
НЕЙТРО́ННЫЕ ЗВЁЗДЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕЙТРО́ННЫЕ ЗВЁЗДЫ, класс компактных астрономич. объектов, состоящих из вырожденного вещества. В недрах Н. з. существуют области с высокой плотностью вещества, достаточной для стабильности свободных нейтронов относительно бета-распада. Н. з. теоретически предсказаны в 1930-х гг. в работах Л. Д. Ландау, В. Бааде, Ф. Цвикки и др. Открыты в 1967 как радиопульсары – импульсные источники радиоизлучения (см. Пульсары).
При массе 1–2 массы Солнца Н. з. имеют радиус 10–15 км, что соответствует ср. плотности вещества ок. 5·1017 кг/м3 – выше плотности ядерной материи. Н. з. обладают сильными магнитными полями (с магнитной индукцией от 104 до 1011 Тл). Н. з. устойчивы за счёт давления, связанного с ферми-движением барионов и сильным взаимодействием этих частиц. Существует верхний предел массы Н. з., определяемый уравнением состояния вещества в их недрах. При массе больше предельной (ок. 2,5 масс Солнца) происходит гравитац. коллапс с образованием чёрной дыры.
Наиболее часто говорят о Н. з. как конечных стадиях эволюции массивных звёзд. Это единственный известный механизм образования подобных объектов в природе. Звёзды с начальными массами выше ок. 8–10 масс Солнца, исчерпав термоядерное горючее, претерпевают гравитац. коллапс ядра, порождая компактный объект. При начальных массах от 8 до 30 масс Солнца после коллапса образуется Н. з.; при бóльших массах, вероятнее всего, формируются чёрные дыры. Примерно 70–90% взрывов сверхновых звёзд с коллапсом ядра приводят к образованию Н. з. (рис. 1). Совр. темп рождения Н. з. в Галактике составляет ок. 2–3 объектов за 100 лет. За время жизни Галактики в ней образовалось неск. сотен миллионов Н. з. Часть из них покинула Галактику из-за больших начальных скоростей, связанных со взрывом сверхновых звёзд и особенностями эволюции Н. з. в самом начале их существования.
Н. з. наблюдаются как астрономич. источники разных типов. Среди обнаруженных Н. з. наиболее многочисленны радиопульсары. К 2012 их известно ок. 2000. Кроме этого, одиночные Н. з. наблюдаются как молодые остывающие объекты, магнитары и гамма-источники. Большое количество Н. з. (сотни источников) наблюдается в тесных двойных системах благодаря аккреции.
Наблюдательные проявления известных Н. з. могут быть связаны с гравитац. энергией (аккрецирующие объекты), вращательной энергией (радиопульсары), тепловой энергией (остывающие Н. з.) или энергией магнитного поля (магнитары). В первом случае вещество второго компонента двойной системы или межзвёздный газ гравитационно захватывается Н. з., разгоняется в поле тяготения, а затем в аккреционном потоке или непосредственно при взаимодействии с поверхностью часть энергии высвечивается в осн. в рентгеновском диапазоне. Во втором случае быстрое вращение (радиопульсары имеют периоды собств. осевого вращения примерно от 1 мс до 10 с) Н. з. с сильным магнитным полем приводит к генерации электромагнитного излучения и потока релятивистских частиц. Кроме импульсов в радиодиапазоне, у ряда источников также зарегистрированы импульсы в др. диапазонах спектра. В третьем случае наблюдается тепловое излучение молодой (возрастом до нескольких сотен тысяч лет) Н. з. с темп-рой поверхности около миллиона градусов. Наконец, магнитары, согласно общепринятой модели, высвечивают в регулярном или вспышечном режиме энергию своего очень сильного магнитного поля (также можно говорить о выделении энергии мощных электрич. токов, текущих в коре Н. з. и создающих это магнитное поле).
В ранних моделях Н. з. предполагалось, что компактные объекты в осн. (ок. 90% по массе) должны состоять из нейтронов – отсюда назв. данного класса объектов. Последующие исследования показали, что существует много возможностей для внутр. строения и состава компактных объектов. До сих пор точно не установлено, какая из них реализуется в природе. Для расчёта структуры Н. з. существенным является учёт эффектов общей теории относительности. Выделяют кору и ядро Н. з., которые, в свою очередь, подразделяют на внутр. и внешнюю кору и внутр. и внешнее ядро (рис. 2). Внешняя кора имеет толщину в неск. сотен метров и состоит в осн. из ядер тяжёлых химич. элементов ($Z$), обогащённых нейтронами, и вырожденных электронов ($e^–$). Кроме самых наружных слоёв, внешняя кора твёрдая, т. к. ядра формируют кристаллич. решётку. Во внутр. коре толщиной 1–2 км начинается процесс нейтронизации: из переобогащённых нейтронами ядер в среду попадают свободные нейтроны ($n$). Это проиcходит при плотности $ρ≈4·10^{14}$ кг/м3. Доля свободных нейтронов растёт с увеличением плотности в глубь коры. Нейтроны во внутр. коре могут находиться в сверхтекучем состоянии. Внешнее ядро имеет толщину в неск. километров; плотность составляет от $0,\!5ρ_0$ до $2ρ_0$, где ядерная плотность $ρ_0≈2,\!8·10^{17}$ кг/м3. Вещество представляет собой сильно неидеальную ферми-жидкость и состоит в осн. из нейтронов ($n$), протонов ($p$), электронов ($e^–$) и мюонов ($μ$); атомных ядер там уже нет. Протоны и нейтроны могут находиться в сверхтекучем состоянии; для протонов это означает и сверхпроводимость. Свойства вещества во внутр. ядре известны плохо, поскольку плотность там в неск. раз превосходит ядерную. Осн. гипотезы строения внутр. ядра включают в себя появление гиперонов, образование пионного или каонного конденсата, появление кварковой материи.