Нейтронные звезды и черные дыры являются финальными стадиями эволюции массивных звезд. Эти компактные объекты не только обладают интереснейшими астрофизическими проявлениями, но и представляют огромный интерес для фундаментальной физики. Недаром за исследования нейтронных звезд было вручено уже две с половиной нобелевских премии (за открытие радиопульсаров, за обнаружение двойного пульсара и проверку ОТО, а также сюда можно отнести как минимум половину премии за развитие рентгеновской астрономии). В курсе рассматриваются различные источники, связанные с нейтронными звездами и черными дырами, эволюция нейтронных звезд, а также перспективы исследований в этой области.

Сходство черной дыры и нейтронной звезды

Черная дыра, это и есть нейтронная звезда, точнее, черная дыра представляет собой одну из разновидностей нейтронных звезд.

Черня дыра, как и нейтронная звезда состоит из нейтронов. Причем, это не нейтронный газ, в котором нейтроны находятся в свободном состоянии, а очень плотная субстанция с плотностью атомного ядра.

Черные дыры и нейтронные звезды образуются в результате гравитационного коллапса, когда давление газа в звезде не может уравновесить её гравитационное сжатие. При этом звезда сжимается до очень маленького размера и очень большой плотности, так что электроны вдавливаются в протоны и образуются нейтроны.

Заметим, что среднее время жизни свободного нейтрона около 15 минут (период полураспада около 10 минут). Поэтому нейтроны в нейтронных звездах и в черных дырах могут быть только в связанном состоянии, как в атомных ядрах. Поэтому нейтронная звезда и черная дыра, это как бы атомное ядро макроскопических размеров, в котором нет протонов.

Отсутствие протонов, это одно отличие черной дыры и нейтронной звезды от атомного ядра. Второе отличие связано с тем, что в обычных атомных ядрах нейтроны и протоны "склеены" друг с другом с помощью ядерных сил (так называемое, "сильное" взаимодействие). А в нейтронных звездах нейтроны "склеены" с помощью гравитации.

Дело в том, что ядерным силам нужны еще и протоны для "склеивания" нейтронов друг с другом. Не существует таких ядер, которые состоят только из одних нейтронов. Обязательно должен быть хотя бы один протон. А для гравитации никакие протоны не нужны, чтобы "склеить" нейтроны друг с другом.

Еще одно отличие гравитации от ядерных сил заключается в том, что гравитация, это дальнодействующее взаимодействие, а ядерные силы, это короткодействующее взаимодействие. Поэтому атомные ядра не могут быть макроскопических размеров. Начиная с урана, все элементы периодической таблицы Менделеева имеют неустойчивые ядра, которые распадаются из-за того, что положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга и разрывают крупные ядра.

У нейтронных звезд и черных дыр такой проблемы нет, так как, во-первых, гравитационные силы дальнодействующие, а, во-вторых, в нейтронных звездах и черных дырах нет положительно заряженных протонов.

Нейтронная звезда и черная дыра под действием сил гравитации имеют форму шара, а точнее эллипсоида вращения, так как все нейтронные звезды (и черные дыры) вращаются вокруг своей оси. Причем достаточно быстро, с периодами вращения от нескольких секунд и меньше.

Дело в том, что нейтронные звезды и черные дыры образуются из обычных звезд путем их сильного сжатия под действием гравитации. Поэтому, по закону сохранения момента вращения, они должны очень быстро вращаться.

Является ли поверхность черных дыр и нейтронных звезд твердой? Не в смысле твердого тела, как агрегатного состояния вещества, а в смысле четкой поверхности шара, без нейтронной атмосферы. Видимо, да, черные дыры и нейтронные звезды имеют твердую поверхность. Нейтронная атмосфера и нейтронная жидкость, это нейтроны в свободном состоянии, значит, они должны распадаться.

Но это не значит, что, если мы, например, уроним на поверхность черной дыры или нейтронной звезды какое-нибудь "изделие" из нейтронов с плотностью атомного ядра, то оно останется лежать на поверхности звезды. Такое гипотетическое "изделие" тут же "всосется" во внутрь нейтронной звезды и черной дыры.

Отличие черных дыр от нейтронных звезд

Сила тяжести у черной дыры такая, что вторая космическая скорость на её поверхности превышает скорость света. Поэтому свет с поверхности черной дыры не может навсегда уйти в открытый космос. Гравитационные силы заворачивают луч света обратно.

Если на поверхности черной дыры находится источник света, то фотоны этого света сначала летят вверх, а потом поворачивают и падают обратно на поверхность черной дыры. Или эти фотоны начинают вращаться вокруг черной дыры по эллиптической орбите. Последнее имеет место на такой черной дыре, на поверхности которой первая космическая скорость меньше скорости света. В этом случае фотон может вырваться с поверхности черной дыры, но он превращается в постоянный спутник черной дыры.

А на поверхности всех остальных нейтронных звезд, которые не являются черными дырами, вторая космическая скорость меньше скорости света. Поэтому, если на поверхности такой нейтронной дыры находится источник света, то фотоны от этого источника света покидают поверхность такой нейтронной звезды по гиперболическим орбитам.

Понятно, что все эти рассуждения относятся не только к видимому свету, но и к любому электромагнитному излучению. То есть покинуть черную дыру не может не только видимый свет, но и радиоволны, инфракрасные лучи, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Максимум, что смогут фотоны этих излучений и волн, это начать вращаться вокруг черной дыры, если для данной черной дыры скорость света больше первой космической скорости на поверхности звезды.

Поэтому такие нейтронные звезды и называются так "черная дыра". От черной дыры ничего не вылетает, а всё что угодно может туда залететь. (Испарение черных дыр за счет квантового туннелирования здесь рассматривать не будем.)

То есть понятно, что никакой дырки в пространстве там на самом деле нет. Точно также, как нет никакой дырки в пространстве на месте расположения обычной нейтронной звезды или на месте обычной звезды.

Дырки в пространстве там есть только в книгах писателей-фантастов, в научно-популярных изданиях и телепередачах. Изданиям и телепередачам нужно финансово отбить затраты на тиражи и рейтинги. Поэтому им приходится эмоционально поражать своих читателей и телезрителей такими фактами, которые нельзя проверить при сегодняшнем уровне развития науки и техники, но которые могут появится в каких-нибудь математических моделях.

(Непрофессиональная публика обычно не подозревает, что математические модели в физике всегда вторичны, что физика наука экспериментальная и что математические модели физических объектов имеют свойство в будущем меняться по мере появления новых экспериментальных данных.)

Если бы мы могли стоять на поверхности черной дыры, то посмотрев вверх мы бы увидели вместо звездного неба полупрозрачное зеркало. То есть мы видели бы там и окружающий космос (так как черная дыра принимает всё излучение отправленное к ней) и тот свет, который возвращается к нам обратно не сумев преодолеть гравитация. Этот возврат света обратно имеет эффект зеркала.

Точно такое же полупрозрачное "зеркало" на поверхности черной дыры имеет место и для других видов электромагнитного излучения (радиоволны, рентген, ультрафиолет и т.д.)

Белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры... Что их связывает между собой?

Откуда берутся белые карлики? Наверняка многие знают, что они не входят в область главной последовательности звезд на диаграмме Герцшпрунга-Рассела:

       Когда звезда относительно небольшой массы истощает своё ядерное топливо, она «раздувается», сбрасывая внешние оболочки. Образуется планетарная туманность, в центре которой остаётся белый карлик. Его радиус сравним с радиусом Земли, а масса немного больше солнечной.

       Поэтому плотность таких звёзд довольно высока. Почему бы им не сжиматься до бесконечно большой плотности? Принцип запрета Паули не позволяет электронам быть в одном и том же квантовом состоянии (электрон является фермионом), поэтому при увеличении плотности звезды электроны начинают двигаться с большей скоростью. Это создает дополнительное давление изнутри, предотвращающее полное сжатие.

      Светимость белых карликов, как видно из диаграммы, низкая, поэтому их трудно регистрировать в оптическом диапазоне. Однако самый известный белый карлик – Сириус В – был пойман в телескоп Альваном Кларком еще в 1862 году. Вместе с Сириусом А (или просто - Сириусом) Сириус В составляет двойную систему белого карлика и звезды главной последовательности. Период обращения Сириуса В составляет около 50 лет.

Иллюстрация наиболее вероятного вида системы

        Если Сириус А до сих пор горит, значит Сириус В раньше был намного массивнее его: в тяжёлых звёздах термоядерный синтез протекает быстрее, поэтому и «умирают» они раньше. В определенный момент Сириус В стал красным гигантом, затем сбросил внешние оболочки. Как быть с тем, что белые карлики, их большинство, - это часть так называемой невидимой астрономии?

        Регистрировать их в рентгеновском диапазоне. Зарождение рентгеновской астрономии – относительно недавнее событие (середина ХХ века). Для сравнения снимок системы Сириуса: А выглядит тусклее В, хотя в видимом диапазоне светимость А больше на несколько порядков.

        Белый карлик может быть компонентом тесно связанной гравитационной системы, в которой вещество звезды-соседа перетекает на него.

         Нейтронная звезда – тоже один из завершающих этапов существования звезды, но только масса «умирающей» звезды должна быть больше. Естественно предположить, что нейтронные звёзды в основном состоят из нейтронов. Как это возможно? Атомы состоят из нейтронов и протонов в ядре и электронов. При огромной плотности электроны сливаются с протонами, тем самым делая из них нейтроны. Кстати, этот процесс высвобождает нейтрино.

Примерное строение нейтронной звезды:

Твёрдая оболочка состоит из некоторых химических элементов.

      Некоторые нейтронные звёзды вращаются с высокими скоростями – несколько сотен оборотов в секунду. Также они обладают сильными магнитными полями.

Нейтронные звёзды подразделяются на:

• Эжекторы, они же радиопульсары (выброс заряженных частиц, излучающих в радиодиапазоне);
• Аккреторы, они же рентгеновские пульсары (вещество достигает поверхности такой звезды, нагревается до очень высоких температур и начинает излучать в рентгеновском диапазоне);
• Георотаторы (материя не попадает на звезду из-за её магнитного поля);

Пропеллеры (плохо изученный вид, скорее всего, ничем не примечательный – обычная звезда из нейтронов).
Остановимся на аккреторах. Их свойства, а именно низкая скорость вращения и подходящее магнитное поле, позволяют им находиться в двойных системах.

        Системы с нейтронными звёздами – мощные источники рентгеновского излучения. Материя остывающей звезды перетекает на аккретор. По достижении материей его поверхности высвобождается много гравитационной потенциальной энергии. Окрестный газ начинает нагреваться до нескольких миллионов кельвинов и излучать в рентгеновском диапазоне.

         Наконец, чёрные дыры. В общепринятом понимании, это область континуума с таким гравитационным притяжением, что её не могут покинуть даже фотоны. Вторая космическая скорость черных дыр превышает скорость света. Один из вариантов их возникновения – последняя стадия эволюции звёзд, массы которых намного превышают солнечную. Чёрные дыры звёздной массы являются одним из компонентов системы, имеющей название «микроквазар».

           До коллапса более массивной звезды это была обычная двойная система звёзд. Теперь же вещество горящей звезды перетекает на чёрную дыру. Возникают джеты из частиц, которые сопровождаются излучением в радио- и рентгеновском диапазонах. Их появление обусловлено взаимодействием магнитного поля с диском материи около черной дыры (аккреационным диском).

Кроме того, чёрные дыры – предмет спора учёных по многим причинам:

• «Битва при чёрной дыре» - противостояние Леонарда Сасскинда и Стивена Хокинга. Они имели разные представления о том, что происходит с объектом (информацией), попавшей в чёрную дыру.
• Что находится внутри черной дыры? То, о чем мы можем лишь предполагать, - сингулярность – бесконечно малый размер и бесконечно большая плотность.

Однако тема чёрных дыр требует отдельного обсуждения.
Итак, все эти объекты объединены тем, что являются:

1. Завершающим этапом эволюции звёзд (разных масс);
2. Компонентами двойных систем;
3. Мощными источниками рентгеновского излучения.
   
   Белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры представляют немалый интерес для астрофизиков. В настоящее время происходит их активное изучение.

 

Опубликовать у себя в социальной сети

Похожие публикации

---