НЕЙТРОННІ ЗОРІ, НАДНОВІ ТА ПУЛЬСАРИ
Нейтронна зоря — зоря на завершальному етапі своєї еволюції, що не має внутрішніх джерел енергії та складається переважно з нейтронів, які перебувають у стані виродженого фермі-газу, із невеликою домішкою інших частинок. Густина такого об'єкта, згідно з сучасними астрофізичними теоріями, сумарна з густиною атомного ядра.
Нейтронні зорі — одні з небагатьох астрономічних об'єктів, які спочатку було теоретично передбачено, а потім уже відкрито експериментально. 1932 року Ландау припустив існування надщільних зір, рівновага яких підтримується ядерними силами. А 1934 року астрономи Вальтер Бааде й Фріц Цвіккі назвали їх нейтронними зорями й пов'язали з вибухами наднових. Перше загальновизнане спостереження нейтронної зорі відбулося 1968 року, коли було відкрито пульсари.
НАДНОВА
Наднова — зоря, що раптово збільшує свою світність у мільярди разів (на 20 зоряних величин), а іноді й більше. У максимумі спалаху наднова випромінює стільки ж світла, скільки його випромінюють мільярди зір разом. Це найяскравіші з відомих зір, їх світність порівняна зі світністю цілої галактики, а іноді навіть перевищує її.
Спалахи наднових — досить рідкісне явище. У нашому Чумацькому Шляху вони спостерігаються приблизно раз на 500 років, хоча очікуваний проміжок між спалахами — 50±25 років. Завдяки високій світності наднові спостерігають в інших галактиках.
Вибух наднової можна спостерігати протягом тижнів або місяців. На короткий час наднова засвічує всю галактику, в якій вона розташована. Сонцю потрібно 10 мільярдів років для вироблення енергії, яка вивільняється при утворенні наднової другого типу. Наше Сонце занадто мале, щоб колись стати надновою, замість цього воно перетвориться на білого карлика.
КЛАСИФІКАЦІЯ НАДНОВИХ
Є кілька різних типів наднових і два різних шляхи їх утворення. Класифікація наднових здійснюється за їх спектрами:
- Наднові типу І — у спектрі під час вибуху немає ліній водню. Криві блиску майже однакові, різниця між ними виявляється на пізніх стадіях спалаху:
- Ia — у максимумі блиску спостерігається лінія одноразово іонізованого кремнію на довжині хвилі 615 нм. Ця лінія має лабораторну довжину хвилі 635,5 нм і зазнає блакитного зсуву[3]. Також у спектрі виділяються лінії заліза. Спалах пов'язують із досягненням білим карликом межі Чандрасекара (1,4M☉). Джерелом випромінювання є бета-розпад нікелю-56 у кобальт-56 і далі у залізо-56[4]
- Ib — у спектрі спостерігається лінія неіонізованого гелію на довжині хвилі 587,6 нм і слабка лінія поглинання кремнію на 615 нм. Попередники наднових типів Ib i Ic втрачають більшу частину зовнішньої водневої оболонки внаслідок сильного зоряного вітру або взаємодії з зорею-супутником. В їх спектрах помітні лінії кисню, кальцію та магнію. Наднові цих типів можуть бути джерелами гамма-спалахів. Наднові типу Ib вважаються колапсуючими масивними зорями типу Вольфа-Райє.
- Ic — слабкі або відсутні лінії гелію і слабка лінія поглинання кремнію на 615 нм.
- Id — підтип виділяється дуже рідко
- Наднові типу II — у спектрі є лінії водню, криві блиску різноманітніші. Спалахи наднових другого типу пов'язують із завершенням еволюції окремої масивної зорі, оболонка якої складається здебільшого з водню. Маса скинутої оболонки становить від кількох десятих до 10 M☉. Унаслідок колапсу ядра утворюється нейтронна зоря:
В обох типах наднових вибух викидає багато або навіть усю речовину зорі зі значною швидкістю.
Наднова, що вибухає внаслідок нестабільності народження електрон-позитронних пар
Існування цього типу наднових було передбачено 1967 року. Першим свідченням існування таких зір імовірно є спалах наднової SN 2006gy.
Наднова, що вибухає внаслідок нестабільності народження електрон-позитронних пар, трапляється, коли народження електрон-позитронних пар завдяки взаємодії високоенергетичних гамма-променів з атомними ядрами зменшує тиск світла в ядрі надмасивної зорі.
Зменшення тиску випромінювання в зоряному ядрі порушує гідростатичну рівновагу і під дією гравітації зоря колапсує.
Це стиснення прискорює ядерні реакції горіння важких елементів у зоряному ядрі, що призводить до потужного термоядерного вибуху, який викидає весь зоряний матеріал в навколишній простір, не залишаючи опісля ніякого залишку (ніякої чорної діри), окрім викинутого вибухом газу.
Явище вибуху наднової цього типу може мати місце лише для надмасивних зір (від 130 до 250 мас Сонця), які мають низьку металічність (низький вміст хімічних елементів важчих за гелій).
ЗАЛИШКИ НАДНОВИХ
Вибух спричиняє ударну хвилю в навколишньому міжзоряному газі, яка формує залишок наднової. Одним із прикладів такого процесу є залишок наднової, яку спостерігав Кеплер 1604 року (SN 1604).
Інший тип залишків спалахів наднових — туманності, що утворюються при взаємодії скинутих оболонок і міжзоряного середовища. Вони є джерелом досить сильного радіовипромінювання і м'якого рентгенівського випромінювання. Розрізняють два типи радіотуманностей.
Перший тип має яскраво виражену оболонкову структуру, у ньому часто трапляються волокна й нитки, що випромінюють різні лінії. У центрі такої оболонки часто міститься рентгенівське джерело. Радіуси оболонок складають приблизно десятки світлових років, а швидкості розширення — десятки й сотні кілометрів на секунду.
М'яке рентгенівське випромінювання радіотуманностей оболонкового типу свідчить, що вони містять плазму, нагріту до десятків мільйонів градусів. Це підтверджується наявністю в рентгенівських спектрах таких об'єктів ліній високоіонізованих елементів.
Плазма утворюється в результаті поширення потужної ударної хвилі в міжзоряному середовищі.
Другий тип радіотуманностей — залишки з вираженою концентрацією до центру. Вони називаються плеріонами. Плеріони відрізняються радіоспектром, значним ступенем поляризації синхротронного радіовипромінювання і відносною однорідністю магнітного поля. Основним джерелом енергії плеріонів є пульсар.
Плеріони — залишки наднових, у яких радіояскравість зростає до центра. Здебільшого вони являють собою ранню стадію залишків (перші кілька тисяч років). Особливості плеріонів зумовлено наявністю пульсара, який є джерелом потужного магнітного поля та релятивістських частинок.
Найвідомішим представником є Крабоподібна туманність. Загалом зі 132 залишків наднових, які були відомі на 1996 рік, як плеріони класифіковано 11. У подальшому, з послабленням пульсара, плеріони мають перетворитися на залишки оболонкового типу.
ПУЛЬСАРИ
Пульсар — нейтронна зоря, яка обертається та має потужне магнітне поле, і тому є космічним джерелом пульсуючого електромагнітного випромінювання з магнітних полюсів.
Якщо промені з магнітних полюсів спрямовані на Землю, це випромінення може реєструватись на Землі у вигляді імпульсів — сплесків, які періодично повторюються (схоже на те, як світло від ліхтаря маяка можна побачити лише коли воно спрямовано у напрямку спостерігача).
Перший пульсар відкрили Джоселін Белл і Ентоні Г'юїш 1967 року.
Нейтронні зорі дуже щільні та мають короткі, правильні періоди обертання. Це створює дуже регулярні точні інтервали між імпульсами, які можуть тривати від мілісекунд до секунд у окремих пульсарів.
Періоди пульсарів роблять їх зручним інструментом для астрономів. Спостереження пульсару у бінарній системі нейтронних зірок були використані для непрямого підтвердження існування гравітаційного випромінення. Перші екзопланети були відкриті довкола пульсара PSR B1257+12.
На думку журналіста Волтера Салівана швидкісні пульсари, відкриті на початку 1980-х у сузір'ї Лисички, точніші за атомні годинники.
Пульсари розглядали як одні з кандидатів у джерела космічних променів надвисоких енергій.
ВИДИ ПУЛЬСАРІВ
Більшість пульсарів спостерігаються в радіодіапазоні. В наш час відомо понад 1000 пульсарів (зокрема в Паркському огляді було зареєстровано 1031 пульсар). Радіопульсар є кінцевою стадією еволюції одиночної масивної зорі. Нейтронна зоря утворюється в результаті вибуху наднової. Вибух є асиметричним, тому швидкості радіопульсарів часто перевищують 300 км/с. З часом період радіопульсара збільшується, а потужність випромінювання спадає. Навколо багатьох радіопульсарів спостерігаються газові оболонки, сформовані пульсарним вітром — плеріони.
У радіопульсарів спостерігаються стрибкоподібні зменшення періодів — глітчі. Їх намагаються пояснювати перебудовою внутрішньої структури нейтронної зорі, наприклад зсувами кори (зоретрусами) або фазовими переходами ядерної речовини.
У 1991—1994 роках поблизу пульсарів PSR B1257+12 у Діві і PSR B1620-26 у Скорпіоні відкрито 4 планети за доплерівським зсувом радіовипромінювання.
Особливий інтерес становлять спостереження пульсарів, що входять до складу подвійних систем. Перший подвійний радіопульсар відкрито 1972 року Халсом і Тейлором. У 2004 відкрито систему з 2 нейтронних зір, причому з обох спостерігається пульсуюче радіовипромінювання. Спостереження таких систем дозволяють виявити втрати енергії за рахунок випромінювання гравітаційних хвиль, які передбачаються загальною теорією відносності.
1967 відкрито перший рентгенівський пульсар — Центавр X-3. Більшість відомих рентгенівських пульсарів (близько 40) входять до складу тісних подвійних систем і мають акреційні диски. Відомі також одиночні рентгенівські пульсари — магнітари. Вони мають магнітне поле в 1000 разів більше, ніж у звичайних нейтронних зір і проявляються у вигляді аномальних рентгенівських пульсарів і джерел повторювальних гамма-спалахів.
Магнетар або магнітар — нейтронна зоря з надпотужним магнітним полем (10^13-10^15 Гс), модель якої запропонували Роберт Дункан та Крістофер Томпсон 1992 року для пояснення м'яких повторюваних гамма-спалахів.
МОДЕЛЬ МАГНІТАРА
Кількість енергії, яка викидається при звичайному спалаху, що триває декілька десятих секунд, порівняна з енергією, що її випромінює Сонце за цілий рік. Чотири відомих SGR розташовані в межах нашої галактики і тільки один за її межами. Ці неймовірні вибухи енергії можуть бути викликаними зоретрусами — процесами розриву твердої поверхні (кори) нейтронної зорі та викиду із її надр потужних потоків протонів, які захоплюються магнітним полем і випромінюють у гамма- та рентгенівських областях електромагнітного спектру.
Модель магнітара запропонували для пояснення цих потужних гамма та рентгенівських спалахів. Це нейтронна зоря з надзвичайно потужним магнітним полем. Якщо нейтронна зоря народжується, швидко обертаючись, то спільний вплив обертання і конвекцїї, яка грає важливу роль в перші декілька секунд існування нейтронної зорі, може створити потужне магнітне поле в результаті складного процесу, відомого як «активне динамо» (аналогічно тому, як магнітне поле створюється всередині Землі та Сонця).
Теоретики були здивовані, що таке динамо, працюючи в гарячій (~1010 K) нейтронній зорі, може створювати магнітне поле з напруженістю ~1015 Гс. Після охолодження (через декілька десятків секунд), конвекція та динамо припиняють свою дію.
Іншим загадковим типом об'єктів, які випромінюють потужне рентгенівське випромінювання під час періодичних вибухів, є так звані аномальні рентгенівські пульсари (англ. Anomalous X-ray Pulsars, AXP).
Вони відрізняються від звичайних рентгенівських пульсарів тим, що випромінюють тільки в рентгенівському діапазоні. Вчені вважають, що SGR та AXP є фазами життєвого циклу одного і того ж класу об'єктів, а саме магнетарів, або нейтронних зір, які випромінюють м'які гамма-кванти, що беруть енергію із магнітного поля.
SGR характеризують швидкими періодами обертання (~0.001 с), а AXP - повільним (5-12 с). На сьогодні відомо 6 AXP та 2 кандидати на AXP.
Хоча магнетар є лише теоретичною моделлю, а даних, які достовірно підтвердять їхнє існування немає, астрономи продовжують шукати їх.
МАГНІТОСФЕРА ПУЛЬСАРА
Магнітосфера пульсара складається з електронно-позитронної плазми, яка рухається в магнітному полі нейтронної зорі. Зовнішня межа магнітосфери — світловий циліндр, на якому лінійна швидкість обертального руху плазми досягає швидкості світла.
Магнітосфера - ділянка навколопланетного простору, фізичні властивості якої визначаються магнітним полем планети та його взаємодією з потоками заряджених частинок (ядер гелію, електронів) корпускулярного випромінення Сонця — сонячним вітром. Окрім Землі магнітосфера існує і в інших планет, які мають власне магнітне поле: у Меркурія, Юпітера, Сатурна, Урана та Нептуна.
Магнітосфера пульсара має порядок розміру Землі — десятки тисяч кілометрів. Потужне магнітне поле нейтронної зорі індукує поблизу її поверхні електричне поле. Найбільше електричне й магнітне поле досягається в полярній шапці поблизу магнітної осі. Розмір полярної шапки приблизно 1 км. Електронно-позитронні пари народжуються з вакууму під дією електричного поля в приповерхневому шарі висотою близько 100 метрів. Заряджені частинки рухаються вздовж магнітних силових ліній. Деякі магнітні силові лінії обриваються на світловому циліндрі. Тому заряди, які по них рухалися, стікають по поверхні циліндра і далі по останній замкненій силовій лінії (сепаратрисі) на поверхню нейтронної зорі. Під час руху поверхнею заряди викликають пондеромоторну силу, яка сповільнює обертання зорі. Таким чином енергія на утворення і випромінення магнітосфери отримується з кінетичної енергії обертання. Плазма вморожена в магнітне поле, електрони під час руху вздовж силових ліній зазнають прискорення й випромінюють. Поблизу поверхні нейтронної зорі енергія квантів випромінювання сягає 1012 еВ, а на світловому циліндрі вона спадає до радіодіапазону. Так утворюється випромінювання пульсара.
ПУЛЬСАРНІ ВІДСКАКУВАННЯ
Пульсарне відскакування — спостережуваний феномен, суть якого полягає в тому, що нейтронні зорі — залишки наднових — рухаються з надмірно великими швидкостями щодо навколишніх зір.? За оцінками просторового розподілу багато радіопульсарів мають швидкості близько 30-40 км/с.
Також відомо немало пульсарів зі швидкостями 200-500 км/с, а у деяких випадках оцінки швидкостей сягають 2000 км/с. Наприклад, зоря B1508+55 має швидкість 1100 км/с та траєкторію, спрямовану назовні Галактики. Дуже переконливий зразок пульсарного відскакування можна спостерігати в туманності Гітара, де ударна хвиля, генерована пульсаром, рухається відносно туманності — залишку наднової — зі швидкістю 800 км/с.
Існує дві основних гіпотези виникнення таких великих швидкостей. Згідно з однією з них вони з'являються внаслідок розпаду подвійних систем (ефект Блаау). Якщо вибух у подвійній системі відбувається миттєво, швидкість, яку набувають зорі, що розлітаються, повністю визначається їх початковими та остаточними масами, періодами обертання та ексцентриситетом.
Припустимо, маємо систему, що складається з гелієвої зорі масою 10 M☉ та нейтронної зорі масою 1 Mʘ. Під час колапсу гелієва зоря скине 90% своєї маси, і система розлетиться. При цьому швидкості компонентів можуть бути близькими до початкових (але не перевищуватимуть їх).
Максимальна швидкість нейтронної зорі в такій системі сягає 500 км/с, при цьому швидкість гелієвої зорі буде близько 50 км/с. Механізм Блаау разом із сучасним сценарієм еволюції подвійних систем може пояснити швидкості до 700 км/с.
Один з головних наслідків цієї теорії — нейтронна зоря, яка швидко рухається, має бути старою. Якщо досліджуваний радіопульсар має теплове рентгенівське випромінювання, що пов'язане з охолодженням пульсара і свідчить про його молодість, механізм Блаау для цієї зорі можна відкинути.
За гіпотезою Шкловського пульсарні відскакування виникають внаслідок асиметрії у вибуху наднової. Якщо припустити, що під час колапсу частина енергії виділяється анізотропно, то із закону збереження імпульсу можна вирахувати, що швидкості можуть сягати 3000 км/с.
Існують різноманітні гіпотези щодо причин такої асиметрії. Чугай (1984) помітив, що в потужному магнітному полі нейтронної зорі, що формується, має проявлятися ефект несиметричного випромінювання нейтрино. Детальні розрахунки показують, що навіть у надпотужних магнітних полях за рахунок цього ефекту неможливо досягнути швидкостей понад 100 км/с.
Однак в останні роки інтенсивно розвиваються моделі несиметричного випромінювання нейтрино. В моделі Кусенко пульсарне відскакування обумовлене випромінюванням стерильного нейтрино, що є одним із кандидатів у темну матерію.
Другий можливий механізм, запропонований Липуновим (1983) — припливне викривлення зорі, що колапсує. Але цей ефект може бути суттєвим лише в маломасивних подвійних системах з білими карликами. За оцінками такий механізм може давати швидкості до кількох тисяч кілометрів на секунду. Також як можливий механізм розглядається несиметричній підпал речовини білого карлика внаслідок викривлення його форми.
Отже, всі приведені в даній статті космологічні об'єкти відносяться до одного великого класу - Нейтронні зорі.