Нейтронные звезды и пульсары

Нейтронная звезда вмещает массу, превышающую солнечную, в сферу размером с город, поддерживаемую нейтронным вырождением и ядерными силами; когда она вращается и излучает пучки радиации, мы видим ее как пульсар.

Definition

Нейтронная звезда — это компактный звездный остаток, в несколько раз плотнее атомного ядра, поддерживаемый главным образом давлением вырожденного нейтронного газа и ядерными силами, а пульсар — это быстро вращающаяся, сильно намагниченная нейтронная звезда, наблюдаемая как импульсы излучения.

Scope

Тема охватывает образование нейтронных звезд при коллапсе ядра сверхновых, их внутреннюю структуру и малоизученное уравнение состояния плотной материи, максимальную массу нейтронной звезды, пульсары, приводимые во вращение, и их использование в качестве точных часов, а также экстремальные магнитные поля магнетаров.

Core questions

• Как образуются нейтронные звезды и что их поддерживает?
• Какова материя внутри нейтронной звезды?
• Почему пульсары излучают регулярные импульсы?
• Какова максимальная масса нейтронной звезды?

Key concepts

• нейтронное вырождение
• уравнение состояния
• пульсар
• магнитный диполь
• замедление вращения
• магнетар
• глич

Key theories

Нейтронное вырождение и уравнение состояния плотной материи

Нейтронные звезды поддерживаются давлением вырожденного нейтронного газа, усиленным отталкивающей ядерной силой; их структура определяется уравнением состояния материи за пределами ядерной плотности, которое устанавливает связь между массой и радиусом и максимальной массой.

Модель вращающегося магнитного диполя пульсаров

Пульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда, чье сильное, несовпадающее магнитное поле направляет пучки излучения вдоль ее полюсов; по мере вращения звезды луч проносится мимо Земли, производя наблюдаемые импульсы, похожие на часы, в то время как магнитное торможение постепенно замедляет вращение.

Mechanisms

Когда железное ядро массивной звезды коллапсирует, электроны объединяются с протонами, образуя нейтроны, и ядро отскакивает, превращаясь в нейтронную звезду размером около двадцати километров. Сохранение углового момента и магнитного потока приводит к ее быстрому вращению с огромным магнитным полем; заряженные частицы, ускоряемые вдоль силовых линий поля, производят пучковое излучение, наблюдаемое как импульсы, в то время как магнитные моменты медленно истощают ее вращательную энергию.

Clinical relevance

Нейтронные звезды являются естественными лабораториями для изучения материи при сверхъядерных плотностях и для гравитации сильного поля; миллисекундные пульсары конкурируют с атомными часами и используются для проверки общей теории относительности и поиска гравитационных волн, а слияния нейтронных звезд производят тяжелые элементы и обнаруживаемые сигналы гравитационных волн.

History

Бааде и Цвикки предложили нейтронные звезды в 1934 году, Оппенгеймер и Волкофф смоделировали их в 1939 году, а Джоселин Белл Бернелл открыла первый пульсар в 1967 году; Пачини и Голд вскоре идентифицировали пульсары как вращающиеся намагниченные нейтронные звезды, что было подтверждено пульсаром в остатке сверхновой Крабовидной туманности.

Debates

Уравнение состояния нейтронной звезды и максимальная масса

Поведение материи выше ядерной плотности, а следовательно, максимальная масса нейтронной звезды и возможное присутствие экзотических фаз, таких как кварковая материя, остаются неопределенными; измерения массы и радиуса, а также наблюдения гравитационных волн постоянно сужают круг возможностей.

Key figures

• Jocelyn Bell Burnell
• Antony Hewish
• Fritz Zwicky
• Franco Pacini

Seminal works

• hewish1968
• shapiro1983

Frequently asked questions

Как что-то такое маленькое может быть таким тяжелым?

В нейтронной звезде гравитация сжала материю до плотностей, сравнимых или превышающих плотность атомного ядра, поэтому чайная ложка такого вещества весила бы миллиарды тонн; это позволяет массе, превышающей солнечную, уместиться в радиусе всего около десяти километров.

Почему пульсары пульсируют так регулярно?

Пульсар излучает радиацию узкими пучками от своих магнитных полюсов, и поскольку нейтронная звезда вращается быстро и стабильно, каждый раз, когда луч проносится мимо Земли, мы регистрируем импульс, что делает пульсары одними из самых точных известных природных часов.