Чем опасна нейтронная звезда
Роман Авдеев и астрофизик Попов объяснили загадки нейтронных звезд
Доктор физико-математических наук, профессор РАН Сергей Попов Сергей Попов принял участие в прямом эфире проекта ПостНауки. Вместе с соучредителем ПостНауки Романом Авдеевым и исследователем Ильей Гридневым они постарались простым языком рассказать пользователям Сети о формировании нейтронных звёзд, о том, чем похожи нейтронные звёзды и чёрные дыры и откуда появились гигантские магнитное поле и плотность.
Нейтронные звезды — это компактные объекты. Существуют берлые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. И нейронные звезды, как и другие компактные объекты — это остатки звездной эволюции. На финальной стадии жизни звезды ядро звезды сжимается, и если этот процесс не остановится, то получается черная дыра, если остановится — нейтронная звезда.
Почему нейтронные звезды привлекают к себе столько внимания?
У нейтральных звезд есть множество экстремальных свойств. И эти свойства приводят к тому, что начинают происходить процессы в экстремальных условиях: сверхсильная гравитация, сверхсильные магнитные поля, сверхвысокая плотность вещества. Если мы хотим изучать электродинамику в сильных полях, квантовую хромодинамику, теорию гравитацию при больших значениях потенциала, то нам нужны объекты типа нейтронных звезд, — рассказал Сергей Попов.
Нейтронные звезды позволяют узнавать что-то новое о разных областях физики, их можно сравнить с отобранными группами людей, поведение которых изучают социалоги.
«Или, например, Шерлок Холмс изучал определенных людей и по изменению в их поведении мог предположить, что в Лондоне что-то происходит. Вот поэтому за нейтронными звездами наблюдать интересно, они позволяют узнавать что-то новое о совершенно разных областях физики», — объяснил доктор физико-математических наук.
Открытие первой нейтронной звезды
В известной книге про компактные объекты «Нейтронные звезды, белые карлики и черные дыры» воспроизведен рассказ-воспоминание физика о том, как были предсказаны нейтронные звезды. Согласно легенде произошло это в Копенгагегне. Главное действующее лицо — Ландау, 1932 год, уже были открыты нейтроны и известный физик предположил: «Значит могут быть звезды, состоящие только из этих частиц».
Но по-настоящему нейтронные звезды предсказали физики Бааде и Цвикки в 1934 году и объяснили, что они возникают при коллапсе ядер, вспышках сверхновых, состоят в основном из нейтронов. Но при этом понятно, что 10-километровый шарик (диаметр нейтронной звезды) на расстоянии нескольких тысяч световых лет увидеть трудно, поэтому никто не бросился их искать и открыли их совершенно случайно. На дворе был 1967 год, тогда еще аспирантка Джоселин Белл вместе с коллегами вела радионаблюдение и именно тогда были надежно идентифицированны нейтронные звезды.
Подлежат ли нейтронные звезды счету
Нельзя сказать с точностью даже до десятков, сколько всего открыто нейтронных звезд, за которыми сейчас могут наблюдать физики. Тем не менее, по словам Сергея Попова, ученые «надежно знают о трех тысячах источников с нейтронными звездами»:
В нашей галактике должно быть примерно около миллиарда нейтронных звезд. При этом обычных звезд в сто раз больше, нейтронные составляют 1 процент от звездной популяции. Мы не видим их, тк по большей части это старые одиночные объекты, которые ничем себя не проявляют: они остыли вспышки не происходят, вращаются медленно, и этот 10-километровый шарик увидеть также трудно как астероид такого же размера на расстоянии тысячи световых лет. Поэтому большую часть нетронных звезд мы никогда и не увидим. Но это нормально.
Как умирают нейтронные звезды
Для далекой нейтронной звезды основной враг — это процесс распад протонов. Фундаментальная физика гласит, что протоны должны распадаться, поэтому со временем частицы начнут распадаться и это будет плохо для нейтральных звезд. Она в итоге распадется как и все остальное. Но если протон все же не распадается, то скорее всего нейтронная звезда не распадается и она такой вечный объект. Она остынет, станет медленно вращающейся, но всегда будет летать 10-километровым холодным плотным шариком.
Можно ли приблизиться к нейтронной звезде, и чем это закончится (3 фото + видео)
Космос опасен для человека, ведь там совершенно нет кислорода, да и организм не приспособлен, в сущнос ти, к условиям. Одно из опаснейших явлений космоса — нейтронные звезды. Стоит отдать должное черным дырам: они на первом месте по опасности, но вот на втором стоят именно нейтронные звезды. И те и другие чрезвычайно плотные. Что же будет, если приблизиться к такому объекту?
Почему такая звезда опасна
Первым делом, прежде чем думать о результатах приближения, стоит осознать, чем вообще опасна такая звезда. Это не простое светило, а результат эволюции звезды, которую в науке называют гравитационным коллапсом. Звезды появляются, растут и затем, когда приходит время, умирают. Вот это и есть гравитационный коллапс. Почему умирают звезды? Со временем они становятся все ярче и увеличиваются, когда доходит до предела, просто взрываются и порождают нейтронную звезду.
По плотности нейтронная звезда уступает только черным дырам
Примечательность этих объектов в том, что по массе они сравнимы с солнечной, а вот радиус такой массе не соответствует и равен всего 10 или 20 км. У нейтронной звезды очень высокая плотность, и она очень быстро вращается, в секунду совершая несколько сотен оборотов. Если, к примеру, взять камень небольших размеров и обеспечить его плотностью вещества такой звезды, то его вес будет 100 млн тонн.
Когда звезда взорвалась, то, что осталось от нее, начинает сжиматься под воздействием сильной космической гравитации. По мере сжатия гравитация становится все больше, атомы прижимаются друг к другу все теснее. Такое их состояние ненормально: в обычном состоянии между атомами имеется расстояние. Но внутри нейтронной звезды аномальная гравитация, и это меняет дело. Постепенно электроны в буквальном смысле слова спрессовываются в ядра, это дает начало образованию нейтронов.
Что будет, если приблизиться
Внутри звезды гравитация сильнее земной в 200 млрд раз, а если говорить о магнитном поле, оно сильнее в несколько триллионов раз, чем на нашей планете! Даже приблизительно невозможно себе представить, что там творится, и теперь становится страшно только при мысли о приближении к нейтронной звезде. Кстати, вращается она сама тоже очень и очень быстро — до 700 оборотов в секунду.
Если неподалеку от нейтронной звезды появляется некое тело, у него совершенно отсутствуют шансы на спасение. Вблизи звезды оно начинает ускоряться с неимоверной скоростью, причем моментально. И скорость эта достигает 100 000 км/ч, таким образом, тело могло бы дважды обогнуть Землю за секунду. Это просто невероятно!
Мощнейшая гравитация нейтронной звезды превратит человека в поток атомов
Но все же ответить на вопрос нужно. Ни одно живое создание, в том числе астронавт в самом надежном защитном костюме, не сможет приблизиться к нейтронной звезде и остаться живым. Даже если он окажется на большом расстоянии от нее, то подвергнется воздействию огромной гравитации и за короткое время разгонится до скорости света. Но увидеть этого космонавт уже тоже не сможет, так как все эти силы превратят его в поток атомов, движущихся по направлению к нейтронной звезде.
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.