Sao Neutron và Sao Xung

Một sao neutron chứa khối lượng lớn hơn Mặt Trời trong một khối cầu có kích thước bằng một thành phố, được duy trì bởi sự suy biến neutron và các lực hạt nhân; khi nó quay và phát ra bức xạ, chúng ta thấy nó như một sao xung.

Definition

Sao neutron là một tàn dư sao nhỏ gọn có mật độ dày đặc hơn vài lần so với hạt nhân nguyên tử, được duy trì chủ yếu bởi áp suất suy biến neutron và các lực hạt nhân, và sao xung là một sao neutron quay nhanh, từ hóa mạnh được quan sát dưới dạng các xung bức xạ.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự hình thành của các sao neutron trong các siêu tân tinh sụp đổ lõi, cấu trúc bên trong của chúng và phương trình trạng thái vật chất đậm đặc ít được biết đến, khối lượng sao neutron tối đa, các sao xung được cung cấp năng lượng bởi sự quay và việc sử dụng chúng như những đồng hồ chính xác, và các từ trường cực mạnh của các sao từ.

Core questions

• Các sao neutron hình thành như thế nào và điều gì duy trì chúng?
• Vật chất bên trong một sao neutron như thế nào?
• Tại sao các sao xung phát ra các xung đều đặn?
• Khối lượng tối đa mà một sao neutron có thể có là bao nhiêu?

Key concepts

• suy biến neutron
• phương trình trạng thái
• sao xung
• lưỡng cực từ
• giảm tốc quay
• sao từ
• trục trặc

Key theories

Sự suy biến neutron và phương trình trạng thái vật chất đậm đặc

Các sao neutron được duy trì bởi áp suất suy biến neutron được làm cứng bởi lực hạt nhân đẩy; cấu trúc của chúng tuân theo phương trình trạng thái của vật chất vượt quá mật độ hạt nhân, điều này thiết lập mối quan hệ giữa khối lượng và bán kính và khối lượng tối đa.

Mô hình lưỡng cực từ quay của các sao xung

Một sao xung là một sao neutron quay nhanh có từ trường mạnh, không thẳng hàng dẫn các chùm bức xạ dọc theo các cực của nó; khi ngôi sao quay, chùm tia quét qua Trái Đất, tạo ra các xung giống đồng hồ được quan sát trong khi phanh từ từ làm chậm sự quay.

Mechanisms

Khi lõi sắt của một ngôi sao khối lượng lớn sụp đổ, các electron kết hợp với các proton để tạo thành các neutron và lõi bật trở lại thành một sao neutron có đường kính khoảng hai mươi kilômét. Sự bảo toàn mô men động lượng và từ thông khiến nó quay nhanh với một từ trường khổng lồ; các hạt tích điện được gia tốc dọc theo các đường sức từ tạo ra bức xạ định hướng được nhìn thấy dưới dạng các xung, trong khi các mô men từ từ từ làm tiêu hao năng lượng quay của nó.

Clinical relevance

Các sao neutron là phòng thí nghiệm tự nhiên cho vật chất ở mật độ siêu hạt nhân và cho trọng lực trường mạnh; các sao xung mili giây cạnh tranh với đồng hồ nguyên tử và được sử dụng để kiểm tra thuyết tương đối rộng và tìm kiếm sóng hấp dẫn, và sự hợp nhất của các sao neutron tạo ra các nguyên tố nặng và các tín hiệu sóng hấp dẫn có thể phát hiện được.

History

Baade và Zwicky đã đề xuất sao neutron vào năm 1934, Oppenheimer và Volkoff đã mô hình hóa chúng vào năm 1939, và Jocelyn Bell Burnell đã phát hiện ra sao xung đầu tiên vào năm 1967; Pacini và Gold sau đó đã xác định các sao xung là các sao neutron từ hóa quay, một hình ảnh được xác nhận bởi sao xung trong tàn dư siêu tân tinh Crab.

Debates

Phương trình trạng thái sao neutron và khối lượng tối đa

Hành vi của vật chất trên mật độ hạt nhân, và do đó khối lượng sao neutron tối đa và sự hiện diện có thể có của các pha kỳ lạ như vật chất quark, vẫn chưa chắc chắn; các phép đo khối lượng và bán kính và các quan sát sóng hấp dẫn đang dần thu hẹp các khả năng.

Key figures

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

Seminal works

• hewish1968
• shapiro1983

Frequently asked questions

Làm thế nào một vật thể nhỏ như vậy lại có thể nặng đến thế?

Trong một sao neutron, trọng lực đã nén vật chất đến mật độ tương đương hoặc vượt quá mật độ của hạt nhân nguyên tử, vì vậy một thìa cà phê vật liệu này sẽ nặng hàng tỷ tấn; điều này cho phép khối lượng lớn hơn khối lượng Mặt Trời nằm gọn trong bán kính chỉ khoảng mười kilômét.

Tại sao các sao xung lại phát xung đều đặn như vậy?

Một sao xung phát ra bức xạ theo các chùm hẹp từ các cực từ của nó, và vì sao neutron quay nhanh và ổn định, mỗi khi một chùm tia quét qua Trái Đất, chúng ta ghi lại một xung, khiến các sao xung trở thành một trong những đồng hồ tự nhiên chính xác nhất được biết đến.