НЕЙТРО́ННЫЕ ЗВЁЗДЫ

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.

Рис. 1. Рентгеновское изображение молодого остатка сверхновой звезды Кассиопея А с компактным источником (остывающей нейтронной звездой) в центре.

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).

Рис. 2. Внутреннее строение нейтронной звезды.

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.