Сторінка
1

Нейтронні зорі

Зорі складаються з сильно нагрітого іонізованого газу, стиснутого спільним гравітаційним притяжінням. При заглибленні в надра зорі тиск, густина і температура газу зростають (у центрі зорі температура досягає 15-20 млн. градусів). Джерелом енергії є ядерні реакції перетворення легень хімічних елементів на важчі (в основному водню на гелій). Температуру зовнішніх шарів зорі визначають за їх кольором: червоні зорі мають 2000 – 3000 0 С, жовті – 6000 -7000 0 С, білі – 12000 0 С, голубі – 25000 0 С. Основні типи зір за розміром – гіганти і карлики. До останніх належить і наше Сонце.

Існує багато зір з різними особливостями. Це подвійні зорі (смороду обертаються навколо спільного центра маси), нейтронні та змінні (перебувають у нестаціонарному стані). Нейтронні зорі – це надгусті зорі, речовина яких складається в основному з виродженого газу нейтронів з невеликою домішкою інших елементарних частинок. Маса нейтронної зорі близька до маси Сонця. Смороду є кінцевими стадіями еволюції зір з масами до двох мас Сонця й утворюються після спалахів наднових зір. Нейтронні зорі виявляють собі як пульсари, а також як барстери – зорі з потужним випромінюванням енергії в рентгенівському діапазоні, що спалахують з величезною енергією.

До моменту відкриття пульсарів було уже відомо, що кінцевим продуктом еволюції зірок є компактні масивні об'єкти, щільність яких у багато разів більше, ніж у звичайних зірок.

Після того як зірка вичерпає свої джерела енергії, вона починає остигати і стискуватися. При цьому фізичні властивості газу кардинально міняються, так що його тиск сильний зростає. Якщо маса зірки невелика, то сили гравітації порівняно слабкий і стиск зірки (гравітаційний колапс) припиняється. Вона переходить у стійкий стан білого карлика. Але якщо маса перевищує деяке критичне значення, стиск продовжується. При дуже високій щільності електрони, з'єднуючись із протонами, утворять нейтральні частки - нейтрони. Незабаром уже майже вся зірка складається з одних нейтронів, що настільки тісно притиснутий друг до друга, що величезна зоряна маса зосереджується в дуже невеликій кулі радіусом кілька кілометрів і стиск зупиняється. Щільність цієї кулі - нейтронної зірки - дивовижно велика навіть у порівнянні з щільністю білих карликів: вона може перевищувати 10 млн т/см?.

Існування нейтронних зірок пророчив ще в 1932 р. радянський фізик Лев Давидович Ландау, а в 1934 р. працювали в США Вальтер Бааде і Фриц Цвикки припустили, що ці зірки є залишками вибухів сверхнових. Природно, після того як виявився зв'язок пульсарів із залишками спалахів сверхнових, було висловлене думка, що пульсари і нейтронні зірки - це ті самі об'єкти.

Яким же образом пульсари випромінюють електромагнітні хвилі? При стиску зірки збільшується не тільки її щільність. Відповідно до закону збереження моменту кількості руху, зі зменшенням радіуса зірки росте швидкість її обертання. При колапсі величезної масивної зірки до розмірів порядку декількох десятків кілометрів період обертання зменшується до сотих і навіть тисячних часток секунди, тобто до характерних періодів змінності пульсарів. Крім цього сильно ущільнюється і магнітне поле зірки.

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 околозвездное 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 точно: 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 дало можливість з великою точністю вимірити період обертання Землі. Змінюючись при проходженні через міжзоряний газ, випромінювання пульсарів несе важливу інформацію про сполуку і фізичні властивості міжзоряного середовища.

Після відкриття пульсара в Крабовидної туманності стало ясно, що пульсари якимсь образом 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 указує на вибух, що раніше відбувся, зверхнової. Цей вибух, цілком ймовірно, відбувся дуже давно, задовго до аналогічної події в Крабовидної туманності. У сузір'ї Вітрила газові маси, що розлітаються, виглядають уже не як компактну пляму, а як окремі нитки , що мають велику довжину. Період цього пульсара на 0,09 секунди більше періоду пульсара в Крабовидної туманності. Це третій з найшвидших відомих пульсарів. Із самого початку вівся пошук цього об'єкта у видимій області спектра. Але успіху удалося домогтися лише в 1977 р. Відзначимо, що поряд з цими 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 Крабовидной 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 ні являли собою пульсари, вони виникають у результаті вибуху зверхнової. Спочатку період пульсара малий - ще менше, ніж у пульсара в Крабовидной 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 в 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 хмара-останки зверхнових. Більш старі пульсари давно вже розтратили свою здатність випромінювати у видимій області.