Нейтронные звезды
Nov. 4th, 2017 02:24 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
atandakil_gunzeИзвестно, что жизнь звезды и судьба определяется в основном ее массой. Подавляющее большинство звезд имеют малую массу (от 1,4 солнечной и ниже), живут долго (чем меньше масса, тем дольше живут) и заканчивают существование сравнительно тихо - вначале, когда водород в центре звезды заканчивается, начинают расти в размерах и превращаются в красные гиганты, потом внешние слои звезды улетучиваются в пространство, а внутренняя часть сжимается и начинает постепенно остывать ("белый карлик") и остывает миллиарды лет, пока не превращается в плотный и практически ненаблюдаемый объект.
Если же масса звезды превосходит 1,4 массы Солнца, но недостаточна, чтобы после гибели превратиться в черную дыру, конец жизни звезды протекает бурно - гравитационные силы в центральной части такой звезды слишком велики, чтобы упругость материала могла им противостоять, электронные оболочки атомов разрушаются, и после бурного взрыва центральная часть превращается в нейтронную звезду.
Нейтронная звезда - объект, имеющий совершенно непредставимую конфигурацию. Ее масса превосходит массу Солнца - а диаметр равен десяти-двадцати-тридцати километрам. В результате они обладают колоссальной плотностью - как любят (и справедливо) говорить, чайная ложка нейтронной звезды весит более миллиарда тонн...
Нейтронные звезды имеют еще одно интересное свойство. Поскольку магнитное поле звезды при коллапсе никуда не девается, оно оказывается сосредоточенным в малом объеме вокруг нейтронной звезды, в результате чего оно превосходит магнитное поле, например, Земли в триллионы раз. У нейтронных звезд с особенно мощным магнитным полем (магнетаров) оно может превосходить земное и в квадриллион раз, так что у магнитных полюсов магнетара могут наблюдаться феноменальные явления, связанные с тем, что в таком поле энергия взаимодействия с ним электрона превосходит массу самого электрона. Пустое пространство у полюса магнетара имеет плотность (связанную с массой самого магнитного поля) побольше, чем у вполне осязаемых материалов.
Еще они быстро вращаются. Момент импульса первоначальной звезды тоже никуда не пропал, а диаметр снизился, так что скорость вращения увеличилась. Самые быстрые нейтронные звезды вращаются со скоростями порядка 600-700 оборотов в секунду. Представьте себе шар диаметром двадцать километров, который вращается с такой скоростью...
Правда, излучая, нейтронная звезда в результате взаимодействия своего магнитного поля с излучением теряет вращательный момент, и ее скорость вращения медленно снижается.
Но что самое интересное - в остальном своей структурой нейтронные звезды вполне напоминают нашу Землю :)
Дело в том, что нейтронная звезда состоит из следующих слоев (начиная изнутри):
1. Ядро - скорее всего, твердое и состоит не из привычных частиц (протонов и нейтронов), а из их составных частей (кварков и глюонов), образующих особый сверхплотный конгломерат (нечто вроде чудовищной элементарной частицы).
2. Внешняя часть ядра - аналог земной мантии. Сверхтекучая (вот тут и есть отличие!) и сверхпроводящая нейтронная жидкость, смешанная с сверхпроводящей протонной жидкостью и раствором электронного газа.
3. Внутренняя кора толщиной до 1 км. Она является твердой и состоит из ядер атомов, между которыми свободно движутся нейтроны. Ее плотность уже пониже и превышает плотность, скажем, железа, примерно в 500 миллиардов раз...
4. Внешняя кора толщиной 200-300 метров. Она по составу напоминает сильно сжатую кристаллическую решетку металлов, почти все электроны могут свободно перемещаться от атома к атому. Твердая корка внешних слоев нейтронной звезды состоит из тяжёлых атомных ядер, упорядоченных в кубическую решетку, с электронами, свободно летающими между ними, чем напоминает земные металлы, но только намного более плотные (кубический сантиметр вещества внешней коры весит примерно тонну).
Интересно то, что внешняя кора нейтронной звезды составлена не из однородной кристаллической массы, а из кристаллических плит, что очень напоминает земную кору. А чтобы сходство было ближе, нужно упомянуть, что на нейтронных звездах могут происходить "землетрясения". Зафиксированы случаи внезапного ускорения их вращения, связанного с тем, что после землетрясения диаметр нейтронной звезды уменьшался (на сантиметры).
5. Атмосфера. Она состоит из сильно ионизированной высокотемпературной плазмы, простирающейся на сотни километров над поверхностью. Именно в ней зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных - излучение на высоких частотах. И что еще интереснее - на поверхности нейтронных звезд есть не только атмосфера, но и погода, связанная с ее состоянием.
В общем, похоже... :)
Если нейтронная звезда образовалась из быстро вращающейся и очень крупной звезды, то в силу некоторых особенностей процесса своего образования, в первые несколько секунд после взрыва сверхновой во все еще сверхгорячей юной нейтронной звезде создается очень сильное магнитное поле, что определяется конвективными процессами в ней. Потом она "остывает" (до миллионов градусов) - но в ней прекращается конвекция и "бурление слоев", и поле остается "вмороженным" в звезду, которая, я напомню, в значительной своей части - не просто проводник, а сверхпроводник.
В результате магнитное поле такой звезды может оказаться в тысячи раз более сильным, чем у "простой" нейтронной звезды (а напомню, у обычных нейтронных звезд оно и так является колоссальным). Именно такие нейтронные звезды с особенно мощным магнитным полем именуются, как сказано выше, магнетарами. Их магнитные поля могут превосходить магнитное поле Земли в квадриллион раз и, похоже, быть мощнейшими во Вселенной...
И вот тут подчас начинаются чудеса. Такое магнитное поле вращающегося (и быстро - несколько десятков и сотен оборотов в секунду при диаметре в два десятка километров!) объекта оказывается неустойчивым, да еще при этом воздействует на кору магнетара с колоссальной силой. В какой-то момент может происходить "опрокидывание" поля, сопровождающееся мощнейшим всплеском энергии. В результате в пространство выбрасывается огромное количество гамма-лучей, которые, в принципе, могут угрожать жизни на расстояниях в десятки световых лет, а наблюдаются - в тысячах...
Энергия вспышки за несколько секунд может превзойти излучение Солнца за тысячелетие...
После этого эксцесса такой магнетар успокаивается и до поры до времени ведет себя более или менее вменяемо. А потом происходит новая гамма-вспышка...
Именно за эту неприятную особенность периодически, раз в несколько месяцев или лет выбрасывать в окружающее пространство мощные взрывообразные потоки гамма-лучей, подобные объекты назвали мягкими гамма-репитерами (мягкими - потому что длина волны гамма-лучей не слишком мала).
Бурная жизнь гамма-репитеров длится не слишком долго. При каждой вспышке они теряют энергию, заодно иногда теряя заодно целые куски коры, образующие вокруг них кольца пыли, их магнитное поле ослабляется, и через несколько тысяч или десятков тысяч лет оно становится недостаточным для генерирования дальнейших гамма-вспышек. Мягкий гамма-репитер становится "обычным" магнетаром, а позже - обычной нейтронной звездой.
О возможном механизме формирования магнетаров - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/216311.html
Если же масса звезды превосходит 1,4 массы Солнца, но недостаточна, чтобы после гибели превратиться в черную дыру, конец жизни звезды протекает бурно - гравитационные силы в центральной части такой звезды слишком велики, чтобы упругость материала могла им противостоять, электронные оболочки атомов разрушаются, и после бурного взрыва центральная часть превращается в нейтронную звезду.
Нейтронная звезда - объект, имеющий совершенно непредставимую конфигурацию. Ее масса превосходит массу Солнца - а диаметр равен десяти-двадцати-тридцати километрам. В результате они обладают колоссальной плотностью - как любят (и справедливо) говорить, чайная ложка нейтронной звезды весит более миллиарда тонн...
Нейтронные звезды имеют еще одно интересное свойство. Поскольку магнитное поле звезды при коллапсе никуда не девается, оно оказывается сосредоточенным в малом объеме вокруг нейтронной звезды, в результате чего оно превосходит магнитное поле, например, Земли в триллионы раз. У нейтронных звезд с особенно мощным магнитным полем (магнетаров) оно может превосходить земное и в квадриллион раз, так что у магнитных полюсов магнетара могут наблюдаться феноменальные явления, связанные с тем, что в таком поле энергия взаимодействия с ним электрона превосходит массу самого электрона. Пустое пространство у полюса магнетара имеет плотность (связанную с массой самого магнитного поля) побольше, чем у вполне осязаемых материалов.
Еще они быстро вращаются. Момент импульса первоначальной звезды тоже никуда не пропал, а диаметр снизился, так что скорость вращения увеличилась. Самые быстрые нейтронные звезды вращаются со скоростями порядка 600-700 оборотов в секунду. Представьте себе шар диаметром двадцать километров, который вращается с такой скоростью...
Правда, излучая, нейтронная звезда в результате взаимодействия своего магнитного поля с излучением теряет вращательный момент, и ее скорость вращения медленно снижается.
Но что самое интересное - в остальном своей структурой нейтронные звезды вполне напоминают нашу Землю :)
Дело в том, что нейтронная звезда состоит из следующих слоев (начиная изнутри):
1. Ядро - скорее всего, твердое и состоит не из привычных частиц (протонов и нейтронов), а из их составных частей (кварков и глюонов), образующих особый сверхплотный конгломерат (нечто вроде чудовищной элементарной частицы).
2. Внешняя часть ядра - аналог земной мантии. Сверхтекучая (вот тут и есть отличие!) и сверхпроводящая нейтронная жидкость, смешанная с сверхпроводящей протонной жидкостью и раствором электронного газа.
3. Внутренняя кора толщиной до 1 км. Она является твердой и состоит из ядер атомов, между которыми свободно движутся нейтроны. Ее плотность уже пониже и превышает плотность, скажем, железа, примерно в 500 миллиардов раз...
4. Внешняя кора толщиной 200-300 метров. Она по составу напоминает сильно сжатую кристаллическую решетку металлов, почти все электроны могут свободно перемещаться от атома к атому. Твердая корка внешних слоев нейтронной звезды состоит из тяжёлых атомных ядер, упорядоченных в кубическую решетку, с электронами, свободно летающими между ними, чем напоминает земные металлы, но только намного более плотные (кубический сантиметр вещества внешней коры весит примерно тонну).
Интересно то, что внешняя кора нейтронной звезды составлена не из однородной кристаллической массы, а из кристаллических плит, что очень напоминает земную кору. А чтобы сходство было ближе, нужно упомянуть, что на нейтронных звездах могут происходить "землетрясения". Зафиксированы случаи внезапного ускорения их вращения, связанного с тем, что после землетрясения диаметр нейтронной звезды уменьшался (на сантиметры).
5. Атмосфера. Она состоит из сильно ионизированной высокотемпературной плазмы, простирающейся на сотни километров над поверхностью. Именно в ней зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных - излучение на высоких частотах. И что еще интереснее - на поверхности нейтронных звезд есть не только атмосфера, но и погода, связанная с ее состоянием.
В общем, похоже... :)
Если нейтронная звезда образовалась из быстро вращающейся и очень крупной звезды, то в силу некоторых особенностей процесса своего образования, в первые несколько секунд после взрыва сверхновой во все еще сверхгорячей юной нейтронной звезде создается очень сильное магнитное поле, что определяется конвективными процессами в ней. Потом она "остывает" (до миллионов градусов) - но в ней прекращается конвекция и "бурление слоев", и поле остается "вмороженным" в звезду, которая, я напомню, в значительной своей части - не просто проводник, а сверхпроводник.
В результате магнитное поле такой звезды может оказаться в тысячи раз более сильным, чем у "простой" нейтронной звезды (а напомню, у обычных нейтронных звезд оно и так является колоссальным). Именно такие нейтронные звезды с особенно мощным магнитным полем именуются, как сказано выше, магнетарами. Их магнитные поля могут превосходить магнитное поле Земли в квадриллион раз и, похоже, быть мощнейшими во Вселенной...
И вот тут подчас начинаются чудеса. Такое магнитное поле вращающегося (и быстро - несколько десятков и сотен оборотов в секунду при диаметре в два десятка километров!) объекта оказывается неустойчивым, да еще при этом воздействует на кору магнетара с колоссальной силой. В какой-то момент может происходить "опрокидывание" поля, сопровождающееся мощнейшим всплеском энергии. В результате в пространство выбрасывается огромное количество гамма-лучей, которые, в принципе, могут угрожать жизни на расстояниях в десятки световых лет, а наблюдаются - в тысячах...
Энергия вспышки за несколько секунд может превзойти излучение Солнца за тысячелетие...
После этого эксцесса такой магнетар успокаивается и до поры до времени ведет себя более или менее вменяемо. А потом происходит новая гамма-вспышка...
Именно за эту неприятную особенность периодически, раз в несколько месяцев или лет выбрасывать в окружающее пространство мощные взрывообразные потоки гамма-лучей, подобные объекты назвали мягкими гамма-репитерами (мягкими - потому что длина волны гамма-лучей не слишком мала).
Бурная жизнь гамма-репитеров длится не слишком долго. При каждой вспышке они теряют энергию, заодно иногда теряя заодно целые куски коры, образующие вокруг них кольца пыли, их магнитное поле ослабляется, и через несколько тысяч или десятков тысяч лет оно становится недостаточным для генерирования дальнейших гамма-вспышек. Мягкий гамма-репитер становится "обычным" магнетаром, а позже - обычной нейтронной звездой.
О возможном механизме формирования магнетаров - https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/216311.html
