« »

среда, 17 июля 2013 г.

Про Вселенную и ее нейтронные звезды


Все вокруг нас состоит из пустоты. В основном. Да и мы сами - тоже пустота. Скалы, реки, воздух, здание МГУ, бюстик Вольтера на рояле, самые крепкие алмазы и самые легкие пуховые платки, книги, интернет, экран вашего Ай-Пада, содержимое головы вашего соседа Кольки - все это просто пустота. Буквально.

Атомы, из которых все это сложено, представляют собой крошечные ядра, состоящие из нуклонов (протонов и нейтронов), которые погружены в легкие облачка электронных оболочек - не то частиц, не то квантов энергий, и где они находятся - непонятно, и как они движутся - неясно, здесь можно говорить только о статистических вероятностях... Ядро содержит в себе 99.9% массы всего атома, занимая всего 1/100,000 диаметра электронного облака - ничтожно малую величину!

Электронные оболочки, несмотря на кажущуюся эфемерность, играют очень большую роль в атомной физике - когда, например, вы пытаетесь сблизить атомы своего тела с атомами скалы, они превращаются в упругие шары, больно отталкиваясь всеми этими своими оболочками...

А что, если совсем лишить атомы электронов? Можно ли тогда упаковать материю плотно-плотно - так, чтобы пустоты между ядрами практически исчезли? Допускает ли такое безобразное отношение к материи физика? И что за зверь в результате получится?

Оказывается, в битком набитой всяческими чудесами Вселенной такие звери встречаются повсеместно и называются ... нейтронными звездами! Но что может сбить все электроны с атомов и спрессовать их ядра в самое плотное вещество, которое мы только знаем? - Ну конечно же, взрыв!

Только взрыв этот непростой. Его производит массивная звезда-гигант в конце жизненного пути, которая в ярости  выбрасывает в космос все, что в ней накопилось за недолгие годы ее яркой жизни. А ее ядро при этом сжимается так, что электроны буквально вдавливаются в протоны, которые при этом лишаются заряда и становятся нейтронами. Атомы полностью разрушаются, становясь однородной нейтронной массой. Ужас. Фактически, в космосе появляется гигантский атом, в котором только одни нейтроны, сжатые в сферу диаметром 10-20 км. Представляете себе плотность такого вещества?


Нейтронные звезды - удивительные, завораживающие, сбивающие с толку объекты. Все, к чему вы привыкли здесь, на Земле, вблизи нейтронных звезд часто бывает лишено всякого смысла. Сила тяжести там дичайшая - зашкаливают все гравитометры! Искривление пространства, вызванное такой массой, видно практически невооруженным глазом...  Привезите чайную ложку вещества нейтронной звезды на Землю - она пробьет кору нашей планеты и застрянет где-то глубоко-глубоко в ее веществе...

Страшно? Нет? Ну, если, несмотря на все сказанное, вы все-таки решите направить свой мегакорабль Небесный Орел к нейтронной звезде, нужно принять во внимание следующее:

- гравитация. Как уже говорилось, сила тяжести там такая, что вас буквально порвет. Нет, это не модный оборот молодежной речи -  вас с вашим кораблем сначала растянет, а потом порвет на куски дикая гравитация нейтронной;

- магнитное поле, которое там настолько сильное, что не нейтрально заряженные атомы вашего корабля начнут вытягиваться в сигары, направленные вдоль его линий... К чему это приведет? Хотите поэкспериментировать??

- если вам как-то удастся избежать первых двух напастей, есть еще третья. Мощное магнитное поле быстро вращающейся звезды создает электрическое поле напряжением в квадриллионы вольт! Подобное поле может генерировать разряды (потоки) высокоэнергетических частиц прямо через вакуум- в 30 млн раз сильнее, чем земные молнии... мда, вот вам на закуску. :(

Пульсары


Узнаете? Это наш логотип, ну то есть пульсар с облаком горячего газа в центре Крабовидной Туманности!

Быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильным магнитным полем и пучком частиц высоких энергий, который, как лампа маяка, описывает в пространстве круг - иногда с частотой до сотен оборотов в секунду - излучает во всем диапазоне частот, включая радиоволны! Открытие подобного чуда - сама по себе очень достойная история, ознакомление с которой настоятельно рекомендуем.

Название "пульсар" происходит от "пульсирующий источник излучения". Сейчас мы знаем о существовании около тысячи пульсаров. и нет никаких сомнений, что их будет открыто еще больше.

Так, например, самый юный и самый энергичный известный нам пульсар - в Крабовидной туманности - наблюдается на всех длинах волн  - от радио и до гамма-диапазона. Есть несколько десятков пульсаров, которые видны только в рентгеновских лучах. На текущий момент известно также 6 пульсаров гамма-диапазона.

Магнетары



Магнетары - нейтронные звезды с чрезвычайно сильным магнитным полем - в квадриллионы раз большим, чем магнитное поле Земли! Они, как правило, образуются еще до взрыва, внутри очень массивной звезды, когда ее ядро сжимается в быстро вращающийся карлик. После формирования нейтронной внешние слои первоначальной звезды ...:#$%^@#$%!! - выносит в открытый космос взрывом сверхновой! Дикие магнитные поля магнетара вызывают т.н. звездотрясения, когда его поверхность расцветает рентгеновскими лучами разных энергий. Эти рентгеновские вспышки - очень ценный материал для астрономов, поскольку дают возможность изучать промежуточный тип сверхновых - между обычными сверхновыми и гиперновыми - когда звезда просто превращается в поток гамма-излучения, и после нее не остается ничегошеньки...

Самое мощное магнитное поле, которое когда-либо создавало человечество в лаборатории на Земле, было в миллион раз больше, чем естественное магнитное поле Земли. Но перейти этот предел не получается -  магнитное вещество просто взрывается от мощи поля. Только нейтронная звезда с ее могучей гравитацией может противостоять магнитным полям магнетара. И то, даже у магнетаров порой кора трескается от невероятной мощи создаваемых ими полей...

Источник этой невообразимой мощи - быстрое вращение поля. Поэтому иногда такие пульсары называют "пульсарами с накачкой вращением" - в отличие от следующего типа пульсаров - "с накачкой аккрецией".

Пульсары с накачкой аккрецией материала.

Случится пульсару быть неподалеку от нормальной звезды - все, приехали. Этот паразит начинает скачивать потихоньку с ничего не подозревающей звезды материал, который закручивается вокруг нейтронной звезды по спирали, прежде чем упасть на нее. 

Кружение этой карусели - не просто акт вандализма космического паразита. Это еще и трение соседних слоев газа между собой, их нагрев до огромных температур и излучение рентгеновских лучей. При этом сильнейшее магнитное поле нейтронной собирает излучение в столб, бьющий, как правило, с полюсов в противоположные стороны. А поскольку нейтронная еще и вращается, этот столб описывает в космосе круги - так же, как их описывает ось Земли при прецессии...

Пульсары с накачкой аккрецией материала, получают энергию извне, от своего компаньона, при падении материала. Избыток этой энергии сбрасывается с полюсов в виде струй высоких энергий. Пульсары с накачкой вращением, напротив, сами производят потоки материала наружу, высвобождая свою энергию в космос при бешеном вращении магнитного поля...

Поведение всех этих пульсаров разное. Некоторые показывают стабильные пульсации с периодом, по которому можно сверять часы, а некоторые вспыхивают и гаснут достаточно хаотично. Некоторые бурно выплескивают энергию, некоторые экономят.



Вы спросите,  в чем же отличие пары черная дыра - звезда-компаньон от бинарной системы нейтронная-обычная звезда?

У черной дыры нет поверхности или магнитных полюсов в бытовом понимании этого слова, поэтому они не могут производить периодических рентгеновских вспышек, хотя, иногда и могут немножко мерцать в рентгеновском диапазоне...

Нейтронные звезды - одна из самых интересных тем современной астрофизики. Здесь все имеет приставку "супер"... Нет и очень долго еще не будет на Земле лабораторий, где бы можно было изучать вещество в таких дико экстремальных условиях.

Кто знает, какие еще секреты таят эти темные призраки космоса?

4 комментария:

Анонимный комментирует...

Уважаемый автор! В тексте, видимо, опечатка, поскольку статья о нейтронных звездах, а не о белых карликах. Во-первых, сверхновые типа Iа - это термоядерный взрыв белого карлика, а не нейтронной звезды в двойной системе. Во-вторых, для нейронной звезды существует предел по массе (не установлена ​​четко из-за неопределенности уравнения состояния вещества НЗ), которая называется пределом Оппенгеймера-Волкова и имеет значение прибл. 1.5-3 массы Солнца. Предел Чандрасекара 1.4-1.3 массы Солнца - это для белого карлика.

DrMichael комментирует...

Согласен, в конце статьи меня чуть-чуть занесло :)

Спасибо, поправил!

Yuri комментирует...

И еще замечания:
1. Фраза, что «электроны вжимаются в ядра в результате взрыва», создает совершенно неправильное впечатление. Скорее уж наоборот, лучше говорить, что сам взрыв является следствием формирования нейтронный звезды, или как минимум эти процессы происходят параллельно (и независимо)
2. СтОит отметить, что кора нейтронной звезды состоит вовсе не из нейтронного вещества, а из обычного (смесь ядер тяжелых элементов с электронами). Это существенно при упоминании о звездотрясениях, вызванных взаимодействием с магнитным полем – в нейтронном веществе такое взаимодействие происходило бы совсем иначе.

DrMichael комментирует...

(пожимает плечами)
Если у вас мои метафоры создали какие-то неправильные впечатления - не моя вина. Википедия - она на другом сайте.

А свою статью вы точно сделаете лучше, я в этом абсолютно уверен.

Там и напишите про 1 и 2, поскольку для меня эти вопросы явно вне рамок моей статьи.