Нейтронные звезды

  Вырожденный газ обладает удивительным свойством: его давление не зависит от температуры а определяется только плотностью: Р ~ р6^3. Как бы ни остывал белый карлик, он никогда не сожмется. Уравнение состояния белого карлика приводит к необычной зависимости его радиуса от массы.
Эту зависимость легко получить.
Давление сил гравитации определяется как

В равновесии оба давления должны быть равны, значит, R ~ М : чем больше масса карлика, тем меньше его радиус и тем больше его плотность. Но при возрастании плотности возрастает энергия электронов. Как известно, электроны в атоме стремятся занять самые нижние уровни. Так же и в электронном газе. Но в вырожденном электронном газе все нижние уровни заняты, а на занятый уровень электрону нельзя попасть из-за принципа Паули. Если мысленно увеличивать массу белого карлика, то будет расти его плотность. Электроны будут «упаковываться» все плотнее, но нижние полки заняты, и им приходится занимать самые верхние, где энергия велика. Постепенно энергия электронов становится сравнимой с их энергией покоя тес . Электронный газ становится релятивистским. А сжимаемость релятивистского газа гораздо лучше, чем нерелятивистского. Для него давление              , т.е.

Газовое давление при сжатии растет так же, как и давление сил гравитации. Это означает, что равновесие белого

карлика возможно лишь при одном и только одном значении массы. Критическое значение массы, равное примерно 1,5М0, называют пределом Чандрасекара. Оно было получено двадцатилетним индийским физиком С. Чандрасекаром в 1931 году. В 1983 году за цикл работ по теории белых карликов С. Чандрасекар был удостоен Нобелевской премии по физике.
При массе больше чандрасекаровского предела давление электронного газа не способно противостоять силам гравитации, и белый карлик сжимается. Независимо от Чандрасекара этот предел был получен советскими физиками Я. И. Френкелем и Л. Д. Ландау. Л. Д. Ландау в своей работе 1932 года предположил, что звезды с массой больше критического предела сжимаются до тех пор, пока их ядра не придут в соприкосновение и не образуется одно гигантское ядро. Когда Ландау писал свою работу, за год до открытия нейтрона, физики не знали, что при слиянии протонов и электронов образуются нейтроны. А буквально через год американские астрономы Вальтер Бааде и Фред Цвикки выдвинули гипотезу о том, что вспышка сверхновой звезды есть результат схлопывания обычной звезды в звезду, состоящую из однцх нейтронов. Такие звезды были названы, нейтронными звез- дами. Плотность нейтронов в них близка к ядерной, 10 - 10 г/см . Это означает, что размер нейтронной звезды, где все нейтроны плотно прижаты друг к другу, в (Ю15/!)1^3 раз меньше размера Солнца, средняя плотность которого близка к единице. Радиус нейтронной звезды получается порядка 10 км. При этом ее масса больше массы Солнца.
Нейтронные звезды рождаются в конце эволюции звезд с первоначальной массой более 1ОМ0. Большая масса нужна звезде для того, чтобы по мере выгорания легких элементов хватило температуры для поджигания более тяжелых элементов. В этих звездах сгорает все дотла, т. е. до железа. Дальнейший синтез ядер уже не выделяет, а наоборот, по-


Рис» 36» Запись радиосигнала от открытого одним из первых
пульсара PSR 0329+54


глощает энергию. Поэтому, начав сжиматься, железное ядро уже не может остановиться.
Выделяющаяся гравитационная энергия расходуется на синтез более тяжелых элементов, и сжатие звезды становится катастрофическим. Такой процесс называется коллапсом. Во время коллапса выделяется столь большая энергия, что вся массивная оболочка сбрасывается со скоростью в несколько десятков тысяч километров в секунду.
Это, по-видимому, и наблюдается как взрыв сверхновой. Гипотеза Бааде и Цвикки была великолепно подтверждена в 1968 году, когда в Крабовидной туманности (остатке вспышки сверхновой) был обнаружен радиопульсар.
Излучение радиопульсара приходит к нам в виде строго периодической последовательности узких импульсов. Кривая блеска радиопульсара напоминает старую расческу с редкими зубьями (см. рис. 36). Зубья (импульсы) могут следовать один за другим, а могут и пропадать, но появляются они только в строго определенных местах (в определенные моменты времени). В расческе такое «фатальное поведение» — результат технологии ее производства (машина штампует зубья, равноотстоящие друг от друга). А вот что поддерживает строгую периодичность пульсара? Оказывается, вращение нейтронной звезды. Но вращаться с периодом 0,033 с может только нейтронная звезда. Любую другую звезду разорвут гигантские центробежные силы.

Американский астрофизик Томас Голд первым понял, что радиопульсары — это нейтронные звезды, в которых источником энергии излучения является их вращение, а магнитное поле нейтронной звезды является тем передаточным ремнем, который «выуживает» эту энергию из нейтронной звезды. Магнитное поле нейтронной звезды, подобно полю Земли, имеет дипольный характер. Это означает, что в нем есть выделенная линия, проходящая через магнитные полюса. Вдоль этой линии выбрасываются потоки релятивистских частиц и излучения. Пульсар, подобно вращающемуся прожектору, «освещает» космос. Периодически луч «чиркает» по Земле, и тогда мы воспринимаем импульс излучения. Но излучая, пульсар должен замедлять свое вращение — это и наблюдается. Периоды радиопульсаров постепенно увеличиваются (см. рис. 37). Но почему нейтронные звезды столь быстро вращаются и обладают столь мощными магнитными полями?
Быстрое вращение и мощные магнитные поля — это такой же след («родимое пятно») процесса рождения нейтронных звезд, как и Крабовидная и подобные ей туманности. Разница только в том, что туманность рассеивается и перестает быть видимой за несколько десятков тысяч лет, а вращение и магнитное поле сохраняются многие миллионы лет!
Удивительные свойства пульсаров не оставляют сомнений в том, что нейтронные звезды рождаются при схлопы- вании обычных звезд. Точнее, железных ядер звезд. Железное ядро, вызревшее в центре массивной звезды, может иметь массу больше чандрасекаровского предела. Оно коллапсирует, выделяя гигантскую энергию за счет работы сил


Рис. 38. Магнитосфера радиопульсара


тяготения. Этой энергии хватает и на сброс массивной оболочки звезды (образование туманности — остатка сверхновой), и на усиление ее магнитного поля, и на ускорение ее вращения.
Самой трудной здесь остается проблема сброса оболочки звезды. При сжатии железного ядра звезды ядра атомов вдавливаются друг в друга и идет процесс нейтронизации вещества, протон соединяется с электроном е_, образуя нейтрон п:

При этом выделяются нейтрино v. Они-то и уносят энергию. Плотность здесь так велика, что даже нейтрино с их всепроникающей способностью не могут прямо выйти из звезды. Нейтрино начинают поглощаться (например, в обратных реакциях), отдавая свой импульс. Возникает мощное нейтринное давление. Астрофизики полагают, что именно
в результате этого давления и сбрасывается оболочка звезды. Существование же нейтронных звезд подтверждает эту картину.
Но в определенных случаях оболочка не сбрасывается. Ну и что, скажет читатель, образуется массивная нейтронная звезда. Но в том-то и дело, что массивных нейтронных звезд не бывает. 
<< | >>
Источник: Ляпунов Владимир Михайлович. В мире двойных звезд. 2009

Еще по теме Нейтронные звезды:

  1. Ред.-сост. В. Г. Сурдин. Звёзды, 2009
  2. Ляпунов Владимир Михайлович. В мире двойных звезд, 2009
  3. Киппенхан Р.. 100 миллиардов солнц: Рождение, жизнь и смерть звезд, 1990
  4. 29. ПСИХОЛОГИЯ «ЗВЁЗД» И ШОУБИЗНЕСА.
  5. Звезда Источник живой воды
  6. 2с7.5. «Звезды качества»
  7. 6.1 «НА ДАЛЕКОЙ ЗВЕЗДЕ ВЕНЕРЕ…»
  8. Уделяйте звездам максимум вашего времени и внимания
  9. Проекция TQM на российскую практику. Звезды качества
  10. ОТРАЖЕНИЕ МЕЖКУЛЬТУРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ХУДОЖЕСТВЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ ЛИТЕРАТУРЫ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РУССКОГО ЗАРУБЕЖЬЯ (НА МАТЕРИАЛЕ СБОРНИКА А. ХЕЙДОКА «ЗВЁЗДЫ МАНЬЧЖУРИИ»)
  11. Ядерно-физические методы
  12. Радиационное охрупчивание
  13. 4.3. Топология сети
  14. Бугаев А.Ф.. Глобальная экология, 2010
  15. Глава II О ВСЕЛЕННОЙ
  16. Упрочнение металлов
  17. 4.4. Эксплуатационные факторы охрупчивания