Нейтронні зорі

Нейтронна зоря — зоря на завершальному етапі своєї еволюції, що не має внутрішніх джерел енергії та складається переважно з нейтронів, які перебувають у стані виродженого фермі-газу, із невеликою домішкою інших частинок. Густина такого об'єкта, згідно з сучасними астрофізичними теоріями, сумірна з густиною атомного ядра[1].

Нейтронні зорі — одні з небагатьох астрономічних об'єктів, які спочатку було теоретично передбачено, а потім уже відкрито експериментально. 1932 року Ландау припустив існування надгустих зір, рівновага яких підтримується ядерними силами. А 1934 року астрономи Вальтер Бааде й Фріц Цвіккі назвали їх нейтронними зорями й пов'язали з вибухами наднових. Перше загальновизнане спостереження нейтронної зорі відбулося 1968 року, коли були відкрито пульсари.

Відкриття нейтронних зір

Нейтронні зорі були відкриті на „кінчику пера” теоретиками за третину століття до того, як їх реально виявили астрономи. Причина такого спізнення цілком зрозуміла, бо їх дуже важко виявити. Якщо розмір космічного тіла лише 10 км, то навіть при відстані 10 світлових років його не можна виявити могутнім телескопом.

Пульсари виявлені англійськими радіоастрономами в 1967 році, і являються швидкообертаючими нейтронними зорями, що мають сильне магнітне поле. Всі відомі радіопульсари відкриті в 1974 році. Вони є самостійними об’єктами.

Зараз відомо більше сотні пульсарів. Вони спостерігаються як джерела імпульсного космічного радіовипромінювання.

Вже самі першовідкривачі (Хьюіш та інші) виявили, що пульсари можливо є нейтронними зорями. Тільки компактні нейтронні зорі можуть обертатися так швидко. На поверхні пульсара повинна бути активна область, що генерує електромагнітні хвилі з вузькою діаграмою направленості. При обертанні нейтронна зірка перетинає конусом з певним періодом спостерігача. Механізм випромінювання пов’язаний з тим, що вісь обертання і магнітне поле не співпадають. 

Еволюція нейтронних зір

Ежектуючий пульсар. Перший час після свого утворення нейтронна зірка в подвійній системі проявляє себе як молодий самостійний пульсар. Вона ефективно прискорює космічні промені; при цьому тиск низькочастотного електромагнітного випромінювання і космічних променів виштовхує речовину далеко за межі системи і може навіть викликати додатковий витік речовини з зірки. Період такої зірки згодом уповільнюється. Це призводить до інтенсивного зменшення випромінювання зірки і речовина сусідньої зірки вже не так ефективно відчуває виштовхувальну дію пульсара. Поступово газ з сусідньої компоненти починає заповнювати подвійну систему. При великій густині цієї речовини радіовипромінювання пульсара в ньому поглинається. В результаті цього, нейтронна зірка „пропадає” як радіопульсар. Для відомих подвійних систем при типових параметрах зіркового вітру (густина речовини зіркового вітру на орбіті нейтронної зорі порядку 108 - 1010 частинок в 1 см3 і швидкість порядку сотень кілометрів) це відбувається, коли період обертання нейтронної зірки зменшується до величини порядку 0,05 – 0,1 с. Не дивлячись на відсутність спостерігаємих імпульсів радіовипромінювання, нейтронна зірка продовжує прискорювати частинки до тих пір, поки тиск низькочастотного радіовипромінювання і зіркового вітру не зрівняються на відстані від пульсара порядку R ~ Gm/v2 (m – маса нейтронної зірки, v – швидкість зіркового вітру), де починається ефективна дія гравітації нейтронної зірки. Оцінки показують, що для цього нейтронна зірка повинна зменшити свій період до 0,3 – 1 с. Після цього частина зоряного вітру проникає всередину світлового циліндра і подавляє активність пульсара. Фаза ежектуючого пульсара залежить від величини зіркового вітру, магнітного поля і може тривати 104- 108 років.

Пропелер. В перші моменти після проникнення в середину світлового циліндра речовина не може досягти поверхні нейтронної зірки через дію її магнітного поля. Речовина скидає швидкість під дією магнітного поля на відстані, де кінетична енергія падаючої речовини і густина магнітного поля стають однаковими. Поле обертається разом із зіркою і діє на падаючу речовину як пропелер. Сила буде відкидати цю речовину від зірки. Речовина стикається з новими порціями падаючої речовини, передає енергію. Завдяки цьому виникає складна система вихрового руху. На стадії пропелера нейтронна зірка продовжує уповільнюватися. Згодом речовина падає на зірку в області магнітних полюсів. Починається остання фаза нейтронної зірки.

Акреційний рентгенівський пульсар. При типових параметрах нейтронна зірка запалає як рентгенівський пульсар. Це відбудеться, коли період зменшиться до 1 – 10 с. Падіння речовини на поверхню зірки призводить до появи ударної хвилі і виділення гравітаційної енергії в гарячих „плямах” в області магнітних полюсів. Ця енергія випромінюється в рентгенівському діапазоні. Нейтронна зірка подібна до космічного маяка. Рентгенівський потік може покидати зірку як вздовж магнітних силових ліній або в перпендикулярному напрямі.

Цікавий феномен повинен спостерігатися, якщо нейтронна зірка весь час знаходиться в малогустому зірковому вітрі, але час від часу його густина збільшується. Тоді нейтронна зоря буде спостерігатися як рентгенівське пульсуюче джерело, період якого – сотні секунд.

Випромінювання нейтронних зір

На поверхні нейтронної зірки, де немає такого великого тиску, нейтрони можуть знову розпадатися на протони й електрони. Сильне магнітне поле розганяє легкі електрони до швидкостей, близьких до швидкості світла, і викидає їх в космічний простір. Заряджені частки рухаються тільки уздовж магнітних силових ліній, тому електрони залишають зірку саме від її магнітних полюсів, де силові лінії виходять назовні. Переміщаючи уздовж силових ліній, електрони випускають випромінювання в напрямку свого руху. Це випромінювання являє собою два вузьких пучки електромагнітних хвиль. Якщо магнітна вісь зірки (так само, як і Землі) не збігається з віссю обертання, то пучки випромінювання будуть обертатися з періодом, рівним періоду обертання зірки. Ми спостерігаємо це випромінювання в тому випадку, коли, описуючи окружність у просторі, промені пробігають по земній поверхні. Так що назва «пульсари» не зовсім точна: вони не пульсують, а обертаються.

В зовнішньому шарі нейтронної зірки відбуваються й інші незвичайні явища. Там, де густина речовини ще недостатньо велика для руйнування ядер, вони можуть утворювати тверду кристалічну структуру. І зірка покривається твердою кіркою, подібній до земної кори, але тільки в неуявне число раз щільніше. При уповільненні обертання пульсара в цій твердій кірці створюються напруги. Після того як вони досягнуть визначеної величини, кірка починає розколюватися. Це явище називається зіркотрясінням за аналогією з земними тектонічними процесами. Можливо, під такими зіркотрясіннями розуміються  стрибкоподібні зміни періодів деяких пульсарів.

Поки невідомо, чи є спалахи зверхнових єдиним джерелом утворення нейтронних зірок, чи вони можуть виникати й у результаті більш спокійних процесів.

Відкриття пульсарів мало велике значення не тільки для астрономії. Воно послужило стимулом для розвитку багатьох галузей фізики. Вивчення пульсарів дозволяє досліджувати властивості могутніх гравітаційних і магнітних полів, зовсім недоступних у земних умовах. Висока сталість періодів пульсарів дала можливість з великою точністю виміряти період обертання Землі. Змінюючись при проходженні через міжзоряний газ, випромінювання пульсарів несе важливу інформацію про сполуку і фізичні властивості міжзоряного середовища.

Після відкриття пульсара Крабовидної туманності стало ясно, що пульсари якимсь чином зв'язані з вибухами зверхнових. Очевидно, сигнали пульсара йдуть від того об'єкта, що залишається на місці вибуху зверхнової. Це припущення підтверджується й іншим пульсаром, випромінювання якого виходить з області, де наявність газових мас вказує на вибух, що раніше відбувся, зверхнової. Цей вибух, цілком ймовірно, відбувся дуже давно, задовго до аналогічної події Крабовидної туманності. У сузір'ї Вітрила газові маси, що розлітаються, виглядають уже не як компактна пляма, а як окремі нитки, що мають велику довжину. Період цього пульсара на 0,09 секунди більше періоду пульсара Крабовидної туманності. Це третій з відомих пульсарів. Із самого початку вівся пошук цього об'єкта у видимій області спектра. Але успіху удалося досягти лише в 1977 р. Відзначимо, що поряд з дванадцятьма вченими, що працюють в Англії й Австралії, у попередні вісім років багато астрономів на кращих телескопах світу займалися пошуками видимої зірки, що мигає в тім же ритмі, що і пульсар у сузір'ї Вітрила. Так що стає ясно, як масштабному всесвітньому пильнуванню був оголошений відбій цією заміткою. Між іншим, Майкл Дісней, що брав участь у відкритті оптичного пульсара в Крабовидній туманності, входив і в цю групу вчених. У всіх інших пульсарів немає і сліду випромінювання у видимій області. Це наводить на наступну думку. Що б не являли собою пульсари, вони виникають у результаті вибуху зверхнової. Спочатку період пульсара малий - ще менше, ніж у пульсара в Крабовидній туманності. Такий пульсар випромінює не тільки в радіодіапазоні, але й у видимій області спектра. З часом частота імпульсів зменшується. Не більш ніж за тисячу років період пульсара стає рівним періоду пульсара Крабовидної туманності, а потім досягає і періоду пульсара в сузір'ї Вітрила. Поряд зі збільшенням періоду слабшає й інтенсивність випромінювання у видимій області. Коли період пульсара перевищує одну секунду, його оптичне випромінювання давно вже зникло, і його вдається знайти лише по імпульсах у радіодіапазоні. Тому з видимими джерелами ототожнені лише два пульсари із самими короткими періодами. Вони відносяться до наймолодших пульсарів, і навколо них удається навіть розрізнити газові хмари-останки зверхнових. Більш старі пульсари давно вже розтратили свою здатність випромінювати у видимій області.

Але що ж таке пульсари? Що залишається, коли життя зірки закінчується гігантським вибухом?    Ми вже знаємо, що просторова область, з якої виходить випромінювання пульсара, повинна бути дуже малої. Які ж процеси можуть відбуватися в настільки малій області так швидко і з такою регулярністю, щоб можна було залучити їх до пояснення феномена пульсара? Може бути, це зірки, що, подібно Цефеїдам, періодично роздуваються і знову стискуються? Але в такому випадку густина зоряної речовини повинна бути дуже високою, тому що лише тоді період осцилляції може бути досить малим (згадаємо, що період зміни блиску Цефеїд складає кілька діб). Нас же цікавлять об'єкти, що здатні осцилювати з періодом у соті частки секунди. Навіть самі щільні з відомих нам зірок, білі карлики, нездатні робити настільки швидкі коливання. Виникає питання: чи можуть зірки мати ще більш високу щільність, зірки, що залишають по щільності далеко позаду білі карлики з їх тоннами на кубічний сантиметр? Перші розуміння на цей рахунок висловили один радянський фізик і два астрономи з Пасадени задовго до виявлення пульсарів. Лев Ландау (1908-1968) у 1932 р. довів, що речовина з ще більш високою щільністю може знаходитися в рівновазі з гравітаційними силами. Тоді ж у Пасадене на найбільшому по тим часам телескопі у світі працював виходець з Німеччини Вальтер Бааде. Він був, безсумнівно, одним із кращих астрономів-спостерігачів нашого сторіччя. Там же працював і швейцарець Фріц Цвиікі, людина настільки ж напориста, як і невичерпна на вигадки. Ще в 1934 р. ці два вчених стверджували, що можуть існувати зірки з винятково високою щільністю - як пророкував і Ландау,- зірки, що складаються майже цілком з одних нейтронів. У 1939 р. фізики Роберт Оппенгеймер і Джордж Волков помістили в американському фізичному журналі статті про нейтронні зірки. Ім'я одного з авторів цієї статті стало відоме в усьому світі задовго до того, як астрономи всерйоз зайнялися нейтронними зірками: Оппенгеймер зіграв провідну роль у створенні американської атомної бомби.

Оппенгеймер і Волков довели, що зоряна речовина, у якій електрони і протони з'єдналися в нейтрони, може утримуватися у вигляді кулі власними гравітаційними силами. Знаючи властивості нейтронної речовини, можна здійснити теоретичний розрахунок нейтронних зірок. Аналіз математичної моделі нейтронної зірки показує, що щільність її повинна бути дуже велика, маса рівна сонячній, укладена в об’ємі кулі з поперечником 30 км, у кубічному сантиметрі містяться мільярди тонн нейтронної матерії. Але нейтронні зірки, якщо змусити їх осцилювати, будуть робити це набагато швидше, ніж пульсари. Тому як пояснення періоду пульсарів об'ємна осцилляція нейтронних зірок не підходить.