Мумии звезд 2-го типа. Нейтронные звезды.
Мы уже знаем, что в ядрах звезд с первоначальной массой меньше 8-10 Msun (Msun - масса Солнца) после пережигания водорода в ядра гелия и приличной доли ядер гелия в ядра элементов второй и частично третьей строк таблицы Менделеева термоядерные реакции прекращаются из-за недостаточно высокой температуры. И тогда эти звезды умирают, сбрасывая большую часть своей массы в окружающее пространство и оставляя обнаженным свое ядро. Это ядро являет собой мумию умершей звезды и его называют белым карликом.
Наблюдения показывают, что самые легкие белые карлики (БК) имеют массу М ≈ 0,5 Msun, а самый массивный М ≈ 1,33 Msun. Причем диаметр самого легкого БК примерно в полтора раза больше земного (~ 18000 км), а диаметр самого массивного кратно меньше (~ 5000 км), что не больше диаметра Меркурия. При этом вещество самого массивного из наблюдаемых БК представляет собой субрелятивистскую электронную жидкость, к которой плавают ядра гелия и других элементов таблицы Менделеева. И средняя плотность ρ вещества в этом БК ρ ≈ 40 тонн/см3. Все это намекает на наличие верхнего предела масс БК.
Такой предел в М ≈ 1,4 Msun был вычислен Чандрасекхаром еще в первой половине прошлого века. При больших массах остатка (ядра) звезды согласно Чандрасекхару должен происходить коллапс этого остатка в некое новое состояние. Ибо гравитация неумолима.
Каково же это состояние и во что превращаются мумии звезд с первоначальной массой большей чем 8-10 Msun?
1. Процессы образования и открытие нейтронных звезд.
Равновесие остатка звезды с массой близкой к пределу Чандрасекхара снизу обеспечивается балансом сил гравитации и давления электронной жидкости из почти релятивистских электронов. Но у звезд с первоначальной массой больше 8-10 Msun после сброса большей части их массы в процессе взрыва сверхновой масса остатка (ядра) обычно превышает Чандрасекхаровский предел. В таких остатках давления электронной жидкости для обеспечения равновесия оказывается уже недостаточно.
Гравитация сжимает этот остаток и какую-то часть электронов захватывают протоны (с излучением электронных антинейтрино). Которые превращаются в результате такого захвата в нейтроны. В результате давление в электронной жидкости падает, сжатие остатка звезды прогрессирует и идет лавинообразный процесс превращения пар протонов и электронов в нейтроны.
В результате такого процесса образуется объект, состоящий практически полностью из нейтронов, и потому называемый нейтронной звездой (НЗ). Таких звезд уже открыто более 2,5 тысяч. Общее же число нейтронных звезд в нашей Галактике оценивается до миллиарда штук.
Закон сохранения момента импульса при сжатии остатка звезды в нейтронную звезду приводит к тому, что период обращения НЗ вокруг своей оси оказывается чрезвычайно малым. В большинстве известных НЗ он укладывается в интервал 1-30 миллисекунд. Хотя встречаются НЗ и с близким к секундному периоду вращения.
Нейтронные звезды чаще обнаруживаются по излучению со своих магнитных полюсов, светящих в радиодиапазоне или других диапазонах как фонарик, ось которого не совпадает с осью его вращения. Быстрое вращение таких источников излучения привело к присвоению им названия пульсаров. Открыла первый пульсар и, тем самым, первую НЗ аспирантка Джоселин Белл в 1967 году, шеф которой за это открытие через 7 лет получил Нобелевскую премию.
2. Немного из истории христианства.
В начале 1054 года папа Лев IX послал в Константинополь большую делегацию во главе с кардиналом Гумбертом решать с патриархом Михаилом Керуларием важнейшую геополитическую проблему того времени - единства христианской церкви. Несколько месяцев шли переговоры. И, вроде бы, уже начали договариваться. Но 4 июля Создатель явил великое знамение, переговоры были прерваны, Гумберт возложил на престол храма Святой Софии папскую грамоту о низложении и отлучении от церкви константинопольского патриарха Михаила и раскол церкви на католическую и православную оформился бесповоротно.
Какое же знамение явил христианам Создатель? 4 июля 1054 года на земном небе зажглась очень яркая звезда (сверхновая SN1054). Видимая невооруженным глазом даже в дневное время на протяжении 3-х недель. Современники отмечали, что на ночном небе она была примерно раз в 5 ярче Венеры. На месте этой звезды сейчас видна Крабовидная туманность. Расстояние до нее примерно 6500 световых лет. А центре этой туманности находится нейтронная звезда, комплексный снимок окрестностей которой (синий цвет - радиоизлучение, красный - излучение в оптическом диапазоне) таков:
3. Параметры и эволюция нейтронных звезд.
Диапазон масс большинства известных НЗ лежит в интервале 1,3-2,1 Мsun. Известна одна НЗ с массой ≈ 2,17 Мsun. Состояние вещества внутри нейтронной звезды принято называть вырожденным нейтронным ферми-газом. Определение это идентично похожему на него определению вырожденный электронный ферми-газ для белых карликов. Но если сделать оценки, аналогичные оценкам в заметке о белых карликах, то мы увидим, что вещество предельно массивных нейтронных звезд представляет собой плотную жидкость из практически релятивистских нейтронов.
Есть две НЗ с довольно точно измеренными радиусами и массами (R1 = 12,7км, M1 = 1,3Msun; R2 = 13,0км, M2 = 1,4Msun). Средняя плотность вещества в них практически одинакова: ρ ≈ ρяд ~ 3×1014 г/см3 ≈ 3×108 тонн/см3. Как раз такая плотность вещества характерна для ядер атомов с большими атомными номерами в таблице Менделеева.
Оценим теперь размер известной из наблюдений НЗ максимальной массы. При этой плотности радиус НЗ с массой 2,17 Мsun. оказался бы равным RНЗмакс ≈ 15 км. Но плотность вещества внутри нейтрона примерно вдвое больше (мысленно сожмите шарики-нейтроны в кубики): ρнз ~ 6×1014 г/см3. И если считать, что в нейтронных звездах максимальной массы плотность вещества близка к этой величине, то радиус НЗ максимально известной массы: RНЗмакс ≈ 12 км. Обе эти оценки не противоречат данным наблюдений. И обе заметно превышают гравитационный радиус (радиус горизонта событий) для массы в 2,17 Мsun, который равен 6,4 километра (гравитационный радиус пропорционален массе объекта и для солнечной массы равен 2,95 км).
Магнитное поле нейтронных звезд по напряженности достигает 1012 ÷ 1013 Гаусс (у Земли ~ 0,5 Гаусс). Это поле генерируется и поддерживается токами в поверхностной корке НЗ толщиной не более одного километра. Вещество этой корки из-за недостаточно высокого давления в ней похоже на вещество белого карлика.
Как и всякая мумия, нейтронная звезда не имеет внутренних источников энергии. И потому со временем остывает. У большинства открытых НЗ температура поверхности лежит в пределах 105 ÷ 106 градусов Кельвина.
Наблюдения показывают, что самые легкие белые карлики (БК) имеют массу М ≈ 0,5 Msun, а самый массивный М ≈ 1,33 Msun. Причем диаметр самого легкого БК примерно в полтора раза больше земного (~ 18000 км), а диаметр самого массивного кратно меньше (~ 5000 км), что не больше диаметра Меркурия. При этом вещество самого массивного из наблюдаемых БК представляет собой субрелятивистскую электронную жидкость, к которой плавают ядра гелия и других элементов таблицы Менделеева. И средняя плотность ρ вещества в этом БК ρ ≈ 40 тонн/см3. Все это намекает на наличие верхнего предела масс БК.
Такой предел в М ≈ 1,4 Msun был вычислен Чандрасекхаром еще в первой половине прошлого века. При больших массах остатка (ядра) звезды согласно Чандрасекхару должен происходить коллапс этого остатка в некое новое состояние. Ибо гравитация неумолима.
Каково же это состояние и во что превращаются мумии звезд с первоначальной массой большей чем 8-10 Msun?
1. Процессы образования и открытие нейтронных звезд.
Равновесие остатка звезды с массой близкой к пределу Чандрасекхара снизу обеспечивается балансом сил гравитации и давления электронной жидкости из почти релятивистских электронов. Но у звезд с первоначальной массой больше 8-10 Msun после сброса большей части их массы в процессе взрыва сверхновой масса остатка (ядра) обычно превышает Чандрасекхаровский предел. В таких остатках давления электронной жидкости для обеспечения равновесия оказывается уже недостаточно.
Гравитация сжимает этот остаток и какую-то часть электронов захватывают протоны (с излучением электронных антинейтрино). Которые превращаются в результате такого захвата в нейтроны. В результате давление в электронной жидкости падает, сжатие остатка звезды прогрессирует и идет лавинообразный процесс превращения пар протонов и электронов в нейтроны.
В результате такого процесса образуется объект, состоящий практически полностью из нейтронов, и потому называемый нейтронной звездой (НЗ). Таких звезд уже открыто более 2,5 тысяч. Общее же число нейтронных звезд в нашей Галактике оценивается до миллиарда штук.
Закон сохранения момента импульса при сжатии остатка звезды в нейтронную звезду приводит к тому, что период обращения НЗ вокруг своей оси оказывается чрезвычайно малым. В большинстве известных НЗ он укладывается в интервал 1-30 миллисекунд. Хотя встречаются НЗ и с близким к секундному периоду вращения.
Нейтронные звезды чаще обнаруживаются по излучению со своих магнитных полюсов, светящих в радиодиапазоне или других диапазонах как фонарик, ось которого не совпадает с осью его вращения. Быстрое вращение таких источников излучения привело к присвоению им названия пульсаров. Открыла первый пульсар и, тем самым, первую НЗ аспирантка Джоселин Белл в 1967 году, шеф которой за это открытие через 7 лет получил Нобелевскую премию.
2. Немного из истории христианства.
В начале 1054 года папа Лев IX послал в Константинополь большую делегацию во главе с кардиналом Гумбертом решать с патриархом Михаилом Керуларием важнейшую геополитическую проблему того времени - единства христианской церкви. Несколько месяцев шли переговоры. И, вроде бы, уже начали договариваться. Но 4 июля Создатель явил великое знамение, переговоры были прерваны, Гумберт возложил на престол храма Святой Софии папскую грамоту о низложении и отлучении от церкви константинопольского патриарха Михаила и раскол церкви на католическую и православную оформился бесповоротно.
Какое же знамение явил христианам Создатель? 4 июля 1054 года на земном небе зажглась очень яркая звезда (сверхновая SN1054). Видимая невооруженным глазом даже в дневное время на протяжении 3-х недель. Современники отмечали, что на ночном небе она была примерно раз в 5 ярче Венеры. На месте этой звезды сейчас видна Крабовидная туманность. Расстояние до нее примерно 6500 световых лет. А центре этой туманности находится нейтронная звезда, комплексный снимок окрестностей которой (синий цвет - радиоизлучение, красный - излучение в оптическом диапазоне) таков:
3. Параметры и эволюция нейтронных звезд.
Диапазон масс большинства известных НЗ лежит в интервале 1,3-2,1 Мsun. Известна одна НЗ с массой ≈ 2,17 Мsun. Состояние вещества внутри нейтронной звезды принято называть вырожденным нейтронным ферми-газом. Определение это идентично похожему на него определению вырожденный электронный ферми-газ для белых карликов. Но если сделать оценки, аналогичные оценкам в заметке о белых карликах, то мы увидим, что вещество предельно массивных нейтронных звезд представляет собой плотную жидкость из практически релятивистских нейтронов.
Есть две НЗ с довольно точно измеренными радиусами и массами (R1 = 12,7км, M1 = 1,3Msun; R2 = 13,0км, M2 = 1,4Msun). Средняя плотность вещества в них практически одинакова: ρ ≈ ρяд ~ 3×1014 г/см3 ≈ 3×108 тонн/см3. Как раз такая плотность вещества характерна для ядер атомов с большими атомными номерами в таблице Менделеева.
Оценим теперь размер известной из наблюдений НЗ максимальной массы. При этой плотности радиус НЗ с массой 2,17 Мsun. оказался бы равным RНЗмакс ≈ 15 км. Но плотность вещества внутри нейтрона примерно вдвое больше (мысленно сожмите шарики-нейтроны в кубики): ρнз ~ 6×1014 г/см3. И если считать, что в нейтронных звездах максимальной массы плотность вещества близка к этой величине, то радиус НЗ максимально известной массы: RНЗмакс ≈ 12 км. Обе эти оценки не противоречат данным наблюдений. И обе заметно превышают гравитационный радиус (радиус горизонта событий) для массы в 2,17 Мsun, который равен 6,4 километра (гравитационный радиус пропорционален массе объекта и для солнечной массы равен 2,95 км).
Магнитное поле нейтронных звезд по напряженности достигает 1012 ÷ 1013 Гаусс (у Земли ~ 0,5 Гаусс). Это поле генерируется и поддерживается токами в поверхностной корке НЗ толщиной не более одного километра. Вещество этой корки из-за недостаточно высокого давления в ней похоже на вещество белого карлика.
Как и всякая мумия, нейтронная звезда не имеет внутренних источников энергии. И потому со временем остывает. У большинства открытых НЗ температура поверхности лежит в пределах 105 ÷ 106 градусов Кельвина.