С момента открытия нейтронных звезд в 1960-х годах ученые стремились ответить на очень важный вопрос: насколько массивными могут быть нейтронные звезды? В отличие от черных дыр, эти звезды не могут иметь произвольную массу. И вот астрофизикам из университета им. Гёте удалось вычислить верхний предел максимальной массы нейтронных звезд.
Имея радиус около 12 километров, и массу, которая может быть вдвое больше, чем у , нейтронные звезды входят в число самых плотных объектов во Вселенной, создавая гравитационные поля, сравнимые по мощности с полями, генерируемыми . Большинство нейтронных звезд имеют массу примерно в 1,4 раза больше, чем у Солнца, однако также известны примеры, такие как пульсар PSR J0348 + 0432, имеющий 2,01 массы Солнца.
Плотность этих звезд огромна, она примерно такова, как если бы Гималаи были сжаты до размеров пивной кружки. Однако есть основания полагать, что нейтронная звезда с максимальной массой сожмется до черной дыры, если бы будет добавлен хотя бы один нейтрон.
Вместе со своими учениками Элиасом Мостом и Лукасом Вейхом, профессор Лучиано Реццолла, физик, старший научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований (FIAS) и профессор теоретической астрофизики в университете имени Гёте во Франкфурте, в настоящее время решили проблему, которая оставалась без ответа в течение 40 лет. Их вывод таков: с вероятностью до нескольких процентов максимальная масса невращающихся не может превышать 2,16 массы Солнца.
Основой для этого результата был подход «универсальных отношений», разработанный во Франкфурте несколько лет назад. Существование «универсальных отношений» подразумевает, что практически все нейтронные звезды «похожи друг на друга», что означает, что их свойства могут быть выражены в терминах безразмерных величин. Исследователи объединили эти «универсальные отношения» с данными о гравитационных волнах и электромагнитном излучении, полученными во время наблюдения в прошлом году двух нейтронных звезд в рамках эксперимента . Это значительно упрощает расчеты, поскольку делает их независимыми от уравнения состояния. Это уравнение является теоретической моделью, используемой для описания плотной материи внутри звезды, которая предоставляет информацию о ее составе на разных глубинах. Поэтому такая универсальная связь сыграла существенную роль в определении новой максимальной массы.
Полученный результат — хороший пример взаимодействия теоретических и экспериментальных исследований. «Прелесть теоретических исследований заключается в том, что она позволяет нам делать прогнозы. Теория, однако, отчаянно нуждается в экспериментах, чтобы сузить некоторые из ее неопределенностей», — говорит профессор Реццолла. «Поэтому весьма примечательно, что наблюдение единственного столкновения нейтронных звезд, произошедшее в миллионах световых лет от нас, в сочетании с универсальными отношениями, открытыми в нашей теоретической работе, позволило нам решить загадку, по поводу которой было так много спекуляций в прошлом».
Результаты были опубликованы в виде письма в астрофизическом журнале (Astrophysical Journal) . Всего несколько дней спустя исследовательские группы из США и Японии подтвердили полученные выводы, несмотря на то, что до сих пор придерживались разных и независимых подходов.
Звёзды, у которых масса в 1,5-3 раза больше, чем у Солнца не смогут в конце жизни остановить своё сжатие на стадии белого карлика. Мощные силы гравитации сожмут их до такой плотности, при которой произойдёт "нейтрализация" вещества: взаимодействие электронов с протонами привёдёт к тому, что почти вся масса звезды будет заключена в нейтронах. Образуется нейтронная звезда . Наиболее массивные звёзды могут обратиться в нейтронные, после того как они взорвутся как сверхновые.В начале 60-х годов открытие космических источников рентгеновского излучения весьма обнадёжило тех, кто рассматривал нейтронные звёзды как возможные источники небесного рентгеновского излучения. К концу 1967г. был обнаружен новый класс небесных объектов - пульсары, что привело учёных в замешательство. Это открытие явилось наиболее важным событием в изучении нейтронных звёзд, так как оно вновь подняло вопрос о происхождении космического рентгеновского излучения. Говоря о нейтронных звёздах, следует учитывать, что их физические характеристики установлены теоретически и весьма гипотетичны, так как физические условия, существующие в этих телах, не могут быть воспроизведены в лабораторных экспериментах.
Остаток сверхновой Корма-А, в центре которой находится нейтронная звезда
Нейтронные звезды являются остатками массивных звезд, которые достигли конца своего эволюционного пути во времени и пространстве.
Эти интересные объекты, рождаются от некогда массивных гигантов, которые в четыре-восемь раз больше нашего Солнца. Происходит это во вспышке сверхновой.
После такого взрыва внешние слои выбрасываются в космос, ядро остается, но она больше не в состоянии поддерживать ядерный синтез. Без внешнего давления от вышележащих слоев, она коллапсирует и катастрофически сжимается.
Несмотря на свой малый диаметр — около 20 км, нейтронные звезды могут похвастаться в 1,5 раза большей массой нежели чем у нашего Солнца. Таким образом, они являются невероятно плотными.
Маленькая ложка вещества звезды на Земле будет весить около ста миллионов тонн. В ней протоны и электроны объединяются в нейтроны – этот процесс называется нейтронизацией.
Состав их неизвестен, предполагают, что они могут состоять из сверхтекучей нейтронной жидкости. Они обладают чрезвычайно сильным гравитационным притяжением, гораздо больше, чем у Земли и даже у Солнца. Это гравитационные силы особенно впечатляют, поскольку она имеет небольшой размер.
Все они вращаются вокруг оси. При сжатии, угловой момент вращения сохраняется, а из-за уменьшения размеров, скорость вращения возрастает.
Из-за огромной скорости вращения, внешняя поверхность, представляющая собой твердую «кору» периодически трескается и происходят «звездотрясения», которые замедляют скорость вращения и сбрасывают «излишки» энергии в космос.
Ошеломляющее давление, которое существуют в ядре, может быть похоже на то, которое существовало в момент большого взрыва, но к сожалению, его нельзя смоделировать на Земле. Поэтому эти объекты являются идеальными природными лабораториями, где мы можем наблюдать энергии недоступные на Земле.
Радиоульсары были открыты в конце 1967 г. аспирантом Jocelyn Bell Burnell как радиоисточники, которые пульсируют на постоянной частоте.
Радиация, испускаемая звездой, видна как пульсирующий источник излучения или пульсар.
Схематическое изображение вращения нейтронной звезды
Радиопульсары (или просто пульсар) — это вращающиеся нейтронные звезды, струи частиц которых, движутся почти со скоростью света, как вращающийся луч маяка.
После непрерывного вращения, в течение нескольких миллионов лет, пульсары теряют свою энергию и становятся нормальными нейтронными звездами. На сегодня известно только около 1000 пульсаров, хотя их могут быть сотни в галактике.
Радиопульсар в Крабовидной туманности
Некоторые нейтронные звезды испускают рентгеновское излучение. Знаменитая Крабовидная туманность — хороший пример такого объекта, образовавшейся во время взрыва сверхновой. Эта вспышка сверхновой наблюдалась в 1054 году нашей эры.
Ветер от Пульсара, видео телескопа Чандра
Радиопульсар в Крабовидной туманности, сфотографированный с помощью космического телескопа Хаббла через фильтр 547nm (зеленый свет) с 7 августа 2000 года по 17 апреля 2001 года.
Нейтронные звезды имеют магнитное поле в миллионы раз сильнее, чем самое сильное магнитное поле, производимое на Земле. Они также известны как магнетары.
Планеты у нейтронных звезд
На сегодня известно, что у четырех есть планеты. Когда она находится в двойной системе, то возможно измерить ее массу. Из числа таких двоичных систем в радио или рентгеновском диапазоне, измеренные массы нейтронных звезд были примерно в 1.4 раза больше массы Солнца.
Совсем иной тип пульсаров виден в некоторых рентгеновских двойных системах. В этих случаях, нейтронная звезда и обычная образуют двойную систему. Сильное гравитационное поле тянет материал из обычной звезды. Материал, падающий на нее в процессе аккреции, нагревается так сильно, что производит рентгеновские лучи. Импульсные рентгеновские лучи видны, когда горячие пятна на вращающемся пульсаре проходят через луч зрения с Земли.
Для бинарных систем, содержащих неизвестный объект, эта информация помогает отличить: является ли он нейтронной звездой, или например черной дырой, потому что черные дыры куда более массивные.
На протяжении всей своей истории человечество не прекращало попыток познать вселенную. Вселенной называют совокупность всего существующего, всех материальных частиц пространства между этими частицами. По современным представлениям возраст Вселенной составляет около 14 миллиардов лет.
Размеры видимой части вселенной составляют примерно 14 миллиардов световых лет (один световой год - это расстояние, которое проходит свет в вакууме за один год). По оценкам некоторых ученных протяженность вселенной составляет 90 миллиардов световых лет. Для того, чтобы было удобно оперировать такими огромными расстояниями используют величину названую Парсек. Парсек - это такое расстояние, с которого средний радиус земной орбиты, перпендикулярный лучу зрения, виден под углом одной угловой секунды. 1 парсек = 3,2616 световых лет.
Во вселенной находится огромное число различных объектов, название которых у многих на слуху, такие как планеты и спутники, звезды, черные дыры и др. Звезды очень разнообразны по своей яркости, размерам, температуре, и другим параметрам. К звездам относят такие объекты как белые карлики, нейтронные звезды, гиганты и сверх гиганты, квазары и пульсары. Особый интерес вызывают центры галактик. По современным представлениям, на роль объекта, находящегося в центре галактики подходит черная дыра. Черные дыры - это уникальное по своим свойствам продукты эволюции звезд. Экспериментальная достоверность существования черных дыр зависит от справедливости общей теории относительности.
Кроме галактик вселенную наполняют туманности (межзвездные облака, состоящие из пыли, газа и плазмы), реликтовое излучение, пронизывающие всю вселенную, и другие малоизученные объекты.
Нейтронная звезда -- астрономический объект, являющийся одним из конечных продуктов эволюции звёзд, состоящий, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (?1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус составляет лишь 10-20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8*1017 кг/м?). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов.
Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью вращения, до тысячи оборотов в секунду. Считается, что нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых звёзд.
Силы тяготения в нейтронных звёздах уравновешиваются давлением вырожденного нейтронного газа, максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера -- Волкова, численное значение которого зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды. Существуют теоретические предпосылки того, что при ещё большем увеличении плотности возможно перерождение нейтронных звезд в кварковые.
Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012--1013 Гс (Гс- Гаусс - единица измерения магнитной индукции) , именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Начиная с 1990-х годов, некоторые нейтронные звёзды отождествлены как магнетары -- звёзды, обладающие магнитными полями порядка 1014 Гс и выше. Такие поля (превышающие «критическое» значение 4,414·1013 Гс, при котором энергия взаимодействия электрона с магнитным полем превышает его энергию покоя) привносят качественно новую физику, так как становятся существенны специфические релятивистские эффекты, поляризация физического вакуума и т. д.
Два основных параметра, характеризующих взаимодействие нейтронных звёзд с окружающим веществом и, как следствие, их наблюдательные проявления -- период вращения и величина магнитного поля. Со временем звезда расходует свою вращательную энергию, и её период вращения увеличивается. Магнитное поле тоже ослабевает. По этой причине нейтронная звезда за время своей жизни может менять свой тип.
Эжектор (радиопульсар) - сильные магнитные поля и малый период вращения. В простейшей модели магнитосферы, магнитное поле вращается твердотельно, то есть с той же угловой скоростью, что и сама нейтронная звезда. На определённом радиусе линейная скорость вращения поля приближается к скорости света. Этот радиус называется радиусом светового цилиндра. За этим радиусом обычное дипольное поле существовать не может, поэтому линии напряжённости поля в этом месте обрываются. Заряженные частицы, двигающиеся вдоль линий магнитного поля, через такие обрывы могут покидать нейтронную звезду и улетать на бесконечность. Нейтронная звезда данного типа эжектирует (извергает, выталкивает) релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне. Для наблюдателя эжекторы выглядят как радиопульсары.
Пропеллер - скорость вращения уже недостаточна для эжекции частиц, поэтому такая звезда не может быть радиопульсаром. Однако она всё ещё велика, и захваченная магнитным полем окружающая нейтронную звезду материя не может упасть, то есть аккреция вещества не происходит. Нейтронные звёзды данного типа практически не имеют наблюдаемых проявлений и изучены плохо.
Аккретор (рентгеновский пульсар) - скорость вращения снижается до такой степени, что веществу теперь ничего не мешает падать на такую нейтронную звезду. Плазма, падая, движется по линиям магнитного поля и ударяется о твёрдую поверхность в районе полюсов нейтронной звезды, разогреваясь до десятков миллионов градусов. Вещество, нагретое до столь высоких температур, светится в рентгеновском диапазоне. Область, в которой происходит столкновение падающего вещества с поверхностью звезды, очень мала -- всего около 100 метров. Это горячее пятно из-за вращения звезды периодически пропадает из вида, что наблюдатель воспринимает как пульсации. Такие объекты 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 срабатывает в магнитосфере Земли, из-за чего данный тип и получил своё название.
Kevin Gill / flickr.com
Немецкие астрофизики уточнили максимально возможную массу нейтронной звезды, опираясь на результаты измерений гравитационных волн и электромагнитного излучения от . Оказалось, что масса невращающейся нейтронной звезды не может быть больше 2,16 масс Солнца, говорится в статье, опубликованной в Astrophysical Journal Letters .
Нейтронные звезды - это сверхплотные компактные звезды, которые образуются во время вспышек сверхновых. Радиус нейтронных звезд не превышает нескольких десятков километров, а масса может быть сравнима с массой Солнца, что приводит к огромной плотности вещества звезды (порядка 10 17 килограмм на кубический метр). В то же время, масса нейтронной звезды не может превышать определенный предел - объекты с большими массами коллапсируют в черные дыры под действием собственной гравитации.
По различным оценкам, верхняя граница для массы нейтронной звезды лежит в диапазоне от двух до трех масс Солнца и зависит от уравнения состояния вещества, а также от скорости вращения звезды. В зависимости от плотности и массы звезды ученые выделяют несколько различных типов звезд, схематичная диаграмма изображена на рисунке. Во-первых, не вращающиеся звезды не могут иметь массу, большую M TOV (белая область). Во-вторых, когда звезда вращается с постоянной скоростью, ее масса может быть, как меньше M TOV (светло-зеленая область), так и больше (ярко-зеленая), но все же не должна превышать еще один предел, M max . Наконец, нейтронная звезда с переменной скоростью вращения теоретически может иметь произвольную массу (красные области разной яркости). Впрочем, всегда следует помнить, что плотность вращающихся звезд не может быть больше определенной величины, иначе звезда все равно коллапсирует в черную дыру (вертикальная линия на диаграмме отделяет стабильные решения от нестабильных).
Диаграмма различных типов нейтронных звезд в зависимости от их массы и плотности. Крестом отмечены параметры объекта, образовавшегося после слияния звезд двойной системы, пунктирными линиями - один из двух вариантов эволюции объекта
L. Rezzolla et al. / The Astrophysocal Journal
Группа астрофизиков под руководством Лучиано Реццолла (Luciano Rezzolla) установила новые, более точные ограничения на максимально возможную массу не вращающейся нейтронной звезды M TOV . В своей работе ученые использовали данные предыдущих исследований, посвященных процессам, которые происходили в системе двух сливающихся нейтронных звезд и привели к излучению гравитационных (событие GW170817) и электромагнитных (GRB 170817A) волн. Одновременная регистрация этих волн оказалось очень важным событием для науки, подробнее про него можно прочитать в нашей и в материале .
Из предыдущих работ астрофизиков следует , что после слияния нейтронных звезд образовалась гипермассивная нейтронная звезда (то есть ее масса M > M max), которая в дальнейшем развивалась по одному из двух возможных сценариев и через небольшой промежуток времени превратилась в черную дыру (пунктирные линии на диаграмме). Наблюдение за электромагнитной компонентой излучения звезды указывает на первый сценарий , в котором барионная масса звезды остается практически постоянной, а гравитационная масса относительно медленно уменьшается за счет излучения гравитационных волн. С другой стороны, гамма-всплеск от системы пришел практически одновременно с гравитационными волнами (всего на 1,7 секунды позже), а значит, точка превращения в черную дыру должна лежать близко к M max .
Поэтому если проследить эволюцию гипермассивной нейтронной звезды обратно до начального состояния, параметры которого были с хорошей точностью рассчитаны в предыдущих работах, можно найти значение интересующей нас M max . Зная M max , несложно уже найти M TOV , поскольку эти две массы связаны соотношением M max ≈ 1,2 M TOV . В этой статье астрофизики выполнили такие вычисления, используя так называемые «универсальные соотношения» , которые связывают параметры нейтронных звезд различной массы и не зависят от вида уравнения состояния их вещества. Авторы подчеркивают, что их вычисления используют только простые предположения и не опираются на численное моделирование. Конечный результат для максимально возможной массы составил от 2,01 до 2,16 масс Солнца. Нижняя граница для нее была получена раньше в результате наблюдений за массивными пульсарами в двойных системах - проще говоря, максимальная масса не может быть меньше 2,01 масс Солнца, поскольку астрономы в действительности наблюдали нейтронные звезды с такой большой массой.
Ранее мы писали о том, как астрофизики с помощью компьютерных симуляций на массу и радиус нейтронных звезд, слияние которых привело к событиям GW170817 и GRB 170817A.
Дмитрий Трунин
