Не все космические объекты можно увидеть визуально, даже в очень мощный телескоп. Но некоторые из них можно предсказать и вычислить. Так и случилось с нейтронными звёздами.
В 1933 году астрономам В. Бааде и Ф. Цвикки пришла в головы идея, что в результате взрыва сверхновой могут появиться новые объекты – нейтронные звёзды. Но только через 34 года Д. Белл смогла опознать незнакомца, который источал радиоволновые импульсы.
Излучать такие импульсы могло лишь быстро вращающееся тело. Обычная звезда просто разрушилась бы от такого вращения, поэтому роль космического маяка досталась нейтронной звезде. И первым таким объектом стал пульсар PSR B1919+21.
Классификация
Основные параметры этого типа звёзд – величина магнитного поля и период вращения. Чем больше звезда существует, тем больше она тратит энергии. Вращение постепенно замедляется, а магнитное поле слабеет. В зависимости от возраста нейтронной звезды, она имеет различные значения:
Эжектор. Или радиопульсар. Для него характерны очень мощное магнитное поле и небольшой период вращения. Магнитное поле не является дипольным, и линии напряжённости обрываются. Через обрывы звезда выталкивает заряженные частицы (эжектирует их), и они испускают излучение в радиодиапазоне.
Пропеллер. Скорость вращения уже недостаточна для исторжения частиц, поэтому излучения не происходит. Но магнитное поле ещё препятствует падению частиц на поверхность. Такой тип звёзд изучен плохо из-за трудности их наблюдения.
Аккретор. Скорость вращения падает ещё больше, и плазма падает на поверхность звезды. От ударов в области полюсов она разогревается, и происходит излучение в рентгеновском диапазоне. Пятно столкновения около 100 метров. Оно при вращении периодически пропадает, и это воспринимается как пульсация, а звезда – рентгеновский пульсар.
Георотатор. Эти звёзды имеют очень малую скорость вращения, которая не мешает падать частицам на поверхность. Но магнитное поле перехватывает их, перебивая гравитацию.
Состав нейтронных звёзд
Масса нейтронных звёзд обычно около 1,4 солнечной. Однако радиус их всего 10 – 20 км. Поэтому плотность нейтронной жидкости в 1014 раза выше плотности воды. Это происходит от вдавливания электронов в ядра, от чего они объединяются с протонами и образуют нейтроны.
Под тончайшей – в несколько сантиметров — атмосферой звёздного монстра расположена жидкая оболочка. Она металлическая, и слой её – несколько метров. Ниже – твёрдая кора, напоминающая металл, но намного плотнее. Её толщина около километра.
Дальше идёт нейтронно-электронный океан с вкраплением атомных ядер. При дальнейшем увеличении плотности (около 2х1014 г/см3) ядра исчезают, и в остатке получается нейтронная жидкость с лёгкой примесью электронов и протонов. Скорее всего, они приобретают свойства сверхтекучей жидкости.
Ближе к центру плотность усиливается, и вещество преобразуется в необычные формы. Возможно, это кварки или пи-мезоны, образующие пионный конденсат. Но всё это пока теория.
По сути, нейтронные звезды по свойствам, включая плотность и нуклоновый состав, очень похожи на атомные ядра. Научно-популярная литература так их и характеризует. Но есть существенная разница. В ядрах нуклоны притягивает сила взаимодействия, а в звездах – сила гравитации.
Ближайший к нам нейтронный сосед расположен в 450 световых годах. Это двойная система – нейтронная звезда и белый карлик. Период пульсации её 5,75 миллисекунды.
Магнитное поле
Нейтронные звёзды имеют скорости вращения до 1000 оборотов в секунду. При этом электропроводящие плазма и ядерное вещество вырабатывают магнитные поля гигантских величин. Самое сильное поле, созданное человеком, будет в миллиард раз меньше магнитного поля звезды.
С возрастом магнитное поле нейтронной звезды изменяется. Поле распадается на петли, происходит его рассеивание, называемое турбулентным каскадом. Правда, современные исследования показывают, что не всегда это правило работает. У некоторых, старых, звёзд магнитные поля сохранили свою силу.
Пульсары
Они похожи на намагниченные волчки, где оси вращения и магнитного поля не совпадают. Заряженные частицы, летающие вокруг пульсара, находятся в магнитной ловушке его поля. Вырваться из неё можно только около магнитной оси.
Частицы потоком вылетают через полюса, становясь источником радиоизлучения. Из-за несовпадения осей, направление потока постоянно меняется, создавая эффект маяка. И, как у каждого маяка, у пульсаров своя частота сигнала, по которой его можно идентифицировать. Как хорошо, что есть нейтронные звёзды – надёжные маяки Вселенной.
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 звезды, но магнитное поле успевает возникнуть 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.
Другие вариации нейтронной звезды
Аномальные 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 насильно. 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 агрессора. 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, тоже состарившегося. Падая на поверхность захватчика, материя придаёт ей вращательную энергию, и вращение звезды усиливается. Постепенно компаньон превратится в белого карлика, потеряв в массе. Пульсар оживает и начинает вращаться, набирая скорость в сотни оборотов в секунду.
Практически все обнаруженные нейтронные звёзды существуют в двойных рентгеновских системах или в качестве одиночных пульсаров.
Планетные системы пульсаров
Первую экзопланету открыли при исследовании радиопульсара. Эти звёзды – источники чрезвычайной стабильности, и это позволяет очень точно отслеживать их движения, и отыскивать 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.
Парадоксально, что возле пульсара находятся 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.
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.
