Нейтронные звезды
- гидростатически равновесные звёзды, вещество к-рых состоит в основном из нейтронов. Существование Н. з. было предсказано в 30-х гг. 20 в.,вскоре после открытия нейтрона. Однако только в 1967 г. они были обнаружены в виде импульсных источников радиоизлучения - пульсаров. Затем было установлено, что Н. з. проявляют себя также как рентгеновские пульсары (1971 г.) и вспышечные источники рентг. излучения - барстеры (1975 г.). Не исключено, что на одной из стадий существования Н. з. явл. источниками гамма-всплесков. К 1984 г. открыто ок. 400 Н. з., из них ок. 20 в виде рентг. пульсаров, ок. 40 в виде барстеров, а остальные в виде обычных радиопульсаров.
Плотность и масса Н. з.
Рис. 1. Качественный вид зависимости массы холодных звёзд от их центральной плотности (по горизонтальной оси масштаб не выдержан). Устойчивые конфигурации изображены жирными сплошными линиями, неустойчивые - штриховыми линиями. 1 - белые карлики, 2 - нейтронные звёзды, - предел Чандрасекара для белых карликов. |
Внутр. строение Н. з. (радиальное распределение и др. параметров) определяется зависимостью давления р холодного вещества от , т.е. уравнением состояния при нулевой темп-ре Т, а также условиями гидростатич. равновесия с учётом эффектов общей теории относительности (ОТО). Именно такие эффекты ОТО, как способность энергии создавать гравитац. поле и искривление пространства при наличии сильного гравитац. поля, определяют существование макс. массы Н.з. при конечной центральной плотности . Численные значения и зависят от вида ур-ния состояния при сверхъядерных плотностях , поскольку существенная часть вещества Н. з. с массами, близкими к оказывается сжатой именно до таких больших плотностей. Определение в этом случае представляет очень сложную задачу ядерной физики и физики элементарных частиц, для решения к-рой необходимы детальные сведения о взаимодействии нейтронов, протонов и появляющихся при сверхъядерных плотностях мезонов и гиперонов. Различные модели сверхплотного вещества приводят к и г/см3. Без учёта упомянутых эффектов ОТО и в предположении, что определяется при любых плотностях вырожденным газом невзаимодействующих нейтронов, масса Н. з. была бы ограничена значением - т.н. пределом Чандрасекара для нейтронного газа, причём соответствовала бы бесконечной центральной плотности. Решение задачи о структуре Н. з. с тем же ур-нием состояния газа нейтронов, но в рамках ОТО, даёт и г/см3. В данном случае эффекты ОТО уменьшают предельную массу Н. з. более чем в 8 раз.
Экспериментальные данные физики высоких энергий показывают, что с уменьшением расстояния между нуклонами ядерные силы притяжения сменяются силами отталкивания. Поэтому при плотностях давление вещества оказывается больше, чем для газа невзаимодействующих нейтронов, способность вещества противодействовать сжимающей его силе тяжести увеличивается. В результате повышается до указанных выше пределов, (1,4-2,7) . Кроме того, отталкивание нуклонов с избытком компенсирует эффект, замедляющий рост давления с увеличением плотности, - рождение новых частиц (мезонов, гиперонов). Разброс предсказываемого значения связан с трудностью построения количеств, теории сверхплотного вещества. Обычно принимают .
Миним. масса Н. з. ( г/см3). Плотность вещества внутри Н. з. с массами, близкими к , меньше ядерной. Используемое в этом случае ур-ние состояния основывается на богатом экспериментальном материале и поэтому даёт достаточно точное значение . Сам факт существования миним. массы Н. з. связан с тем, что при низких плотностях нейтроны в силу своей неустойчивости уже не могут быть преобладающим компонентом вещества. При характерных для Н. з. (в случае ) высоких плотностях нейтроны устойчивы и не распадаются, поскольку уже небольшой примеси протонов и электронов достаточно, чтобы в соответствии с принципом Паули воспрепятствовать распаду остальных нейтронов. Примером массы Н. з., определённой из наблюдений, может служить масса Н. з. в двойном пульсаре PSR 1913+16.
Структура Н. з.
Радиусы Н. з. уменьшаются с ростом массы от (100-200) км при
до (7-10) км
при . Осн. характеристики типичной Н. з. приведены в таблице,
а её структура изображена на рис. 2.
Рис. 2. Схематический разрез нейтронной звезды: 1 - жидкое ядро, состоящее из вырожденных нейтронов с малой примесью вырожденных протонов и электронов; 2 - внутренняя кора, образованная атомными ядрами, переобогащёнными нейтронами (присутствуют также вырожденные электроны и малая примесь свободных нейтронов); 3 - внешняя кора из образующих кристаллическую решётку атомных ядер 56Fe и вырожденных электронов. |
Таблица. Основные характеристики типичной нейтронной звезды с .
Радиус | R=18-10 км |
Гравитационный радиус | 4 км |
Плотность в центре | г/см3 |
Минимальный период вращения | с |
Момент инерции | |
Гравитационное красное смещение для фотонов, покидающих поверхность нейтронной звезды | z=0,13-0,3 |
Гравитационный дефект массы | =0,1-0,14 эрг |
Самые наружные слои Н. з. состоят, по-видимому, из железа (с возможной примесью Cr, Ni, Co), к-рое образует твёрдую внеш. кору (рис. 2). Плотность вещества быстро увеличивается в глубь звезды и на глубине 1 км достигает г/см3. При такой плотности осн. компонентом вещества оказываются ядра железа и соседних с ним элементов в таблице Менделеева, сильно переобогащённые нейтронами. Появляется также нек-рое количество свободных нейтронов. Поэтому под внеш. корой Н. з. находится твёрдая, насыщенная нейтронами внутр. кора, к-рая граничит с жидким ядром, состоящим в основном из вырожденных нейтронов с малой примесью вырожденных протонов и электронов. Если центральная плотность Н. з. превышает 1015 г/см3 (напр., в случае Н. з. с массами, близкими к ), то вблизи центра звезды вещество содержит помимо нуклонов и электронов также мезоны, гипероны и др. элементарные частицы. Большое значение для физики Н. з. имеет сверхтекучесть нейтронного компонента вещества, возможная в жидком ядре и во внутр. коре, а также сверхпроводимость протонного компонента при плотностях, близких к ядерным.
Образование Н. з.
происходит в процессе гравитационного
коллапса на конечных стадиях эволюции достаточно массивных обычных звёзд. Медленная,
длящаяся десятки и сотни млн. лет эволюция массивных равновесных звёзд (с массой,
по крайней мере, в неск. раз превышающей ) может
привести
к тому, что масса их центральных областей, сильно сжавшихся и исчерпавших запасы
ядерного горючего, в нек-рый момент окажется больше предела Чандрасекара