Neitronu zvaigzne — definīcija un galvenās īpašības: masa, blīvums, pulsari
Neitronu zvaigzne ir ļoti maza un blīva zvaigzne, kas gandrīz pilnībā sastāv no neitroniem. Tās ir nelielas zvaigznes, kuru rādiuss ir aptuveni 11–12 kilometri. To masa bieži ir apmēram 1,1 līdz 2,3 reizes lielāka par Saules masu, taču daudzas neitronu zvaigznes sastopamas ar aptuveni divreiz lielāku masu nekā Saule. Tās ir vienas no visblīvākajām zināmajām objektu formām Visumā un parasti rodas kā masīvu zvaigžņu atlikums pēc supernovas eksplozijas.
Veidošanās un struktūra
Neitronu zvaigznes rodas, kad masīva zvaigzne izdeg savu kodolkurināmo vielu un centrs sabrūk zem paša smaguma. Šajā procesā elektronus un protonus spiež kopā, veidojot neitronus (procesu sauc par inverse beta reakciju). Neitronu zvaigznes iekšējā struktūra ir sarežģīta: tām ir plāna, kristāliska garozas daļa (kērpa), ievērojami blīvā neitronu ārējā un iekšējā garoza un iekšējais kodols, kura stāvoklis nav pilnībā zināms — iespējamie scenāriji ietver superfluīdus neitronus, hiperonus vai pat kvarku vielu.
Izmēri, masa un robežas
Tipiska neitronu zvaigzne ir ļoti kompakta: tās rādiuss ir nedaudz desmiti kilometru, bet masa ievērojama — parasti no aptuveni 1,1 līdz ~2,3 Saules masu. Augstākas masas gadījumā spiediens kodolā var kļūt tik liels, ka zvaigzne vairs nevar pastāvēt kā neitronu zvaigzne un sakristalizējas par melno caurumu; šo teorētisko augšējo robežu sauc par Tolmana–Oppenheimera–Volkofa (TOV) limitu, kas atkarīgs no neitronu zvaigžņu iekšējās "vienādojuma stāvokļa" (equation of state) un parasti tiek lēsts ap 2–3 Saules masu.
Blīvums un svarīgākie skaitļi
Neitronu zvaigznes blīvums ir līdzīgs atoma kodola blīvumam — aptuveni 1017 kg/m3 (citiem vārdiem, viena kubikcentimetra masa var būt miljardiem tonnu). Lai to iedomātos: ja visu mūsu Saules masu sapresētu līdz apmēram 19 kilometru (12 jūdžu) diametra lodei, rezultāts būtu neitronu zvaigzne. Vēl viens salīdzinājums: viena tējkarote neitronu zvaigznes vielas var svērt aptuveni dažus miljardus līdz triljonus tonnu (parasti min apmēram 6 miljardus tonnu — atkarībā no konkrētā aprēķina).
Magnētiskie lauki, griešanās un pulsari
Tām ir spēcīgi magnētiskie lauki, kas parasti ir 108 līdz 1015 reiz spēcīgāki par Zemes magnētisko lauku. Dažas neitronu zvaigznes — pulsari — izstaro šaurus radio, optiskā, rentgena vai gama staru kūļus, jo spēcīgais magnētiskais lauks un ātra griešanās fokusē elektromagnētisko starojumu. Pulsaru rotācijas periodi variē no aptuveni 1,5 milisekundēm (ātrākie "milisekundes pulsari") līdz vairākām desmitām sekundēm. Magnēta zvaigznes ir īpaši ar lieliem laukiem (līdz ~1015 G), un tās saistītas ar eksotiskām izlādes parādībām (piem., soft gamma repeaters). Turklāt pastāv binārie pulsari, kuriem sekot ļāvis precīzi pārbaudīt vispārējo relativitāti.
Gravitācija un virsmas apstākļi
Gravitācijas lauks pie neitronu zvaigznes virsmas ir milzīgs — apmēram 2×1011 reižu spēcīgāks nekā uz Zemes, kas nozīmē, ka relatīvistiskie efekti (piem., gravitācijas sarkanais nobīde) novērojami jau pie virsmas. To temperatūra ir ļoti augsta tūlīt pēc veidošanās — kodoli var sasniegt>1011 K, virsmas temperatūra novērojamām jaunām neitronu zvaigznēm parasti ir aptuveni 6×105 K līdz 106 K; ar laiku zvaigznes atdziest un virsmas temperatūra samazinās.
Novērošana, nozīme un modernās atklāsmes
Neitronu zvaigznes tiek novērotas radio, optiskajā, rentgena un gama diapazonā. Pulsaru periodi tiek mērīti ar lielu precizitāti, un tie kalpo kā "kosmiski pulksteņi" — to pētījumi deva atklāsmes par gravitatīvo staru emisiju (piem., Hulse–Taylor binārais pulsars) un, jaunākajā laikā, gravitācijas viļņi no divu neitronu zvaigžņu saplūšanas (detektēti ar LIGO/Virgo) sniedza informāciju par neitronu zvaigžņu masu, izmēru un iekšējo stāvokli. Neitronu zvaigznes ir būtiskas, lai saprastu kodolmateriālu īpašības ļoti augstā spiedienā un pārbaudītu relativitāti ekstrēmos apstākļos.
Īsas svarīgākās īpašības
- Rādiuss: aptuveni 11–12 kilometri.
- Masa: parasti ~1,1–2,3 Saules masu.
- Blīvums: līdzīgs atoma kodola blīvumam (aptuveni 1017 kg/m3).
- Rotācija: periodi no milisekundēm līdz desmitiem sekunžu.
- Magnētiskie lauki: 108–1015 reizes Zemes lauka stiprums.
- Temperatūra (virsma): novērojami ~6×105 K un vairāk, īpaši jaunas zvaigznes.
Neitronu zvaigznes ir vieni no interesantākajiem un ekstrēmākajiem Visuma objektiem — to izpēte sniedz svarīgas atziņas par kodolfiziku, gravitāciju un zvaigžņu evolūciju.
Pulsara PSR B1509-58, kas ir strauji rotējoša neitronu zvaigzne, starojums liek tuvumā esošajai gāzei spīdēt rentgena starojumā (zelta krāsā, no Chandra) un izgaismo pārējo miglāju, kas šeit redzama infrasarkanā starojumā (zilā un sarkanā krāsā, no WISE).
Modelis, kas parāda, kā neitronu zvaigzne izskatās no iekšpuses.
Vēsture
1934. gadā Valters Baads un Fricis Cvickis ierosināja neitronu zvaigžņu pastāvēšanu, tikai gadu pēc tam, kad neitronu atklāja Džeimss Čadviks.
Meklējot supernovas izcelsmi, viņi izteica pieņēmumu, ka supernovu sprādzienos parastas zvaigznes pārvēršas par zvaigznēm, kas sastāv no ārkārtīgi cieši sakopotiem neitroniem, kurus viņi nosauca par neitronu zvaigznēm. Baade un Cvicky ierosināja, ka neitronu zvaigžņu gravitācijas saistošās enerģijas atbrīvošanās nodrošina supernovas spēku: "Supernovas procesā masas masas masas masa tiek anihilēta".
Tika uzskatīts, ka neitronu zvaigznes ir pārāk vājas, lai tās varētu atklāt. Līdz 1967. gada novembrim, kad Franko Pačīni (1939-2012) norādīja, ka, ja neitronu zvaigznes rotē un tām ir liels magnētiskais lauks, tad tiek emitēti elektromagnētiskie viļņi, ar tām tika maz strādāts. Kembridžas radioastronoms Entonijs Hivišs (Antony Hewish) un viņa asistents Džočelins Bells (Jocelyn Bell) drīz atklāja radio impulsus no zvaigznēm, kuras tagad sauc par pulsariem.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir neitronu zvaigzne?
A: Neitronu zvaigzne ir ļoti maza un blīva zvaigzne, kas gandrīz pilnībā sastāv no neitroniem. Tās rādiuss ir aptuveni 11-11,5 kilometri un masa ir aptuveni divreiz lielāka par Saules masu.
J: Cik blīva ir neitronu zvaigzne?
A: Zvaigznes blīvums ir līdzīgs atoma kodola blīvumam, un tās gravitācijas lauks pie virsmas ir 2x1011 reizi spēcīgāks nekā uz Zemes. Lai to aplūkotu perspektīvā, visu mūsu Saules masu varētu saspiest 19 kilometru diametra lodē. Viena tējkarote neitronu zvaigznes vielas svērtu 6 miljardus tonnu.
Jautājums: Cik ātri rotē neitronu zvaigznes?
A: Neitronu zvaigznes griežas ļoti ātri - no 0,001 sekundes līdz 30 sekundēm.
J: Kādi ir to veidi?
A: Ir dažādi veidi, piemēram, pulsari, magnētsargi un bināri pulsari, kas izstaro elektromagnētiskā starojuma starus vai kuriem ir spēcīgi magnētiskie lauki, attiecīgi 108 līdz 1015 reižu spēcīgāki nekā uz Zemes.
J: Kāda temperatūra tiem parasti ir?
A: Novērojamās neitronu zvaigznes ir ļoti karstas, un to virsmas temperatūra parasti ir aptuveni 600000 K (600000 Kelvina grādu).
