и атомных ядер с избытком нейтронов. С ростом глубины доля свободных нейтронов увеличивается, а доля атомных ядер уменьшается. Толщина внутренней коры может достигать нескольких километров. Внешнее ядро состоит из нейтронов с небольшой примесью (несколько процентов) протонов и электронов. У нейтронных звёзд с малой массой внешнее ядро может простираться до центра звезды. У массивных нейтронных звёзд есть и внутреннее ядро.

• Нейтронные звёзды — один из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау. Так, в своей статье «О теории звёзд», написанной в феврале 1931 года, но по неизвестным причинам запоздало опубликованной только 29 февраля 1932 года – более чем через год, он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».В декабре 1933 года на съезде Американского физического общества (15—16 декабря 1933 года) астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки сделали первое строгое предсказание существования нейтронных звёзд. В частности, они обоснованно предположили, что нейтронная звезда может образоваться в результате взрыва сверхновой. Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды в оптическом диапазоне слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи оптических астрономических инструментов того времени.

• Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х годах, когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты в радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные радиоимпульсы. Это явление было объяснёно узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося космического объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы от центробежных сил при столь высокой скорости вращения. На роль таких «космических маяков» были пригодны только нейтронные звёзды. Пульсар PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.

• Итак, по своему строению нейтронная звезда напоминает скорее планету земного типа, нежели звезду. Она покрыта твердой корой, под которой простирается обширная жидкая зона. Впрочем, четкой границы между этими двумя областями нет. Мощное магнитное поле связывает их.На этом аналогии между нейтронной звездой и планетами заканчиваются, поскольку астрономы мало что знают о том, что происходит в ее недрах на глубине всего в несколько километров, когда плотность превысит в 10 раз плотность атомного ядра. Ведь даже на самых современных ускорителях при столкновении атомных ядер не удается достичь подобной плотности. По некоторым гипотезам, там пребывают в свободном состоянии кварки. А может быть, там находятся какие-то не известные пока науке элементарные частицы?

• Характеристики магнитных полей таких экзотических объектов, как нейтронные звезды, просто поразительны. Во время коллапса сверхновой звезды ее магнитное поле невероятно сжимается и потому усиливается. Его напряженность возрастает в триллионы раз по сравнению с напряженностью магнитного поля Земли. Под действием этого мощного поля электроны, находящиеся на поверхности нейтронной звезды, разгоняются до скоростей, близких к световой, и устремляются в околозвездное пространство, испуская излучение по направлению своего движения. Ну а поскольку электроны перемещаются только вдоль силовых линий магнитного поля, излучение представляет собой два узких пучка электромагнитных волн. Когда такой пучок достигает Земли, радиоастрономы фиксируют сигнал. Он напоминает сигнальный огонь маяка и попадает в поле зрения наблюдателя лишь через определенные, очень короткие промежутки времени, поскольку звезда вращается. Правда, наши наземные радиоантенны могут уловить это излучение лишь в том случае, если оно направлено точно в сторону Земли. Только тогда мы сумеем заметить этот «маяк».Наблюдая за ним, астрономы словно ощущают пульс далекого небесного тела – пульсара. Пульс очень быстрый. Период вращения пульсаров исчисляется сотыми, а то и тысячными долями секунды. Рекорд составляет 716 оборотов в секунду. Если бы мы могли увидеть нейтронную звезду невооруженным глазом, мы даже не заметили бы, что она вращается, – мы своим зрением не может различить столь быстрых движений. Лишь приборы помогают нам изучать эти экзотические небесные тела.По оценкам астрономов, только в нашей Галактике расположено около миллиарда нейтронных звезд, но в большинстве своем они пока еще не обнаружены.

• … Мир пульсаров поистине причудлив и богат неожиданностями. Время открытий здесь далеко не завершено. Так, в 1992 году у одного из пульсаров была обнаружена своя планетная система – две большие планеты размером с Юпитер и одна поменьше. Еще более сенсационным оказалось открытие в 1998 году совершенно нового класса пульсаров (и нейтронных звезд вообще) – так называемых «магнитаров».