Категории: Космос

На грани: нейтронные звезды, которые немного недоросли до черных дыр

Лайнуть/Поделиться

Есть такие звезды — нейтронные звезды (НЗ), которые немного недоросли до черных дыр, но очень плотные, тоже гнут пространство и время, и всего 20–30 км в поперечнике. Если бы мы могли ходить по НЗ, то обойти всю звезду можно было бы за примерно за 20 часов пешочком. Для сравнения — есть такая звезда Солнце, все мы ее знаем, немаленькая такая, ≈ 1 400 000 км в поперечнике, ≈ в 335 000 раз массивней Земли. Так вот, НЗ массивнее Солнца — по последним оценкам, разброс значений от ≈ 1.3 до 2.2 солнечных масс.

Средняя плотность НЗ ядерная в буквальном смысле, порядка 1017–1018 кг/м3, а плотность недр превышает плотность атомных ядер, и сама звезда состоит преимущественно (СЮРПРИЗ!) из нейтронов. Нередко НЗ обзывают гигантским атомным ядром, но это некорректно — во–первых, в составе звезды не только нейтроны, во–вторых основной силой удерживающей нейтроны является не ядерное взаимодействие, а гравитация. Нейтронные звезды имеют интересную особенность — чем тяжелее звезда, тем меньше она в размерах, хотя разброс значений невысок.

Огромная плотность НЗ вызывает заметный эффект гравитационной линзы — глядя на нее со стороны, одновременно видно больше половины ее поверхности, а сама звезда кажется больше, чем она есть на самом деле (иллюстрация на КДПВ). Если НЗ имеет радиус меньше 1.5 радиусов Шварцшильда[1], становится еще интереснее:
• одновременно видно ВСЮ поверхность звезды;
• некоторые части поверхности даже “повторяются” на краях видимого диска — так как некоторые испущенные с поверхности фотоны, покидая звезду, делают петлю вокруг нее, прежде чем долететь до наблюдателя.
• как и у черной дыры, существует область, где фотоны обращаются по орбите вокруг звезды (фотонная сфера).

Гравитационное отклонение света в поле гравитации нейтронной звезды. Из-за гравитационного отклонения света видно более половины поверхности | Wikimedia

Минимальный радиус стабильного существования звезды — 9/8 радиуса Шварцшильда, ниже этого — однозначный коллапс в черную дыру. Возможно, у наиболее массивных НЗ существует эргосфера — область, где любой объект даже при любом дополнительном ускорении никак не сможет лететь в обратном направлении к вращению звезды или хотя бы “зависнуть на месте”, настолько сильно увлекают за собой пространство–время гравитация и бешеная скорость вращения; однако объект имеет возможность вылететь из эргосферы. Кстати, быстрое вращение увеличивает верхний предел массы для НЗ, и массивная, на грани коллапса НЗ при замедлении вращения может таки схлопнуться в черную дыру.

И все же, согласно современным теоретическим моделям, радиус НЗ скорее всего всегда больше 1.5 радиусов черной дыры аналогичной массы, хотя не исключено обратное. К тому же не исключено существование звезд из той же оперы, но гипотетических — кварковых звезд или смешанных нейтронно–кварковых звезд — еще более плотных, чем нейтронные.

В отличие от недр, вещество на поверхности звезды не настолько плотное — см3 вещества имеет массу порядка десятков килограмм, но в условиях гравитации НЗ этот см3 вещества весит эквивалентно весу километрового стального шара (массой несколько миллиардов тонн) на поверхности Земли. В недрах еще хлеще — см3 вещества имеет массу порядка миллиарда тонн. А теперь мысленно поставьте целую Луну на поверхность Земли. Поставили? Опустим кучу всяких моментов вроде тотального апокалипсиса и просто примем тот факт, что целая Луна будет иметь примерно такой же вес на Земле, как сантиметровый шарик вещества из недр НЗ “поставленный” на ее поверхность.

Ускорение свободного падения на поверхности НЗ порядка 1–3 млрд. км/с2 (1011g), скорость убегания (вторая космическая) в районе 150–250 тысяч км/с — больше половины скорости света. А теперь мысленно расположите в одном метре над поверхностью звезды какое–нибудь тело, а чтобы было веселей, пусть это будет тело вашего врага. Так вот, это тело, благодаря гравитации, пролетит этот метр до поверхности звезды примерно за одну миллионную долю секунды, развив скорость перед столкновением до 2 тысяч км/с, расплющившись менее микрометра толщиной. Кстати, энергия столкновения будет порядка 100 килотонн в тротиловом эквиваленте.

У поверхности сильно заметны эффекты замедления времени:
• на самой поверхности, из–за вращения, до нескольких % у самых вертких звезд;
• искажение пространства–времени вызванное массивностью звезды замедляет время на 10–60%;
• на низкой орбите вокруг звезды замедление времени достигает нескольких крат. Хотя, в таких условиях любое тело поджарится излучением и спагеттифицируется приливными силами.
кстати, о спагеттификации — из–за приливных сил уже на расстоянии более тысячи километров от НЗ (≈100 радиусов звезды) космонавт, если еще не погиб от жара или воздействия магнитного поля, ощутит на себе серьезные приливные силы, по силе воздействия сравнимые с такими, которые действуют во время перегрузок порядка 10g.

Предположительно, самые холодные НЗ имеют температуру в несколько тысяч градусов, самая холодная из известных — 40 тысяч. Температура свежеродившейся НЗ порядка 10 миллионов градусов на поверхности и до триллиона градусов в ядре. За несколько лет звезда остывает до уровня миллиона градусов на поверхности и до сотен миллионов градусов в ядре — большую часть энергии, прямо из недр звезды, воруют улетающие всепроникающие нейтрино в несметных количествах (нейтринное охлаждение).

Мощность излучения молодых НЗ почти как у целого Солнца (например, пульсар Краба, в Крабовидной туманности, которому 966 лет от роду). Из–за высоких температур, основной поток излучения идет в виде рентгеновских лучей, и только порядка миллионной доли приходится на диапазон видимого света. Если пульсар Краба поставить вместо Солнца (извините за кровожадность), то станет темно как ночью, пульсар будет виден как яркая звезда раз в 10 тусклее полной Луны, на всем “дневном” небе будут перманентные фееричные сияния, спутники выйдут из строя, озоновый слой начнет разрушаться и произойдет массовое вымирание, да и климат, наверняка, прилично похолодает.

Перепады высот на поверхности НЗ не выше нескольких миллиметров, а высота “атмосферы”от нескольких миллиметров у холодных звезд, до нескольких сантиметров у горячих. Обычно поверхность (внешняя кора), состоит из очень твердой железной корки с примесью других элементов таблицы Менделеева, хотя у молодых и горячих НЗ поверхность жидкая. В коре звезды обитают ионы и ядра различных элементов вперемешку со свободными электронами. И чем глубже, тем более массивнее элементы встречаются, включая ̶н̶е̶й̶т̶р̶о̶н̶и̶у̶м̶ сверхтяжелые элементы с атомными номерами за сотню и более, вперемешку со все большим содержанием свободных нейтронов. Толщина коры — до километра–двух. Во внешней части ядра звезды, скорее всего, преобладают свободные нейтроны. Во внутренней части ядра начинается самое интересное и неизвестное. Возможно, внутрення часть ядра НЗ состоит из кварк–глюонной плазмы или гиперонов или каонов или конденсата Бозе–Эйнштейна. Но, наверняка, вещество в ядре обладает свойствами сверхпроводимости и, возможно, сверхтекучести.

Магнитное поле НЗ, под стать другим свойствам звезды, не менее суровое, особенно у так называемых магнетаров, подвидов НЗ, индукция поля которых достигает 100 миллиардов Тесла (в 1015 раз выше чем на Земле). В таком поле атомы принимают причудливые веретенообразные формы а фотоны “раздваиваются“. Такие сильные магнитные поля оказывает существенное влияние на траекторию поглощаемого вещества — плазма летит вдоль линий напряжения в районы магнитных полюсов и там падает на поверхность звезды. А в некоторых случаях, в комбинации с быстрым вращением звезды, залетное вещество даже не может упасть на поверхность.

Магнетары периодически порождают звездотрясения — внешняя твердая кора в какой–то момент разрушается под воздействием магнитного поля, происходит “большой бульк” из протонов и высвобождается огромное количество энергии. В 2004 году магнетар SGR_1806–20 устроил крупнейший взрыв во всей нашей Галактике за последние 400 лет (после взрыва в 1604 году сверхновой Кеплера). Во время оного события менее чем за секунду высвободилось энергии столько, сколько все Солнце целиком насвечивает за 150 тысяч лет, и большая часть излучения полилась в очень жестком спектре — гамма–излучении. Хотя, обычно звездотрясения магнетаров в миллионы и миллиарды раз слабее данного инцидента.

Некоторые НЗ весьма шустро вращаются, самая верткая из известных нам делает 716 оборотов в секунду — вещество на поверхности движется со скоростью порядка 1/5 скорости света. При таком темпе уже на расстоянии 55км от поверхности скорость магнитного поля приближается к скорости света, здесь линии напряженности обрываются, а затянутые там заряженные частицы улетают прочь. Кинетическая энергия вращения данной звезды настолько высока, что если ее каким–то магическим образом резко остановить, то выделится энергия эквивалентная 1/3 энергии взрыва сверхновой Ia[2], эквивалентная энергии аннигиляции Сатурна целиком, эквивалентная всей насвеченной Солнцем энергии за всю его жизнь (4.6 млрд лет).

Предположительно только в нашей галактике располагаются порядка миллиарда этих остывающих суровых шариков, но большинство из них уже прилично остыли. Заметны только молодые НЗ и активные НЗ в двойных системах. Остывающие НЗ тусклые и земными телескопами их днем с огнем не сыщешь, ведь их светимость в миллионы и в миллиарды раз меньше солнечной.

1 радиус Шварцшильда — эквивалентный радиус невращающейся черной дыры при той же массе.
2сверхновая типа Ia — термоядерный взрыв “переевшего” белого карлика.

Источник: d3


Читайте также: Теорию относительности Эйнштейна доказали с помощью мигающей нейтронной звезды

Редакция

Опубликовала
Редакция
Метки: звезда

Недавние публикации

Мозг и Вселенная: как астрофизик и нейрохирург объединились, чтобы сравнить две самые сложные системы в природе

Астрофизик из Болонского университета и нейрохирург из Веронского университета сравнили нейронные связи в человеческом мозгу… Читать далее

26/11/2020

Нейросеть, застывшая в стекле

Нет, это не статья по типу "Адский муравей, застрявший в янтаре, мучил свою жертву 99… Читать далее

25/11/2020

Женщины достигают оргазма в 80% случаев в носках по сравнению с 50% без них

Во время исследования, в котором изучалась разница в мозговой активности женщин во время реальных и… Читать далее

24/11/2020

Феномен роста числа девочек, решающих, что они – трансгендеры и требующих гормональной терапии

В прошлом году произошло очень важное событие на фронте борьбы с нормализацией детской трансгендерности. Старший… Читать далее

23/11/2020

Тревога и страх имеют одно «нейрональное» целое

Еще в древнегреческой философии страх дифференцируется с тревогой или беспокойством. Новое исследование в Journal Neuroscience предоставляет свежие интересные данные… Читать далее

21/11/2020

Этот вид летучих мышей использует маски для спаривания

У этого причудливого вида летучих мышей есть встроенная «маска для лица», которую они используют, чтобы… Читать далее

20/11/2020