ВСОШ № 115

РЕФЕРАТ ПО АСТРОНОМІЇ

тема роботи:

«НЕЙТРОННІ ЗІРКИ»

(пульсари)

ВИКОНАВ:

Тряпельніков В.А.

11 «А» КЛАС

МОСКВА

2004

Нейтронні зірки

Відкриття в 1932 році нової елементарної частки - нейтрона змусилоастрофізиків задуматися над тим, яку роль він може грати в еволюціїзірок. Два роки по тому було висловлено припущення про те, що вибухинаднових зірок пов'язані з перетворенням звичайних зірок у нейтронні. Потімбули виконані розрахунки структури і параметрів останніх, і стало ясно, щоякщо невеликі зірки (типу нашого Сонця) в кінці своєї еволюціїперетворюються на білих карликів, то більш важкі стають нейтронними.

У серпні 1967 року радіоастрономи при вивченні мерехтінь космічнихрадіоджерела виявили дивні сигнали - фіксувалися дуже короткі,

тривалістю близько 50 мілісекунд, імпульси радіо - випромінювання,повторювані через суворо певний інтервал часу (близько однієїсекунди). Це було зовсім не схоже на звичайну хаотичну картинувипадкових нерегулярних коливань радіовипромінювання. Після ретельної перевіркивсієї апаратури прийшла впевненість, що імпульси мають позаземнепоходження. Астрономів важко здивувати об'єктами, які випромінюють ззмінною інтенсивністю, але в даному випадку період був настільки малий, асигнали-настільки регулярні, що вчені всерйоз припустили, що вони можутьбути вес -точками від позаземних цивілізацій. А тому перше пульсар отримав назву
LGM-1 (від англійського «Little Green Men» - «Маленькі Зелені Чоловічки»!),хоча спроби знайти будь - який сенс у прийнятих імпульсах закінчилисябезрезультатно. Незабаром були виявлені ще три пульсуючих радіоджерела.
Їх період знову виявився значно менше характерних часів коливання іобертання всіх відомих астрономічних об'єктів. Через імпульсногохарактеру випромінювання нові об'єкти стали називати пульсарами. Це відкриттябуквально сколихнула астрономію, і з багатьох радіо обсерваторій почалинадходити повідомлення про виявлення пульсарів. Після відкриття пульсара в
Крабоподібної Туманності, що виникла через вибух наднової зірки. В1054році ця зірка була видна вдень, (про що згадують у своїх літописахкитайці, араби і північноамериканці), стало ясно, що пульсари якимсьчином пов'язані з спалахами наднових зірок, Швидше за все, сигнали йшли відоб'єкта, що залишилося після вибуху. Минуло чимало часу, перш ніжастрофізики зрозуміли, що пульсари - це і є швидко обертаються нейтроннізірки, які вони так довго шукали.

ФІЗИКА ПУЛЬСАР

Пульсар - це величезний намагнічений дзига, крутиться у коло осі незбігається з віссю магніту. Якщо б на нього не падало і він ні чого невипускав, то його радіовипромінювання мало б частоту обертання і ми ніколи бйого не почули на Землі.

Але справа в тому, що даний дзига має колосальну масу і високутемпературу поверхні, та й обертається магнітне поле створює величезнупо напруженості електричне поле, здатне розганяти протони іелектрони майже до світових швидкостей. Причому всі ці заряджені частинки,носиться під коло пульсара, затиснуті в пастці з його колосальногомагнітного поля. І тільки в межах не великого тілесного кута близькомагнітної осі вони можуть вирватися на волю (нейтронні зірки маютьсамими сильними магнітними полями у Всесвіті, що досягають (10-10, 10-14)десять у десятому, десять у чотирнадцятому ступеня Гаус, приміром, земнемагнітне поле становить один (1) Гаус, сонячне десять, п'ятдесят (10 -
50) Гаус.) Саме ці потоки заряджених частинок і є джерелом тогорадіовипромінювання, за яким, за яким і були відкриті пульсари,що опинилися в подальшому нейтронними зірками. Оскільки магнітна вісьнейтронної зірки не збігається з віссю обертання її, то при обертанні зіркипотік радіо хвиль поширюється в космосі подібно променю проблисковогомаячка - лише на мить прорізаючи навколишнє імлу.

Всесильний Гравітація

Відповідно до сучасної теорії еволюції масивні зірки закінчують своюжиття колосальним вибухом, що перетворює значну їхню частину до розширюєтьсягазовутуманність. У результаті від гіганта, у багато разів перевищує розмір імасою наше Сонце, залишається щільний гарячий об'єкт розміром близько 20 км, зтонкою атмосферою (з водню і більш важких іонів) і гравітаційнимполем, в 100 млрд. разів перевищує земне. Його і назвали нейтронноїзіркою, вважаючи, що він складається головним чином з нейтронів. Речовинанейтронної зірки - найбільша щільна форма матерії (чайна ложка такого суперядра важить близько мільярда тонн).

Дуже короткий період випромінюваних пульсарами сигналів був першим і самимголовним аргументом на користь того, що це і є нейтронні зірки,володіють величезним магнітним полем і обертаються з шаленою швидкістю.
Тільки щільні і компактні об'єкти (розміром всього декілька десятківкілометрів) з потужним гравітаційним полем можуть витримувати таку швидкістьобертання, не розлітаючись на шматки з за відцентрових сил інерції. Нейтронназірка складається з нейтронної рідини з домішкою протонів і електронів.
«Ядерна рідина», що дуже нагадує речовина з атомних ядер, у десятьразів щільніше звичайної води. Це величезна різниця цілком зрозуміло - аджеатоми складаються в основному з пустого простору, в якому навколокрихітного, але важкого ядра пурхають легкі електрони. Ядро містить майжевсю масу, тому що протони і нейтрони в 2 000 разів важче електронів.

Екстремальні сили, що виникають при формуванні нейтронної зірки, такстискають атоми, що електрони, вдавлені в ядра, об'єднуються з протонами,утворюючи нейтрони. Таким чином, народжується зірка, майже повністющо складається з нейтронів. Надщільний ядерна рідину, якщо її принести на
Землю, вибухнула б, подібно до ядерної бомби, але в нейтронної зірку вонастійка завдяки величезному гравітаційного тиску. Однак у зовнішніхшарах нейтронної зірки (як, втім, і всіх зірок) тиск і температурападають, утворюючи тверду корку завтовшки близько кілометра. Як вважають,полягає вона в основному з ядер заліза.

ВІДКРИТИЙ ПИТАННЯ

Хоча нейтронні зірки інтенсивно вивчаються вже близько трьох десятиліть, їхвнутрішня структура достеменно не - відома. Більше того, немає твердоївпевненості і в тому, що вони дійсно складаються в основному з нейтронів.
З просуванням вглиб зірки тиск і щільність збільшуються, і матеріяможе бути настільки стиснута, що вона розпадається на кварки - будівельніблоки протонів і нейтронів.

Відповідно до сучасної квантової хромо динаміці кварки не можутьіснувати у вільному стані, а об'єднуються в нерозлучні «трійки» і
«Двійки».
Але, можливо, у межі внутрішнього ядра нейтронної зірки ситуаціязмінюється і кварки вириваються з свого ув'язнення.

Щоб глибше зрозуміти природу нейтронної зірки і екзотичної кварковоїматерії, астрономам необхідно визначити співвідношення між масою зірки іїї радіусом (середня щільність). Досліджуючи нейтронні зірки з супутниками,можна досить точно виміряти їхню масу, але визначити діаметр - набагатоважче. Зовсім недавно вчені, використовуючи можливості рентгенівськогосупутника «ХММ - Ньютон», знайшли спосіб оцінки щільності нейтронних зірок,заснований на гравітаційному червоному зміщенні.

Незвичайність нейтронних зірок полягає ще й у тому, що при зменшеннімаси зірки її радіус зростає, в результаті найменший розмір маютьнайбільш масивні нейтронні зірки.

СУДома ГИГАНТОВ

Пульсари вважаються однією з ранніх стадій життя нейтронної зірки.
Завдяки їх вивчення вчені дізналися і про магнітних полях, і про швидкістьобертання, і про подальшудолю нейтронних зірок. Постійно спостерігаючи за поведінкою пульсара, можнаточно встановити: скільки енергії він втрачає, наскільки сповільнюється, і навітьте, коли він припинить своє існування, сповільнившись настільки, що незможе випромінювати потужні радіохвилі. Ці дослідження підтвердили багатотеоретичні пророкування щодо нейтронних зірок.

Вже до 1968 року були виявлені пульсари з періодом обертання від 0,033секунди до 2 секунд. Періодичність імпульсів радіо пульсара витримується здивовижноюточністю, і спочатку стабільність цих сигналів була вище земних атомнихгодин. І все ж у міру прогресу в області вимірювання часу для багатьохпульсарів вдалосязареєструвати регулярні зміни їх періодів. Звичайно, цевиключно малі зміни, і тільки за мільйони років можна чекатизбільшення періоду вдвічі.
Відношення поточної швидкості обертання до уповільнення обертання - один зспособів оцінки віку пульсара.

Не дивлячись на вражаючу стабільність сигналу, деякі пульсариіноді відчувають так звані «порушення». За дуже короткий інтервалчасу (менше 2 хвилин) швидкість обертання пульсара збільшується наістотну величину, а потім через деякий час повертається до тієївеличиною, яка була до «порушення». Вважають, що «порушення» можуть бутивикликані перегрупуванням маси в межах нейтронної зірки. Але в будь-якомувипадку точний механізм поки що невідомий. Так, пульсар «Вела» приблизно раз натри роки піддається великим «порушень», і це робить його дужецікавим об'єктом для вивчення подібних явищ.

магнетар

Деякі нейтронні зірки, названі джерелами повторюваних сплесківм'якого гамма-випромінювання - SGR, випускають потужні сплески «м'яких» гамма -променів через нерегулярні інтервали. Кількість енергії, яка викидається SGRпри звичайній спалаху, що триває кілька десятих секунди. Сонце можевипроменить тільки за цілий рік. Чотири відомі SGR знаходяться в межахнашої Галактики і лише один - поза нею. Ці неймовірні вибухи енергіїможуть бути викликані «Зірки - трясеніямі» - потужними версіями землетрусів,коли розривається тверда поверхня нейтронних зірок і зїх надр вириваються потужні потоки протонів, які, грузнучи в магнітномуполе, випускають гамма - і рентгенівське випромінювання.

Нейтронні зірки були ідентифіковані як джерела потужних гамма --сплесків після величезної гамма спалаху 5 березня 1979, коли буловикинуто стільки енергії протягом першої ж секунди, скільки Сонцевипромінює за 1 000 років. Недавні спостереження за однією з найбільш "активних"в даний час нейтроннихзірок, схоже, підтверджують теорію про те, що нерегулярні потужні сплескигамма-та рентгенівського випромінень викликані «Зірки - трясеніямі». У 1998році раптово прокинувсявід «дрімоти» відомий SGR, який 20 років не подавав ознак активностіі вилив майже стільки ж енергії, як і гамма-спалах 5 березня 1979року. Найбільше вразило дослідників при спостереженні за цією подієюрізке уповільнення швидкості обертання зірки, що говорить про її руйнуванні. Дляпояснення потужних гаммаі рентгенівських спалахів була запропонована модель магнетар - нейтронноїзірки з надсильних магнітним полем. Якщо нейтронна зірка народжується,обертаючисьдуже швидко, то спільне вплив обертання і конвекції, яка граєважливу роль у перші кілька секунд існування нейтронної зірки,може створити багато магнітне поле в результаті складного процесу,відомого як «активне динамо» (таким же чином створюється поле всередині
Землі і Сонця). Теоретики були вражені, виявивши, що таке динамо,працюючи в гарячій,новонародженої нейтронної зірки, може створити магнітне поле, в 10 000 разівбільшесильніша, ніж звичайне поле пульсарів. Коли зірка охолоджується (секунд через
10 або 20),конвекція і дію динамо припиняються, але цього часу цілкомдостатньо, що-б встигло виникнути потрібне поле.

Магнітне поле що обертається електропровідного кулі буває нестійким,ірізка перебудова його структури може супроводжуватися викидом колосальнихзатрат енергії (наочний приклад такої нестійкості - періодичнаперекидання магнітних полюсів Землі). Аналогічні речі трапляються і на
Сонце, у вибухових події, названих «сонячними спалахами». У магнетардоступна магнітна енергія величезна, і цієї енергії цілком достатньо длямощі таких гігантських спалахів, як 5 березня 1979 і 27 серпня 1998 років.
Подібні події неминуче викликають глибоку ломку і зміни в структуріне тільки електричних струмів в обсязі нейтронної зірки, але і її твердої кори.

Іншим загадковим типом об'єктів, які випускають потужне рентгенівськевипромінювання під час періодичних вибухів, є так званіаномальні рентгенівські пульсари - АГР. Вони відрізняються від звичайнихрентгенівських пульсарів тим, що випромінюють тільки в рентгенівському діапазоні.
Вчені вважають, що SGR і АГР є фазами життя одного і того жкласу об'єктів, асаме магнетар, або нейтронних зірок, які гамма - кванти, черпаючиенергію з магнітного поля. І хоча магнетар на сьогодні залишаються дітищамитеоретиків, і немає достатніх даних, що підтверджують їх існування,астрономи наполегливо шукають потрібні докази.

Неспокійна СУСІДСТВА

Знаменита космічна обсерваторія «Чандра» виявила сотні об'єктів (утому числі і в інших галактиках), що свідчать про те, що не всімнейтронних зірокпризначено вести життя на самоті. Такі об'єкти народжуються в подвійнихсистемах, які пережили вибух наднової, що створив нейтронну зірку. Аіноді трапляється, що поодинокі нейтронні зірки в щільних зорянихобластях типу кульових скупчень захоплюють собі компаньйона. У такому випадкунейтронна зірка буде «красти» речовина у своєї сусідки. І в залежностівід того, наскільки масивна зірка складе їй компанію, ця «крадіжка» будевикликати різні наслідки.

Газ, поточний з компаньйона, масою, меншою, ніж у нашого Сонця, на таку
«Крихти», як нейтронна зірка, не зможе відразу впасти з - за свогозанадто великого кутового моменту. Тому він створює навколо неї такзваний аккреційному диску з «вкраденої» матерії. Тертя принакручування на нейтронну зірку і стиснення в гравітаційне полерозігріває газ до мільйонів градусів, і він починає випускатирентгенівське випромінювання.

Інше цікаве явище, пов'язане з малими зірками, що мають мало -пасивного компаньйона, - рентгенівські спалаху (барстери). Вони зазвичайтривають від кількох секунд до кількох хвилин і в максимумі дають зіркусвітність, майже в 100 тисяч разів перевищує світність Сонця. Ціспалаху пояснюють тим, що, коли водень і гелій переносяться на нейтроннузірку з компаньйона, вони утворюють щільний шар. Поступово цей шарстає настільки щільним і гарячим, що починається реакціятермоядерного синтезу і виділяється величезна кількість енергії. За потужністюце еквівалентно вибуху всього ядерного арсеналу землян на кожному квадратномусантиметрі поверхні нейтронної зірки через хвилину.

Зовсім інша картина спостерігається, якщо нейтронна зірка маємасивного компаньйона. Зірка-гігант втрачає речовину у вигляді зоряного вітру
(що виходить від її поверхні потоку іонізованого газу), і величезнагравітація нейтронної зірки захоплює частину цієї речовини собі. Алетут вступає в свої права магнітне поле, яке змушує падаючеречовина текти по силових лініях до магнітних полюсів. Це означає, щорентгенівське випромінювання, перш за все, генерується в гарячих точках наполюсах, і якщо магнітна вісь і вісь обертання зірки не збігаються, тояскравість зірки виявляється змінної - це теж пульсар, але тількирентгенівський.

Нейтронні зірки в рентгенівських пульсара мають компаньйонами яскравізірки-гіганти. У барстери ж компаньйонами нейтронних зірок єслабкі за блискомзорі малих мас. Вік яскравих гігантів не перевищує декількох десятківмільйонів років, тоді як вік «слабких» зірок - карликів моженараховувати мільярди років, оскільки перший набагато швидше витрачають своєядерне паливо, ніж друге. Звідси випливає, що барстери - це старісистеми, в яких магнітне поле встигло з часом ослабнути, а пульсари --відносно молоді, і тому магнітні поля в них сильніше. Може бути,барстери колись у минулому пульсували, а пульсарами ще належитьспалахувати в майбутньому.

З подвійними системами пов'язують і пульсари із самими короткими періодами
(менше 30 мілісекунд) - так звані мілісекундним пульсари. Незважаючина їх швидке обертання, вони виявляються не молодими, як слід було бочікувати, а самими старими.

Виникають вони з подвійних систем, де стара, повільно обертаєтьсянейтронназірка починає поглинати материю зі свого, теж бувши староюкомпаньйона (зазвичай червоного гіганта). Падаючи на поверхню нейтронноїзірки, матерія передає їй обертальну енергію, змушуючи крутитися всешвидше. Відбувається це до тих пір, поки компаньйон нейтронної зірки, майжезвільнений від зайвої маси, не стане білим карликом, а пульсар НЕоживе і не почне обертатися зі швидкістю сотні обертів на секунду.

Втім, нещодавно астрономи виявили вельми незвичайну систему, декомпаньйоном мілісекундного пульсара є не білий карлик, а гігантськароздута червона зірка. Вчені вважають, що вони спостерігають цю подвійнусистему як раз на стадії «звільнення» червоної зірки від зайвої ваги іперетворення на білого карлика.
Якщо ця гіпотеза неправильна, тоді зірка-компаньйон може бути звичайноюзіркою з шарового скупчення, випадково захопленої пульсарів.

Майже всі нейтронні зірки, які відомі в даний час, знайденоабо в рентгенівських подвійних системах, або як поодинокі пульсари. І осьнедавно «Хаббл»помітив у видимому світлі нейтронну зірку, яка не є компонентомподвійної системи і не пульсує в рентгенівському і радіодіапазоні. Це даєунікальну можливість точно визначити її розмір і внести корективи вуявлення про склад і структуру цього химерного класу вигорілих,стислих гравітацією зірок. Ця зірка була виявлена вперше якрентгенівський джерело і випромінює в цьому діапазоні не тому, що збираєводневий газ, коли рухається в просторі, а тому, що вона все щемолода. Можливо, вона є залишком однієї з зірок подвійної системи. УВнаслідок вибуху наднової ця подвійна система зруйнувалася, і колишнісусіди почали незалежне подорож по Всесвіту.