Реферат: Нейтронные звёзды (пульсары)

ВСОШ № 115  


РЕФЕРАТ ПО АСТРОНОМИИ

 

ТЕМА РЕФЕРАТА:

«НЕЙТРОННЫЕ ЗВЁЗДЫ»

(пульсары)

ВЫПОЛНИЛ:

ТряпельниковВ.А.

11 «А»КЛАСС


МОСКВА

2004

Нейтронныезвёзды

Открытие в1932 году новой элементарной частицы — нейтрона заставило астрофизиковзадуматься над тем, какую роль он может играть в эволюции звезд. Два годаспустя было высказано предположение о том, что взрывы сверхновых звезд связаныс превращением обычных звезд в нейтронные. Затем были выполнены расчетыструктуры и параметров последних, и стало ясно, что если небольшие звезды (типанашего Солнца) в конце своей эволюции превращаются в белых карликов, то болеетяжелые становятся нейтронными.

В августе 1967 годарадиоастрономы при изучении мерцаний космических радиоисточников обнаружилистранные сигналы — фиксировались очень короткие,

длительностью около 50 миллисекунд, импульсы радио — излучения, повторявшиеся через строго определенный интервал времени (порядкаодной секунды). Это было совершенно не похоже на обычную хаотическую картинуслучайных нерегулярных колебаний радиоизлучения. После тщательной проверки всейаппаратуры пришла уверенность, что импульсы имеют внеземное происхождение.Астрономов трудно удивить объектами, излучающими с переменной интенсивностью,но в данном случае период был столь мал, а сигналы—столь регулярны, что ученыевсерьез предположили, что они могут быть вес-

точками от внеземных цивилизаций. А потому первый пульсарполучил название LGM-1 (от английского «Little Green Men» — «Маленькие Зеленые Человечки»!), хотя попытки найтикакой — либо смысл в принимаемых импульсах окончились безрезультатно. Вскоребыли обнаружены еще три пульсирующих радиоисточника. Их период опять оказалсямного меньше характерных времен колебания и вращения всех известных астрономическихобъектов. Из-за импульсного характера излучения новые объекты стали называтьпульсарами. Это открытие буквально всколыхнуло астрономию, и из многих радиообсерваторий начали поступать сообщения об обнаружении пульсаров. Послеоткрытия пульсара в Крабовидной Туманности, возникшей из-за взрыва сверхновойзвезды. В1054 году эта звезда была видна днем, (о чем упоминают в своихлетописях китайцы, арабы и североамериканцы), стало ясно, что пульсары каким-тообразом связаны с вспышками сверхновых звезд, Скорее всего, сигналы шли отобъекта, оставшегося после взрыва. Прошло немало времени, прежде чемастрофизики поняли, что пульсары — это и есть быстро вращающиеся нейтронныезвезды, которые они так долго искали.

ФИЗИКАПУЛЬСАРА

Пульсар – это огромный намагниченныйволчок, крутящейся во круг оси не совпадающей с осью магнита. Если бы на негоне падало и он ни чего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частотувращения и мы никогда бы его не услышали на Земле.

Но дело в том, что данный волчокимеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, да и вращающеесямагнитное поле создаёт огромное по напряжённости электрическое поле, способноеразгонять протоны и электроны почти до световых скоростей. Причём все этизаряженные частицы, носящиеся во круг пульсара, зажаты в ловушке из егоколоссального магнитного поля. И только в пределах не большого телесного углаоколо магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звёзды обладаютсамыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими (10-10, 10-14)десять в десятой,  десять в четырнадцатой степени ГАУСС,  к примеру, земноемагнитное поле составляет один(1) ГАУСС, солнечное десять, пятьдесят (10-50)ГАУСС.) Именно эти потоки заряженных частиц и являются источником тогорадиоизлучения, по которому, по которому и были открыты пульсары, оказавшиеся вдальнейшем нейтронными звёздами. Поскольку магнитная ось нейтронной звезды несовпадает с осью её вращения,  то при вращении звезды поток радио волнраспространяется в космосе подобно лучу проблескового маячка – лишь на мигпрорезая окружающую мглу.

ВСЕСИЛЬНАЯГРАВИТАЦИЯ

Согласно современной теории эволюции массивные звездызаканчивают свою жизнь колоссальным взрывом, превращающим большую их часть врасширяющуюся газовую

туманность. В итоге от гиганта, во много раз превышавшегоразмерами и массой наше Солнце, остается плотный горячий объект размером около20 км, с тонкой атмосферой (из водорода и более тяжелых ионов) и гравитационнымполем, в 100 млрд. раз превышающим земное. Его и назвали нейтронной звездой,полагая, что он состоит главным образом из нейтронов. Вещество нейтроннойзвезды — самая плотная форма материи (чайная ложка такого супер ядра веситоколо миллиарда тонн).

Очень короткий период излучаемыхпульсарами сигналов был первым и самым главным аргументом в пользу того, чтоэто и есть нейтронные звезды, обладающие огромным магнитным полем и вращающиесяс бешеной скоростью. Только плотные и компактные объекты (размером всегонесколько десятков километров) с мощным гравитационным полем могут выдерживатьтакую скорость вращения, не разлетаясь на куски из за центробежных сил инерции.Нейтронная звезда состоит из нейтронной жидкости с примесью протонов иэлектронов. «Ядерная жидкость», очень напоминающая вещество из атомных ядер, вдесять раз плотнее обычной воды. Это огромное различие вполне объяснимо — ведьатомы состоят в основном из пустого пространства, в котором вокруг крошечного,но тяжёлого ядра порхают легкие электроны. Ядро содержит почти всю массу, таккак протоны и нейтроны в 2 000 раз тяжелееэлектронов.                           

Экстремальные силы, возникающиепри формировании нейтронной звезды, так сжимают атомы, что электроны,вдавленные в ядра, объединяются с протонами, образуя нейтроны. Таким образом,рождается звезда, почти полностью состоящая из нейтронов. Сверхплотная ядернаяжидкость, если ее принести на Землю, взорвалась бы, подобно ядерной бомбе, но внейтронной звезде она устойчива благодаря огромному гравитационному давлению.Однако во внешних слоях нейтронной звезды (как, впрочем, и всех звезд) давлениеи температура падают, образуя твердую корку толщиной около километра. Какполагают, состоит она в основном из ядер железа.

ОТКРЫТЫЙВОПРОС

Хотя нейтронные звезды интенсивно изучаются уже около трехдесятилетий, их внутренняя структура доподлинно не — известна. Более того, неттвердой уверенности и в том, что они действительно состоят в основном изнейтронов. С продвижением вглубь звезды давление и плотность увеличиваются, иматерия может быть настолько сжата, что она распадается на кварки — строительные блоки протонов и нейтронов.

Согласно современной квантовойхромо динамике кварки не могут существовать в свободном состоянии, аобъединяются в неразлучные «тройки» и «двойки».

Но, возможно, у границы внутреннего ядра нейтронной звездыситуация меняется и кварки вырываются из своего заточения.

Чтобы глубже понять природунейтронной звезды и экзотической кварковой материи, астрономам необходимоопределить соотношение между массой звезды и ее радиусом (средняя плотность).Исследуя нейтронные звезды со спутниками, можно достаточно точно измерить ихмассу, но определить диаметр — намного труднее. Совсем недавно ученые,используя возможности рентгеновского спутника «ХММ — Ньютон», нашли способоценки плотности нейтронных звезд, основанный на гравитационном красномсмещении.

 Необычность нейтронных звездсостоит еще и в том, что при уменьшении массы звезды ее радиус возрастает, врезультате наименьший размер имеют наиболее массивные нейтронные звезды.

СУДОРОГИГИГАНТОВ

Пульсары считаются одной из ранних стадий жизни нейтроннойзвезды. Благодаря их изучению ученые узнали и о магнитных полях, и о скоростивращения, и о дальнейшей

судьбе нейтронных звезд. Постоянно наблюдая за поведениемпульсара, можно точно установить: сколько энергии он теряет, насколькозамедляется, и даже то, когда он прекратит свое существование, замедлившисьнастолько, что не сможет излучать мощные радиоволны. Эти исследованияподтвердили многие теоретические предсказания относительно нейтронных звезд.

Уже к 1968 году были обнаруженыпульсары с периодом вращения от 0,033 секунды до 2 секунд. Периодичностьимпульсов радио пульсара выдерживается с удивительной

точностью, и поначалу стабильность этих сигналов была вышеземных атомных часов. И все же по мере прогресса в области измерения временидля многих пульсаров удалось

зарегистрировать регулярные изменения их периодов. Конечно,это исключительно малые изменения, и только за миллионы лет можно ожидатьувеличения периода вдвое.

Отношение текущей скорости вращения к замедлению вращения —один из способов оценки возраста пульсара.

Несмотря на поразительнуюстабильность радиосигнала, некоторые пульсары иногда испытывают так называемые«нарушения». За очень короткий интервал времени (менее 2 минут) скоростьвращения пульсара увеличивается на существенную величину, а затем черезнекоторое время возвращается к той величине, которая была до «нарушения».Полагают, что «нарушения» могут быть вызваны перегруппировкой массы в пределахнейтронной звезды. Но в любом случае точный механизм пока неизвестен. Так,пульсар «Вела» примерно раз в три года подвергается большим «нарушениям», и этоделает его очень интересным объектом для изучения подобных явлений.

МАГНЕТАРЫ

Некоторые нейтронные звезды, названные источникамиповторяющихся всплесков мягкого гамма-излучения — SGR, испускают мощныевсплески «мягких» гамма-лучей через нерегулярные интервалы. Количество энергии,выбрасываемое SGR при обычной вспышке, длящейся несколькодесятых секунды. Солнце может излучить только за целый год. Четыре известныеSGR находятся в пределах нашей Галактики и только один — вне ее. Этиневероятные взрывы энергии могут быть вызваны «звездо — трясениями» — мощнымиверсиями землетрясений, когда разрывается твердая поверхность нейтронных звезди из

их недр вырываются мощные потоки протонов, которые, увязая вмагнитном поле, испускают гамма — и рентгеновское излучение.

Нейтронные звезды былиидентифицированы как источники мощных гамма — всплесков после огромной гаммавспышки 5 марта 1979 года, когда было выброшено столько энергии в течениепервой же секунды, сколько Солнце излучает за 1 000 лет. Недавние наблюдения заодной из наиболее «активных» в настоящее время нейтронных

звёзд, похоже, подтверждают теорию о том, что нерегулярныемощные всплески гамма- и рентгеновского излучений вызваны «звездо –трясениями». В 1998 году внезапно очнулся

от «дремоты» известный SGR, который 20 лет не подавалпризнаков активности и выплеснул почти столько же энергии, как и гамма-вспышка5 марта 1979 года. Больше всего поразило исследователей при наблюдении за этимсобытием резкое замедление скорости вращения звезды, говорящее о ее разрушении.Для объяснения мощных гамма

и рентгеновских вспышек была предложена модель магнетара — нейтронной звезды со сверхсильным магнитным полем. Если нейтронная звездарождается, вращаясь

очень быстро, то совместное влияние вращения и конвекции,которая играет важную роль в первые несколько секунд существования нейтроннойзвезды, может создать огромное магнитное поле в результате сложного процесса,известного как «активное динамо» (таким же способом создается поле внутри Землии Солнца). Теоретики были поражены, обнаружив, что такое динамо, работая вгорячей,

новорожденной нейтронной звезде, может создать магнитноеполе, в 10 000 раз более

сильное, чем обычное поле пульсаров. Когда звездаохлаждается (секунд через 10 или 20),

конвекция и действие динамо прекращаются, но этого временивполне достаточно, что- бы успело возникнуть нужное поле.

Магнитное поле вращающегосяэлектропроводящего шара бывает неустойчивым, и

резкая перестройка его структуры может сопровождатьсявыбросом колоссальных количеств энергии (наглядный пример такой неустойчивости— периодическая переброска магнитных полюсов Земли). Аналогичные вещи случаютсяи на Солнце, во взрывных событиях, названных «солнечными вспышками». Вмагнетаре доступная магнитная энергия огромна, и этой энергии вполне достаточнодля мощи таких гигантских вспышек, как 5 марта 1979 и 27 августа 1998 годов.Подобные события неизбежно вызывают глубокую ломку и изменения в структуре нетолько электрических токов

 в объеме нейтронной звезды, но и ее твердой коры.

Другим загадочным типом объектов,которые испускают мощное рентгеновское излучение во время периодическихвзрывов, являются так называемые аномальные рентгеновские пульсары — АХР. Ониотличаются от обычных рентгеновских пульсаров тем, что излучают только врентгеновском диапазоне. Ученые полагают, что SGR и АХР являются фазами жизниодного и того же класса объектов, а

именно магнетаров, или нейтронных звезд, которые гамма — кванты, черпая энергию из магнитного поля. И хотя магнетары на сегодня остаютсядетищами теоретиков, и нет достаточных данных, подтверждающих их существование,астрономы упорно ищут нужные доказательства.

БЕСПОКОЙНОЕСОСЕДСТВО

Знаменитая космическая обсерватория «Чандра» обнаружиласотни объектов (в том числе и в других галактиках), свидетельствующих о том,что не всем нейтронным звездам

предназначено вести жизнь в одиночестве. Такие объектырождаются в двойных системах, которые пережили взрыв сверхновой, создавшийнейтронную звезду. А иногда случается, что одиночные нейтронные звезды вплотных звездных областях типа шаровых скоплений захватывают себе компаньона. Втаком случае нейтронная звезда будет «красть» вещество у своей соседки. И взависимости оттого, насколько массивная звезда составит ей компанию, эта«кража» будет вызывать разные последствия.

Газ, текущий с компаньона,массой, меньшей, чем у нашего Солнца, на такую «крошку», как нейтронная звезда,не сможет сразу упасть из — за своего слишком большого углового момента.Поэтому он создает вокруг нее так называемый аккреционный диск из «украденной»материи. Трение при накручивании на нейтронную звезду и сжатие в гравитационномполе разогревает газ до миллионов градусов, и он начинает испускатьрентгеновское излучение.

Другое интересное явление,связанное с строчными звездами, имеющими мало-

пассивного компаньона, — рентгеновские вспышки (барстеры).Они обычно длятся от нескольких секунд до нескольких минут и в максимуме даютзвезде светимость, почти в 100 тысяч раз превышающую светимость Солнца. Этивспышки объясняют тем, что, когда водород и гелий переносятся на нейтроннуюзвезду с компаньона, они образуют плотный слой. Постепенно этот слой становитсянастолько плотным и горячим, что начинается реакция термоядерного синтеза ивыделяется огромное количество энергии. По мощности это эквивалентно взрывувсего ядерного арсенала землян на каждом квадратном сантиметре поверхностинейтронной звезды в течение минуты.

Совсем другая картинанаблюдается, если нейтронная звезда имеет массивного компаньона. Звезда-гиганттеряет вещество в виде звездного ветра (исходящего от ее поверхности потокаионизированного газа), и огромная гравитация нейтронной звезды захватываетчасть этого вещества себе. Но здесь вступает в свои права магнитное поле,которое заставляет падающее вещество течь по силовым линиям к магнитнымполюсам. Это означает, что рентгеновское излучение, прежде всего, генерируетсяв горячих точках на полюсах, и если магнитная ось и ось вращения звезды несовпадают, то яркость звезды оказывается переменной — это тоже пульсар, нотолько рентгеновский.

Нейтронные звезды в рентгеновскихпульсарах имеют компаньонами яркие звезды-гиганты. В барстерах же компаньонаминейтронных звезд являются слабые по блеску

звезды малых масс. Возраст ярких гигантов не превышаетнескольких десятков миллионов лет, тогда как возраст «слабых» звезд — карликовможет насчитывать миллиарды лет, поскольку первые гораздо быстрее расходуютсвое ядерное топливо, чем вторые. Отсюда следует, что барстеры — это старыесистемы, в которых магнитное поле успело со временем ослабеть, а пульсары —относительно молодые, и потому магнитные поля в них сильнее. Может быть,барстеры когда-то в прошлом пульсировали, а пульсарам еще предстоит вспыхиватьв будущем.

С двойными системами связывают ипульсары с самыми короткими периодами (менее 30 миллисекунд) — так называемыемиллисекундные пульсары. Несмотря на их быстрое вращение, они оказываются немолодыми, как следовало бы ожидать, а самыми старыми.

Возникают они из двойных систем,где старая, медленно вращающаяся нейтронная

звезда начинает поглощать материю со своего, тоже ужесостарившегося компаньона (обычно красного гиганта). Падая на поверхностьнейтронной звезды, материя передает ей вращательную энергию, заставляякрутиться все быстрее. Происходит это до тех пор, пока компаньон нейтроннойзвезды, почти освобожденный от лишней массы, не станет белым карликом, а пульсарне оживет и не начнет вращаться со скоростью сотни оборотов в секунду.

Впрочем, недавно астрономыобнаружили весьма необычную систему, где компаньоном миллисекундного пульсараявляется не белый карлик, а гигантская раздутая красная звезда. Ученые полагают,что они наблюдают эту двойную систему как раз в стадии «освобождения» краснойзвезды от лишнего веса и превращения в белого карлика.

Если эта гипотеза неверна, тогда звезда-компаньон может бытьобычной звездой из шарового скопления, случайно захваченной пульсаром.

Почти все нейтронные звезды,которые известны в настоящее время, найдены или в рентгеновских двойныхсистемах, или как одиночные пульсары. И вот недавно «Хаббл»

заметил в видимом свете нейтронную звезду, которая неявляется компонентом двойной системы и не пульсирует в рентгеновском ирадиодиапазоне. Это дает уникальную возможность точно определить ее размер ивнести коррективы в представления о составе и структуре этого причудливогокласса выгоревших, сжатых гравитацией звезд. Эта звезда была обнаружена впервыекак рентгеновский источник и излучает в этом диапазоне не потому, что собираетводородный газ, когда движется в пространстве, а потому, что она все ещемолода. Возможно, она является остатком одной из звезд двойной системы. В результатевзрыва сверхновой эта двойная система разрушилась, и бывшие соседи началинезависимое путешествие по Вселенной.

/>

еще рефераты
Еще работы по астрономии