Астрономы уточнили размер нейтронных звезд
Сравнительный размер нейтронной звезды. Фото: NASA’s Goddard Space Flight Center
Международная исследовательская группа во главе с сотрудниками Института гравитационной физики им. Макса Планка смогла усовершенствовать методику расчета размера нейтронных звезд. Для этого они внимательно изучили слияние нейтронной звезды GW170817. Результаты исследования предполагают, что типичный радиус нейтронной звезды достигает 11 километров. Кроме того, они также обнаружили, что нейтронная звезда в системе с черной дырой может быть поглощена ей при условии, что размеры черной дыры больше, и она вращается не быстро. Это означает, что подобные слияния могут быть источниками гравитационных волн, но при этом не могут быть обнаружены в электромагнитном спектре.
«Слияние нейтронных звезд в двойной системе – это настоящее сокровище для астрономов!», — говорит Коллин Капано, ведущий автор исследования. «Нейтронные звезды – это самый плотный объект в наблюдаемой Вселенной. Они настолько плотные, что, например, размер нейтронной звезды, полученной из Солнца, был бы всего несколько километров! Измеряя свойства этих объектов, мы узнаем о фундаментальной физике, которая управляет материей на субатомном уровне».
«Мы рассчитали, что размер типичной нейтронной звезды, масса которой превышает солнечную в 1.4 раза, составляет всего 11 километров», — добавил Бадри Кришнан, который возглавляет исследовательскую группу. «Наши результаты ограничивают радиус в пределах от 10,4 до 11,9 километров. Эти значения более чем в два раза точнее, чем давали предыдущие наблюдения».
Визуализация процесса столкновения в системе GW170817. двух нейтронных. Видео: Chandra X-ray Observatory
Нейтронные звезды — компактные, чрезвычайно плотные остатки взрывов сверхновых. Имея размер небольшого города, их масса может превышать массу Солнца и как ведет себя столь плотная материя остается неизвестно. В лабораториях невозможно даже приблизиться к таким условиям. Ученые предлагают различные гипотезы, относительно того как ведет себя материя в нейтронной звезде, но доказать или опровергнуть их пока невозможно.
Слияние нейтронных звезд позволяет астрономам определить их фундаментальные параметры: массу, размер, орбиту. Так, наблюдая за слиянием нейтронных звезд GW170817 с помощью гравитационных волн и в электромагнитном спектре в августе 2017 года, астрономам удалось изучить поведение материи в экстремальных условиях.
«Это немного ошеломляет. GW170817 был вызван столкновением двух объектов размером с город 120 миллионов лет назад, когда по Земле гуляли динозавры. Это произошло в галактике, которая расположена на расстоянии миллиарда триллионов километров. И с такого расстояние мы изучаем поведение материи на субатомном уровне!», — сказал Капано.
Насколько большая нейтронная звезда?
Франко-итальянский детектор гравитационных волн Virgo. Фото: НАСА
Для первоначальной оценки размеров нейтронной звезды у исследователей было несколько различных моделей, которые могли описать состояния нейтронных звезд. Из этой вариации ученые выбрали несколько моделей, которые могли бы объяснить предыдущие астрофизические наблюдения нейтронных звезд. После этого они наложили полученные данные на результаты наблюдения системы GW170817 с помощью данных регистраторов гравитационных волн LIGO и Virgo. Это позволило ученым не только получить достоверную информацию о физике плотной материи, но и получить самые строгие ограничения на размер нейтронных звезд на сегодняшний день.
Будущие наблюдения за нейтронными звездами
«Эти результаты впечатляют не только потому, что мы смогли значительно улучшить измерения радиусов нейтронных звезд, но и потому, что они дают нам представление о судьбе нейтронных звезд в сливающихся двойных системах», — говорит Стефани Браун, соавтор публикации. Благодаря этому исследованию астрономы наконец-то смогут выйти на такой высокий уровень, что смогут отличать только по анализу гравитационных волн слияние двух нейтронных звезд от слияния двух черных дыр.
Однако существует один нюанс. Слияние черной дыры и нейтронный звезды будет достаточно сложно отличить от слияния двух черных дыр. Для их разделения придется воспользоваться еще изучением их электромагнитного спектра. Но и здесь есть загвоздка. На основании теоретических расчетов, астрономы предполагают, что при таком слияние нейтронная звезда не будет разорвана черной дырой, а просто «нырнет» внутрь. Исключением будет лишь тот слушай, когда размер черной дыры достаточно мал или её скорость вращения достаточно велика.
Светлое будущее впереди
Ученые с оптимизмом смотрят в будущее и надеются на модернизацию существующих детекторов и постройку новых, которые позволят выйти на беспрецедентный уровень анализа гравитационных волн. Ведь каждое события слияние нейтронных звезд дает астрономам уникальную возможность узнать больше о нейтронной звезде и ядерной физике.
Источник
Астрономы уточнили размер нейтронных звезд и усомнились в существовании их кварковых «близнецов»
Новости партнеров
Каков размер нейтронных звезд? Предыдущие оценки радиуса варьировались от восьми до шестнадцати километров. Астрофизикам из Университета Гете во Франкфурте (Германия) удалось определить размер нейтронных звезд с точностью до 1,5 километров с помощью сложного статистического подхода, основанного на измерении гравитационных волн. Отчет исследователей представлен в Physical Review Letters.
Нейтронные звезды – самые плотные объекты во Вселенной с массой, превышающей Солнце, но уплотненные в относительно маленькую сферу. Уже более 40 лет определение размеров нейтронных звезд является Святым Граалем ядерной физики, находка которого предоставит важную информацию о фундаментальном поведении ядерных плотностей.
Данные об обнаружении гравитационных волн от слияния нейтронных звезд (GW170817) вносят важный вклад в решение этой головоломки. В конце 2017 года профессор Лучиано Реццолла вместе со своими учениками Элиасом Мостом и Лукасом Вейхом уже использовали их, чтобы ответить на давний вопрос о максимальной массе, которую могут иметь нейтронные звезды перед тем, как коллапсировать в черную дыру. После первого важного результата эта же команда с помощью профессора Юргена Шаффнера-Белича приступила к установке более жестких ограничений на размер нейтронных звезд.
Суть в том, что уравнение состояния, которое описывает вещество внутри нейтронных звезд, неизвестно. Физики выбрали статистические методы для определения размеров нейтронных звезд в узких пределах. Они рассчитали более двух миллиардов теоретических моделей, решив для них уравнение Эйнштейна, и объединили этот большой набор данных с ограничениями, исходящими из обнаружения гравитационных волн GW170817.
В результате исследователи определили радиус типичной нейтронной звезды в пределах разницы 1,5 километров: он составляет от 12 до 13,5 километров, что может быть дополнительно уточнено будущими обнаружениями гравитационных волн.
«Тем не менее, у задачи могло быть не одно решение», – комментирует Юрген Шаффнер-Белич. Возможно, что при сверхвысоких плотностях вещество резко меняет свойства и приближается к так называемому «фазовому переходу». Это похоже на то, что происходит с водой, когда она замерзает и переходит из жидкого в твердое состояние. В случае нейтронных звезд этот переход предположительно превращает обычную материю в «кварковую», создавая звезды, которые будут иметь ту же массу, что и их «близнец» – нейтронная звезда, но они будут намного меньше и, следовательно, еще более компактны.
Хотя нет доказательств их существования, они могут быть правдоподобным решением, и исследователи из Франкфурта учли эту возможность, несмотря на дополнительные осложнения. Усилие оправдалось: звезды-близнецы оказались статистически маловероятны. Это важный вывод, который теперь позволяет ученым потенциально исключить существование этих очень компактных объектов. Будущие наблюдения гравитационных волн покажут, имеют ли нейтронные звезды экзотических близнецов.
Источник
Нейтронная звезда
Нейтро́нная звезда́ — космическое тело, являющееся одним из возможных результатов эволюции звезд, состоящее, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (около 1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов.
Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус нейтронной звезды составляет лишь 10—20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8⋅1017 кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерного вещества, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.
Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью осевого вращения, — до нескольких сотен оборотов в секунду. По современным представлениям нейтронные звёзды возникают в результате вспышек сверхновых звезд.
В нейтронной звезде можно условно выделить пять слоёв: атмосфера, внешняя кора, внутренняя кора, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Атмосфера нейтронной звезды — очень тонкий слой плазмы (от десятков сантиметров у горячих звёзд до миллиметров у холодных), в ней формируется тепловое излучение нейтронной звезды.
Внешняя кора состоит из ядер и электронов, её толщина достигает нескольких сотен метров. В тонком (не более нескольких метров) приповерхностном слое горячей внешней коры нейтронной звезды электронный газ находится в невырожденном состоянии, в более глубоких слоях электронный газ вырожденный, с увеличением глубины его вырождение становится релятивистским и ультрарелятивистским.
Внутренняя кора состоит из электронов, свободных нейтронов и атомных ядер с избытком нейтронов. С ростом глубины доля свободных нейтронов увеличивается, а доля атомных ядер уменьшается. Толщина внутренней коры может достигать нескольких километров.
Внешнее ядро состоит из нейтронов с небольшой примесью (несколько процентов) протонов и электронов. У нейтронных звёзд с малой массой внешнее ядро может простираться до центра звезды
У массивных нейтронных звёзд есть и внутреннее ядро. Его радиус может достигать нескольких километров, плотность в центре ядра может превышать плотность атомных ядер в 10—15 раз.
Взаимодействие нейтронной звезды с окружающим веществом определяют два основных параметра и, как следствие, их наблюдаемые проявления: период (скорость) вращения и величина магнитного поля. Со временем звезда расходует свою вращательную энергию, и её вращение замедляется. Магнитное поле также ослабевает. По этой причине нейтронная звезда за время своей жизни может менять свой тип. Ниже представлена номенклатура нейтронных звёзд в порядке убывания скорости вращения, согласно монографии В. М. Липунова [12] . Поскольку теория магнитосфер пульсаров всё ещё в состоянии развития, существуют альтернативные теоретические модели (см. недавний обзор [13] и ссылки там).
Эжектор
Сильные магнитные поля и малый период вращения. В простейшей модели магнитосферы, магнитное поле вращается твердотельно, то есть с той же угловой скоростью, что и тело нейтронной звезды. На определённом радиусе линейная скорость вращения поля приближается к скорости света. Этот радиус называется «радиусом светового цилиндра». За этим радиусом обычное дипольное магнитное поле существовать не может, поэтому линии напряжённости поля в этом месте обрываются. Заряженные частицы, двигающиеся вдоль силовых линий магнитного поля, через такие обрывы могут покидать нейтронную звезду и улетать в межзвёздное пространство. Нейтронная звезда данного типа «эжектирует» (от англ. eject — извергать, выталкивать) релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне. Эжекторы наблюдаются как радиопульсары.
«Пропеллер»
Скорость вращения уже недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром. Однако скорость вращения всё ещё велика, и захваченное магнитным полем окружающее нейтронную звезду вещество не может упасть на поверхность, то есть аккреция вещества не происходит. Нейтронные звёзды данного типа практически не наблюдаемы и изучены плохо.
Аккретор
Скорость вращения снижается настолько, что веществу теперь ничего не препятствует падать на такую нейтронную звезду. Падая, вещество, уже будучи в состоянии плазмы, движется по линиям магнитного поля и ударяется о поверхность тела нейтронной звезды в районе её полюсов, разогреваясь при этом до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, ярко светится в мягком рентгеновском диапазоне. Размер области, в которой происходит столкновение падающего вещества с поверхностью тела нейтронной звезды, очень мала — всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически затмевается телом звезды, поэтому наблюдаются регулярные пульсации рентген-излучения. Такие объекты и называются рентгеновскими пульсарами.
Георотатор
Скорость вращения таких нейтронных звёзд мала и не препятствует аккреции. Но размеры магнитосферы таковы, что плазма останавливается магнитным полем раньше, чем она будет захвачена гравитацией. Подобный механизм работает в магнитосфере Земли, из-за чего данный тип нейтронных звёзд и получил своё название.
Эргозвезда
Теоретически возможная устойчивая разновидность нейтронной звезды, имеющая эргосферу. Вероятно, эргозвезды возникают в процессе слияния нейтронных звезд.
Источник
Нейтронные звёзды
Пульсар в представлении художника
Нейтронные звёзды — массивные остатки ядер сверхгигантов. Они имеют очень маленькие размеры — в среднем 20 км, что очень мало в звёздных масштабах. Но при таких маленьких размерах у нейтронных звёзд очень большая плотность — для её получения нужно сжать небоскреб до размера мячика для гольфа. Одна чайная ложка вещества нейтронной звезды весит 300 млн. тонн. Суммарный вес нейтронной звезды больше, чем у Солнца.
Содержание
Виды нейтронных звёзд [ править | править код ]
Нейтронные звёзды делятся на два вида: пульсары и магнетары. При образовании нейтронной звезды она становится одним из двух, но чаще пульсаром.
Пульсары [ править | править код ]
Пульсары, как правило, очень быстро вращаться вокруг своей оси, испуская радиационные лучи с полюсов. Из-за этого с Земли звезда будто бы то угасает, то снова появляется. Скорость вращения пульсаров обычно варьируется от 1 до 700 оборотов в секунду.
Помимо обычных пульсаров существуют и следующие:
Рентгеновские пульсары [ править | править код ]
Рентгеновские пульсары — нейтронные звёзды, испускающие свет в рентгеновском спектре.
Миллисекундные пульсары [ править | править код ]
Миллисекундные пульсары — один из видов пульсаров, делающий оборот вокруг своей оси менее чем за секунду. Обычно у них есть компаньоны в виде либо обычных звёзд, либо других пульсаров, которые и раскручивают их до таких скоростей.
Магнетары [ править | править код ]
В отличие от пульсаров магнетары не испускают лучей с полюсов и не вращаются с такой большой скоростью. Зато они имеют самые сильные магнитные поля во вселенной. Если бы такая звезда пролетела достаточно близко от Земли, то она легко бы стёрла информацию с вашей кредитной карты.
Сиамские звезды [ править | править код ]
Как уже было сказано выше, нейтронная звезда может стать либо пульсаром, либо магнетаром. Но в 2011 году была открыта звезда Swift J1822.3–1606, которая имеет одновременно свойства и пульсаров, и магнетаров. Она находится в созвездии Змееносца. Возможно, это ещё один очень редкий вид нейтронных звёзд, о котором мы знаем очень мало. Таких объектов было найдено всего 1-2 штуки.
Вспышки магнетаров [ править | править код ]
Иногда на поверхности магнетаров появляется трещина. Из этой трещины вырывается огромное количество излучения. Происходящий от этого взрыв мощнее чем столкновение двух планет размером с Землю. Такой взрыв может с расстояния в 10 световых лет уничтожить озоновый слой Земли.
Источник