Как сделать нейтронную звезду в домашних условиях

Обновлено: 06.07.2024

Нейтронные звезды – экстремальные объекты. Их параметры и поведение удивляют ученых. Это крайние состояния вещества, которые мы в состоянии наблюдать. Еще чуть-чуть – и они станут черными дырами. Тогда все, никакой информации мы не получим. Поэтому он столь интересны в среде астрофизиков и простых любителей астрономии.

1. Откуда берутся нейтронные звезды

Здесь все достаточно просто: сверхновая звезда коллапсирует к концу своего существования, оставляя после себя небольшой (20-40 км в диаметре) объект с невероятной плотностью, сильнейшим магнитным полем и сумасшедшим вращением.

Плотность вещества в нейтронной звезде колеблется в диапазоне 10 в одиннадцатой-семьнадцатой степени грамм на кубический сантиметр. Чтобы представить себе это значение, поступим так: положите перед собой чайную ложку сахара и представьте, что она весит 500-800 миллионов тонн.

Основную долю в составе занимают нейтроны, а также протоны и электроны. Здесь им свойственно сверхтекучее состояние, о котором пока мало что известно.

Средний диапазон масс этих объектов – 1,5-3 массы Солнца.

2. Какими могут быть нейтронные звезды.

Благодаря вращению нейтронные звезды часто называют пульсарами. Это некое обобщение. Если нейтронная звезда не относится к другому типу, ее называют пульсаром.

Вращение это достаточно точное. За миллион лет оно замедлится на 1 секунду. Они служат неплохим инструментом проверки точности измерения времени. Некоторые из них могут крутиться со скоростью несколько тысяч оборотов в секунду.

Через полюса звезды вырывается поток излучения, которое мы улавливаем в радиоволнах.

В некоторых случаях коллапс тяжелой звезды приводит к появлению магнетара. Это объект с невероятно сильным магнитным полем. Оно очень нестабильно и буквально разрывает тело изнутри, угасая и заново вспыхивая.

Представить обычному человеку силу этого поля сложно. Можно попробовать: все мы знаем, что поле – это что-то невидимое, неощутимое. А как вам поле, которое весит сотни тысяч килограмм в каждом сантиметре пространства? Согласитесь, невероятное явление.

В. Рентгеновский пульсар

Данный тип нейтронных звезд излучает в рентгеновском диапазоне. Излучение является результатом вспышек на поверхности. Они непродолжительны по времени.

В центре Крабовидной туманности расположена нейтронная звезда. Остатки ее родителя мы и видим на фотографии.

Они, часто, имеют компаньона в виде другой звезды, вещество которой выпадает на поверхность тела. Эти всплески мы и наблюдаем в рентгеновском диапазоне.

Имеются и иные, более частные, разновидности нейтронных звезд (сверхтихие, пропеллеры и т.п.).

Подведем итог. Нейтронные звезды интересны наблюдателям, так как оставляют много следов после себя, не давая расслабиться. Настолько экстремальные состояния вещества не могут быть получены в земных лабораториях, поэтому изучение его свойств в таком проявлении может помочь ответить на многие вопросы физиков.

- На первый план тема лекции звучит скучно, - сказал Сергей Попов, - как мне объясняли организаторы в Москве, она должна привлекать внимание, и лучше, чтобы в ней были упомянуты черные дыры и пришельцы. Но сейчас я постараюсь вам объяснить, почему нейтронные звезды изучать интересней, чем черные дыры.

В некотором смысле нейтронные звезды – это место, где господь вовремя остановился. Они представляют собой самый компактный объект во Вселенной, у которого есть поверхность. Их радиус всего раза в 3-4 больше, чем у черных дыр соответствующих масс. В центре находится сверхплотное вещество (сверхплотное – значит, его масса больше массы атомного ядра). Сам процесс рождения нейтронных звезд достаточно интересен: они появляются в результате вспышки сверхновых. Звезды – объекты с термоядерными реакциями: легкие элементы превращаются в тяжелые, водород в гелий, гелий в углерод и так далее, но наступает момент, когда объект теряет устойчивость и схлопывается, но внезапно этот процесс может остановиться, и будет тот самый взрыв сверхновой. В противном случае получится черная дыра.

Информации о нейтронных звездах пока мало. Например, толщина атмосферы нейтронной звезды – несколько миллиметров, затем несколько сот метров - твердая кристаллическая кора, потом внешнее ядро – протоны, нейтроны, но что в нём, мы пока не знаем.

Еще у нее два радиуса: от центра наружу и по экватору. То есть радиус на поверхности нейтронной звезды - один, а тот, который мы видим издалека, другой.

Мы видим что-то, потому что оно выделяет энергию, источник этой энергии и причины ее появления могут быть разными. Например, радиопульсары быстро вращаются, и за счет этого выделяется энергия. Может быть выделение гравитационной энергии: вещество падает на нейтронную звезду, и она светится.

Классификация нейтронных звезд

Эжектор, он же радиопульсар
Для него характерны сильные магнитные поля и малый период вращения, за счет чего звезда выталкивает релятивистские заряженные частицы, которые излучают в радиодиапазоне.

Аккретор, он же 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.

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.

Магниты во Вселенной

Магнитар - это тоже нейтронная звезда, которая отличается сильным магнитным полем, как это следует из названия, его величина достигает 10 в 14 – 10 в 15 гаусс, (для сравнения, на Земле меньше 1 гаусса).

- Представьте себе отрезанную голову с волосами, - добавляет образности лектор, - если мы усушим голову, но сохраним плотность волос, то получим примерно ту картину, которая и происходит с плотностью магнитного поля этой нейтронной звезды – она сжимается, а поле растет. Вернее, есть такая теория, что это происходит. Есть и вторая, которая говорит, что поля можно усиливать с помощью эффекта альфа-динамо.
Понятно, что магнитное поле существует, если в коре магнитара текут токи, они постоянно греют кору, но иногда происходят замыкания и выделяется очень много энергии. Например, мощная вспышка была в конце 2004 года, в результате нее выделилось столько энергии, сколько солнце излучает за 10 млн. лет.

Магнитары - редкие объекты, они рождаются в Галактике раз в 1000 лет, живут всего несколько тысяч лет. Рядом с Землей их нет, но если посчитать вероятность, то раз в 10-100 миллионов лет может происходить вспышка рядом. Примерно с таким же периодом гибнут динозавры, земля пересекает спиральные рукава галактики и так далее. Гигантская вспышка может быть опасна для Земли с расстояния 3 световых года, или примерно 1 парсек. Вспышка 2004 года опасна с расстояния в 2 раза больше.

Недавно впервые обнаружили спокойный магнитар, то есть открыли радиопульсар, который спокойно и регулярно ведет себя как нейтронная звезда, но при этом у него колоссальное магнитное поле и некоторые другие признаки, присущие магнитарам, но он им не является.

Цифры Вселенной

31,5 миллионов секунд - в обычном году
1, 1 на 10 в 18 степени сантиметров - в световом году
4000 звезд – находится в нашей галактике
6000 – градусов Цельсия составляет температура Солнца
10 км – размер ядра нейтронной звезды
13,7 млрд лет - возраст Вселенной.

Что же можно изучать в нейтронной звезде?

Почему нейтронные звезды так важны? Это – уникальная лаборатория для изучения физики с очень необычными условиями. По словам С. Попова, уже две Нобелевские премии присуждены за них: первая - за открытие звезд, вторая за обнаружение двойного радиопульсара, что позволило очень точно измерить эффекты общей теории относительности, были косвенного открыты гравитационные волны. Лектор считает, что третья премия, скорее всего, будет за прямую фиксацию гравитационных волн.

- Ядерную физику можно изучать на ускорителях и спутниках, и эти измерения друг друга дополнят, - говорит Сергей Попов. - Для развития прикладной ядерной физики нужно запускать спутники. Например, в нейтронных звездах не симметричное вещество (нейтронов больше), его нельзя изучать на ускорителях. Нельзя создать подобные условия на Земле.
Массу нейтронных звезд можно измерять фантастически точно с помощью двойных нейтронных звезд. Существует такой объект - двойной радиопульсар – две нейтронные звезды в паре и обе наблюдались как радиопульсары. Для этой системы массу измерить можно вплоть до 3 знака после запятой.

- И это - скучно, - говорит С. Попов. Потому что интересно узнать предел массы, после которого вещество коллапсирует в черную дыру. Он таким способом не определяется, поэтому важно искать массивные нейтронные звезды: чем больше масса, тем сильнее сжато вещество. Вопрос в том, как долго вещество может терпеть такое издевательство над собой. Пока рекорд – звезда PSR J 1614-2230.

Можно измерить еще один интересный момент, по словам лектора.
- Представим, что мы бросили бутылку колы, весом 2 кг в нейтронную звезду, а сами крутимся вокруг нее на космическом корабле и измеряем. Увеличится или уменьшится масса нейтронной звезды? Она увеличится, но меньше, чем на два килограмма. Вообще у звезды две разные массы – гравитационная и барионная = количество протонов и нейтронов умножить на их массу. Если знать обе, то можно понять ядерную физику.

На ближайшее время существует две задачи: изучение странного вещества и гравитационных волн.

Заинтригованы? Нет? Тогда Вы точно служили в армии. И Вам не привыкать. Потому что задачи такого рода там выдают ежедневно. А особенно часто это происходит в пятницу после 19.00 😊.

Прогулки по нейтронной звезде

Но смех смехом, а на самом деле? Можно ли прогуляться по поверхности нейтронной звезды? Ответ однозначен — нет. Эти объекты имеют очень интенсивное гравитационное поле и крайне высокую температуру. Поэтому Вы ни за что не сможете пережить высадку. Мало того, даже просто попасть на поверхность нейтронной звезды будет проблемой. Потому что гравитационное притяжение разгонит Вас так сильно, что Вы можете столкнуться с нейтронной звездой со скоростью, составляющей значительную часть скорости света. Но еще до вашего феерического прибытия разница в гравитационном притяжении между Вашей головой и ногами уже разорвет Ваше тело на атомы, из которых оно состоит.

Однако даже эти атомы не выживут. Потому что они, как и свободные электроны, которые тоже участвуют вот всем этом аттракционе, столкнутся с поверхностью нейтронной звезды с достаточной энергией, чтобы вызвать термоядерные реакции. В итоге Вы станете облаком гамма или рентгеновских лучей (какие Вам больше нравятся😊). Или будете преобразованы в облако тяжелых элементов, нейтронов и ультрарелятивистских электронов.

Но даже если бы вы каким-то волшебным образом все-таки попадете на нейтронную звезду, избежав вышеописанных неприятностей, это еще не все. Потому что температура на нейтронной звезде может достигать значения в миллион градусов по Цельсию. И это обстоятельство немедленно испарит (и ионизирует) Вас. Затем сильная гравитация сгладит то, что от Вас осталось, после чего Вы навсегда сольетесь со сверхплотной корой нейтронной звезды

Да. В этих условиях совершить неторопливую прогулку будет крайне сложно! Но задача стоит — до утра сделать😁!

Точные измерения сильного магнитного поля вблизи поверхности одной из самых загадочных нейтронных звезд позволяют лучше понять природу и эволюцию этих объектов и описать их в рамках единой картины.

Сергей Попов, доктор физико-математических наук, научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ

У нейтронных звезд не так уж много параметров. И один из самых главных — магнитное поле. Он должен играть важную роль в Великом объединении. Поле может уменьшаться (с выделением энергии), расти или оставаться неизменным. Причем на разных стадиях жизни звезды поведение может быть различным. Одна из проблем связана с тем, что магнитное поле трудно измерить. Другая — с тем, что поле может иметь множество разных компонент.

Чтобы построить точный рентгеновский спектр, нужно собрать много фотонов. Самый лучший агрегат для этого — европейский спутник XMM-Newton. Именно его использовала группа итальянских астрономов (Андреа Тиенго из университета Павии и его соавторы, статья с открытием опубликована в журнале Nature) для исследования одного из самых загадочных магнитаров, который астрономы обозначают SGR 0418+5729. Его тайна связана с магнитным полем. По замедлению периода вращения необычного магнитара удалось оценить его дипольное поле. Оно оказалось обычным, таким же как у радиопульсаров. Это странно — до этого все магнитары имели гигантские дипольные магнитные поля. Ученые подозревали, что дело тут в других компонентах поля, прижатых к поверхности — они должны быть большими. Но вот только измерить их очень сложно.

Космос опасен для человека, ведь там совершенно нет кислорода, да и организм не приспособлен, в сущнос ти, к условиям. Одно из опаснейших явлений космоса — нейтронные звезды. Стоит отдать должное черным дырам: они на первом месте по опасности, но вот на втором стоят именно нейтронные звезды. И те и другие чрезвычайно плотные. Что же будет, если приблизиться к такому объекту?

Почему такая звезда опасна

Первым делом, прежде чем думать о результатах приближения, стоит осознать, чем вообще опасна такая звезда. Это не простое светило, а результат эволюции звезды, которую в науке называют гравитационным коллапсом. Звезды появляются, растут и затем, когда приходит время, умирают. Вот это и есть гравитационный коллапс. Почему умирают звезды? Со временем они становятся все ярче и увеличиваются, когда доходит до предела, просто взрываются и порождают нейтронную звезду.

По плотности нейтронная звезда уступает только черным дырам

Примечательность этих объектов в том, что по массе они сравнимы с солнечной, а вот радиус такой массе не соответствует и равен всего 10 или 20 км. У нейтронной звезды очень высокая плотность, и она очень быстро вращается, в секунду совершая несколько сотен оборотов. Если, к примеру, взять камень небольших размеров и обеспечить его плотностью вещества такой звезды, то его вес будет 100 млн тонн.

Когда звезда взорвалась, то, что осталось от нее, начинает сжиматься под воздействием сильной космической гравитации. По мере сжатия гравитация становится все больше, атомы прижимаются друг к другу все теснее. Такое их состояние ненормально: в обычном состоянии между атомами имеется расстояние. Но внутри нейтронной звезды аномальная гравитация, и это меняет дело. Постепенно электроны в буквальном смысле слова спрессовываются в ядра, это дает начало образованию нейтронов.

Что будет, если приблизиться

Внутри звезды гравитация сильнее земной в 200 млрд раз, а если говорить о магнитном поле, оно сильнее в несколько триллионов раз, чем на нашей планете! Даже приблизительно невозможно себе представить, что там творится, и теперь становится страшно только при мысли о приближении к нейтронной звезде. Кстати, вращается она сама тоже очень и очень быстро — до 700 оборотов в секунду.

Если неподалеку от нейтронной звезды появляется некое тело, у него совершенно отсутствуют шансы на спасение. Вблизи звезды оно начинает ускоряться с неимоверной скоростью, причем моментально. И скорость эта достигает 100 000 км/ч, таким образом, тело могло бы дважды обогнуть Землю за секунду. Это просто невероятно!

Мощнейшая гравитация нейтронной звезды превратит человека в поток атомов

Но все же ответить на вопрос нужно. Ни одно живое создание, в том числе астронавт в самом надежном защитном костюме, не сможет приблизиться к нейтронной звезде и остаться живым. Даже если он окажется на большом расстоянии от нее, то подвергнется воздействию огромной гравитации и за короткое время разгонится до скорости света. Но увидеть этого космонавт уже тоже не сможет, так как все эти силы превратят его в поток атомов, движущихся по направлению к нейтронной звезде.

Читайте также: