Пульсари і нейтронні зорі
Вітаю на ScienceClic.
Сьогодні розглянемо пульсари та нейтронні зорі.
Нічне небо світиться безліччю сяючих точок.
Здебільшого це зірки.
Величезні плазмові кулі, які, маючи високу температуру, інтенсивно випромінюють.
Хоча зірки злегка мерехтять, зазвичай це пов'язано з атмосферними збуреннями.
Власна яскравість зірок достатньо стабільна.
Але в 1960-х (тисяча дев'ятсот шістдесятих), досліджуючи небо на інших довжинах хвиль, астрономи виявили компактні джерела, які змінювали свою "яскравість", і робили вони це надзвичайно регулярно: їхні імпульси були незмінно періодичними.
Ми називаємо ці об'єкти пульсарами.
Аби зрозуміти, звідки беруться пульсари, нам доведеться зануритися в життя зірки.
Нас цікавитимуть зорі, вдесятеро масивніші, ніж Сонце.
Протягом свого життя зірка витрачає ядерне "паливо"
в процесі ядерного синтезу.
Випромінювання, що виходить з ядра, дозволяє зорі врівноважити гравітаційне стискання, і таким чином залишатися стійкою.
Наприкінці існування, через сто мільйонів років, запаси ядерного "палива" в зорі закінчуються, і ядерний синтез у ядрі припиняється.
Зоря втрачає стійкість, адже тепер ніщо не протидіє силі тяжіння.
Ядро починає колапсувати, тобто падати саме у себе.
В міру стискання ядра його температура підвищується до кількох мільярдів градусів, і воно починає обертатися все швидше, і швидше, генеруючи все більш сильне магнітне поле.
Через деякий час температура і тиск в ядрі стають настільки великими, що насинтезовані раніше атомні ядра розбиваються на частини, а протони починають зливатися з електронами, формуючи нейтрони.
У цьому процесі випромінюється величезна кількість нейтрино.
Раптово ядро стає настільки малим, що тиск виродженого нейтронного газу зупиняє стискання.
Колапс миттєво припиняється, тож зовнішні шари зірки відкидаються потоком нейтрино й ударною хвилею.
Зоря вибухає.
Цей вибух називається надновою.
Вибух наднової залишає після себе гігантську залишкову хмару газу та пилу, яка згодом може стати "колискою" для народження нових зірок.
Але після смерті зорі її ядро не зникає.
Воно все ще там, але тепер це крихітна масивна куля, утворена переважно з нейтронів.
Такий екзотичний об'єкт називають нейтронною зорею.
Нейтронні зорі під час формування можуть перебувати в складі зоряної системи.
Багато зірок є частинами кратних систем, коли кілька зірок обертаються навколо спільного центра мас.
Після смерті однієї з таких зірок, нейтронна зоря, яка залишається, іноді продовжує обертатися разом зі своїм "партнером".
Так само, якщо зірка спочатку мала свої планети, то ті іноді продовжують рухатися навколо її залишку.
Нейтронна зоря - це об'єкт з неймовірно великою густиною, який має масу у кілька сонячних, а діаметр - у кілька десятків кілометрів.
Уявіть цілий Плутон, стиснутий до розмірів будинку.
Якби масу стиснути іще трохи більше, то гравітація перемогла б, і цей об'єкт перетворився б на чорну діру.
Нейтронна зоря також надзвичайно гаряча.
В окремих випадках температура поверхні може перевищувати кілька мільйонів градусів.
Через свій невеликий розмір, нейтронна зоря дуже швидко обертається.
Під час колапсу ядро, що стане нейтронною зорею, досягає на екваторі швидкості обертання, яка близька до швидкості світла.
Нейтронна зоря може обертатися з частотою майже тисячу обертів на секунду.
Якби колеса автомобіля оберталися з такою частотою, то він рухався б зі швидкістю 7000 км/год (сім тисяч кілометрів на годину).
Гравітація на поверхні нейтронної зорі екстремально велика, тож для її опису потрібна загальна теорія відносності.
Насамперед час помітно уповільнений: астронавти, якби могли перебувати на нейтронній зорі, старітимуть на 10 місяців за кожен рік, що минув би на Землі.
На жаль для них, припливні сили тут убивчі: різниця в силі тяжіння між головою і ногами тут у мільйони разів більша, ніж земне тяжіння.
Вони зазнають так званої спагетіфікації.
І нарешті, нейтронна зоря відхиляє траєкторії світла поблизу.
викривляючи геометрію постору-часу.
Як і чорна діра, вона створює ефект гравітаційного лінзування, спотворюючи зображення об'єктів позаду, і дозволяючи спостерігати свій зворотний бік.
Внутрішня структура нейтронних зірок все ще вивчена недостатньо добре.
Через крихітний розмір і величезну відстань, безпосередньо вивчати їхній склад неможливо.
Нам доводиться покладатися на моделі й квантову фізику, щоб описати стискання речовини.
Ззовні нейтронна зоря, ймовірно, оточена тонкою атмосферою, товщина якої не перевищує діаметр волосини.
Під атмосферою лежить ідеально рівна поверхня, оскільки сильна гравітація згладжує будь-які нерівності.
Зовнішня тверда кора завтовшки кілька сотень метрів складається з іонів, ядер та вільних електронів.
Внутрішня кора містить більше нейтронів, оскільки з глибиною зростає тиск, і електрони починають зливатися з ядрами, утворюючи нейтрони.
Високий тиск допомагає стабілізувати ці важкі ядра, які зазвичай дуже швидко розпадаються.
На глибинах до двох кілометрів ці ядра об'єднуються, формуючи більші кластери.
Що глибше ми занурюємося в кору, то більшою стає "конкуренція" між гравітацією, електромагнітною та сильною ядерною взаємодіями.
На більших глибинах починають формуватися довгасті структури з протонів і нейтронів.
Іще глибше ці структури об'єднуються одна з одною, утворюючи паралельні шари ядерної речовини.
В підсумку ці шари зливаються, і "порожнини" між ними поступово зникають, залишаючи все менше і менше їх у нейтронній рідині.
Усі ці різні структури, які складають внутрішню кору, є фактично найтвердішою речовиною у Всесвіті.
Такі своєрідні "велетенські" атомні ядра вчені назвали ядерними макаронами, ядерною пастою.
Форма цих структур й справді нагадує італійські ньокі, спагетті або лазанью.
Вчені використовують ці назви для інтуїтивної класифікації.
Якщо ми вирішимо зануритися глибше, то після внутрішньої кори потрапимо в ядро нейтронної зорі, де тиск і густина мають іще більші значення.
Описати фізику ядра нейтронної зорі надзвичайно складно, адже наші фізичні теорії та моделі працюють на межі своєї застосовності.
Тиск настільки великий, що на передній план виходять квантові ефекти.
Зокрема, відстані між частинками настільки малі, що вони взаємно відштовхуються через неможливість перебувати в одному квантовому стані.
Це називається принципом виключення Паулі.
Речовина, властивості якої визначаються цим принципом, називається виродженою речовиною.
Не всі таємниці виродженої речовини розкриті.
Існують різні гіпотези щодо її структури та властивостей.
Звичайні нейтрони можуть утворювати вироджений газ.
Але нейтрон не є безструктурною елементарною частинкою, він складається з трьох кварків.
І, згідно з деякими гіпотезами, в центрі нейтронних зірок нейтрони розпадаються на кварки, утворюючи надтекучу рідину - кварк-глюонну плазму, яка має екзотичні властивості.
Центральні області нейтронної зорі все ще лишаються таємницею, яку дослідники активно намагаються розкрити.
Під час свого утворення нейтронна зоря набуває надзвичайно сильне магнітне поле.
На землі вчені здатні генерувати магнітні поля у кілька десятків Тл (Тесла).
У такому полі можуть левітувати різні об'єкти, і навіть живі істоти.
Але нейтронна зоря генерує магнітне поле, яке у кілька мільйонів разів сильніше.
Це магнітне поле настільки сильне, що в ньому з вакууму народжуються електронно-позитронні пари.
Воно наділяє простір дивною властивістю - вакуумним подвійним заломленням.
Світло, що рухається повз, може бути відхилене, розщеплене і знову зведене в один промінь.
Як і у випадку магніту, магнітне поле нейтронної зорі виходить з північного полюса, огинає зорю навколо і входить у південний полюс.
Тож нейтронна зоря має магнітну вісь, яка, однак майже ніколи не збігається з віссю обертання.
При обертанні зорі її магнітне поле обертається разом з нею, створюючи інтенсивні сплески випромінювання, які поширюються зі швидкістю світла.
На достатньо малій відстані магнітне поле нейтронної зорі захоплює навколишню речовину, змушуючи її залишатися поблизу.
З іншого боку, на великій відстані магнітне поле змінюється настільки швидко, що прискорює і викидає заряджені частинки назовні.
Через це нейтронна зоря створює два пучки надзвичайно потужного випромінювання уздовж своєї магнітної осі.
Ніби космічний маяк, ці пучки випромінювання періодично проносяться в просторі, створюючи таким чином періодичні імпульси випромінювання.
Коли на його шляху опиняється Земля, ми спостерігаємо крихітне джерело пульсуючого випромінювання.
Це і є пульсар.
З 1960-х (тисяча дев'ятсот шістдесятих) виявлені пульсари каталогізувалися і класифікувалися відповідно до частоти імпульсів.
Що швидше обертається нейтронна зоря, то частішими ми реєструємо імпульси випромінювання.
Ми можемо розділити ці пульсуючі джерела на групи.
Деякі пульсари обертаються дуже швидко, роблячи майже тисячу обертів за секунду.
Більшість цих дуже швидких пульсарів належать бінарним системам.
Обертаючись навколо звичайної зірки, вони можуть розкручуватися до величезних частот шляхом захоплення речовини зорі-компаньйона.
На противагу швидким пульсарам існують відносно повільні, які роблять кілька обертів на хвилину.
Обертання нейтронної зірки надзвичайно стабільне; його можна порівняти з точністю найкращих атомних годинників.
Але впродовж тисячоліть свого існування пульсар повільно втрачає енергію: магнітну енергію і гравітаційну енергію викривлення простору-часу.
Тож, пульсари поступово сповільнюються, і зрештою роблять лиш кілька обертів на хвилину.
Під час цього уповільнення зоря через зміну доцентрової сили також змінюється за формою, стаючи більш сферичною.
Раптово поверхня "падає" на кілька мікрометрів менш ніж за одну мільйонну секунди.
Під час таких подій обертання зорі трохи пришвидшується.
Зазвичай популяції пульсарів наносяться на діаграму, яка показує залежність швидкості обертання від темпу уповільнення.
Ми знаходимо подвійні пульсари, які обертаються дуже швидко і дуже стабільно; а також повільніші пульсари, які уповільнюються з часом.
Ми спостерігаємо всі види випромінювання.
Більшість пульсарів випромінюють в радіодіапазоні, але частина може випромінювати в рентгенівському через особливості обертання і дуже сильне магнітне поле, або навіть у гамма-діапазоні.
Деякі з цих пульсарів мають настільки сильні магнітні поля, що ми називаємо їх магнетарами.
Вони випромінюють потужні рентгенівські та гамма-промені, але роблять це нерегулярно, що дуже ускладнює їхній опис.
Станом на сьогодні ми виявили приблизно 3000 (три тисячі) пульсарів у нашій галактиці.
На жаль, переважна більшість нейтронних зірок залишається неспостережуваними із Землі.
Більшість з них мають дуже тонкі пучки, які не світять у наш бік.
А наші сучасні телескопи можуть виявити лише найактивніші пульсари.
Ці об'єкти досі лишаються таємничими.
Вони піднімають астрономічні, фізичні та математичні запитання, на які ще належить знайти відповіді.
Пульсари становлять безпрецедентний інтерес у світі астрономії.
Вони можуть дозволити нам досліджувати загальну теорію відносності в екстремальних умовах, і нарешті зрозуміти поведінку речовини під настільки високим тиском.
Вони є надзвичайно стабільними космічними годинниками, і їхнє дослідження може містити ключі до пояснення фізичної природи гравітаційних хвиль.
Опосередковано пульсари можуть допомогти нам з'ясувати природу темної матерії, і виявити первинні чорні діри.
Пульсари також є дуже хорошими референсними точками для самостійного орієнтування супутників.
І, нарешті, саме біля пульсара ми відкрили перші екзопланети.
