Блог питониста

Недавно прочитал научно-популярную книгу про нейтронные звезды. Хочу рассказать о прочитанном. Называется книга "Cуперобъекты. Звезды размером с город". Автор - Сергей Попов, доктор физико-математических наук, астрофизик и популяризатор науки, ведущий научный сотрудник института имени П.К. Штернберга (ГАИШ МГУ). Несколько лет проработал в европейских университетах и обсерваториях. Основная область его научных интересов - астрофизика нейтронных звезд.

На ютубе можно найти много его лекций, например:

Автор считает, что нейтронные звезды гораздо интереснее черных дыр. Это уникальные физические лаборатории по изучению экстремальных процессов и состояний. Недаром за изучение нейтронных звезд астрономы уже получили две Нобелевские премии, и дело этим явно не ограничится.

В книге рассказывается, как с помощью различных телескопов - от радио до рентгеновских и гамма, - а также используя детекторы нейтрино и гравитационных волн, астрофизики исследуют эти суперобъекты, объединившие в себе всю современную физику. Мы сейчас описываем мир, пользуясь тремя фундаментальными теориями: Специальной теорией относительности, Общей теорией относительности и квантовой механикой.

Есть известный рисунок - cGh-карта или "куб теорий", придуманный физиком Матвеем Бронштейном. На нем есть три координатные оси, одна из которых соответствует росту важности квантовых эффектов, другая - приближению к скорости света, а третья - увеличению гравитационного поля. Начало координат соотвествует классической механике. Переместившись в самую дальнюю от начала координат вершину куба, - столкнемся с процессами, требующими для своего описания так назвыаемой "Теории всего", которая объединит все известные взаимодействия.

Если представить на этом рисунке место нейтронных звезд, то среди всех непосредственно наблюдаемых макроскопических объектов они окажутся самыми удаленными от начала координат. Для адекватного описания нейтронных звезд необходимы все три фундаментальных теории. Конечно, недра черных дыр должны быть еще экзотичнее, но их мы не можем наблюдать.

Почему эти звезды называют нейтронными? Потому что они в основном состоят из нейтронов, условия в недрах этих звезд такие, что происходит нейтронизация - процесс множественного захвата электронов атомными ядрами. Протоны превращаются в нейтроны.

Жизнь звезды

Звезды рождаются и умирают. То, какой будет жизнь звезды зависит от ее массы. Легкие звезды живут очень долго и очень медленно пережигают водород в гелий. Поскольку Вселенной всего лишь 13 милиардов лет с небольшим, то даже самые первые из легких звезд (с массой раза в два меньше солнечной и более легкие) должны доживать до наших дней. Массивные звезды живут меньше просто потому, что они светят ярче и быстрее пережигают свой запас водорода, хотя его и больше, но светимость очень резко растет с ростом массы из-за роста температуры и плотности в центре. Если звезда имеет массу порядка солнечной, то она живет где-то 10-12 милиардов лет.

В конце жизни Солнца внешняя оболочка будет сброшена, и от него останется постепенно остывающее ядро без источников энергии - белый карлик. Белый карлик - это конечная стадия эволюции  не слишком массивных звезд. Если звезда раз в десять тяжелее Солнца, то она превратится не в белого карлика. В конце ее жизни ядро потеряет устойчивость, и она как бы упадет сама на себя, произойдет взрыв сверхновой. Если мы говорим о звезде в 10, 20, может быть, в 30 раз больше солнечной, то после взрыва сверхновой останется нейтронная звезда - крайне интересный объект, очень компактный. Средняя плотность у нейтронной звезды чуть выше, чем у атомного ядра.

Многообразие нейтронных звезд

Если нейтронная звезда излучает мощные периодические радиоимпульсы, то ее называют радиопульсаром. Если же существует тесная двойная система с нейтронной звездой, то вещество нормальной звезды может пертекать на компактный объект, будучи захваченным его гравитацией. Этот процесс называется аккрецией. В результате падения вещества на нейтронную звезду выделяется много энергии, и такая звезда излучает в основном в рентгеновском диапозоне, нызвают такую нейтронную звезду рентгеновским пульсаром.

Если нейтронная звезда обладает очень сильным магнитным полем, то это - магнитар. Выделяют также радиотихие звезды в солнечных  окрестностях, назывемые Великолепной семеркой, центральные компактные объекты в остатках сверхновых, их известно около десятка. Они тоже радиотихие, как и Семерка, они испускают тепловое излучение, но они моложе, у них короче периоды вращения и меньше магнитные поля.

Эволюция нейтронных звезд

Нейтронные звезды вращаются вокруг своей оси часто с большими скоростями, поэтому могут иметь очень короткий период вращения. В течение свой жизни нейтронная звезда может и замедлять свое вращение, и ускорять. Для ускорения необходимо какое-то внешнее воздействие, а замедление может происходить и без участия внешних объектов. Замедление вращения происходит примерно по одинаковому сценарию. Звезда излучает электромагнитные волны и ускоряет заряженные частицы. На это нужна энергия, которая берется из вращения, т.е. наша звезда будет замедляться. Энергия уносится потоком волн и частиц, по мере замедления вращения энергии будет излучаться все меньше.

Магнитное поле порождается электрическими токами. И поля нейтронных звезд - не исключение. Поскольку они не подключены к розетке, и батареек в них нет, токи со временем должны уменьшаться, затухать. Соответсвтенно, будет уменьшаться и магнитное поле.

Тепловая эволюция нейтронных звезд тоже интересна. Пока компактный объект молод, главным процессом в тепловой истории является остывание, у нейтронной звезды оно происходит причудливым образом, и все благодаря нейтрино. В начале своей жизни недра компактного объекта холоднее из-за того, что недра излучают нейтрино, которые очень эффективно уносят энергию. Эта стадия длится несколько десятков лет, пока температура внутри нейтронной звезды не выравнивается. Затем уже поверхность становится холоднее недр.

Гравитационные волны

Гравитационные волны - изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами. Следовательно, когда вы махаете руками, то порождаете гравитационные волны, правда очень слабые. Чтобы зарегистрировать гравитационно-волновой сигнал  нужен гораздо более мощный источник. Источником такого сигнала могут быть сливающиеся нейтронные звезды или черные дыры.

И хотя первая регистрация гравитационных волн была связана, похоже, со слиянием черных дыр, но в будущем мы, возможно, будем регистрировать гравитационные волны и от слияния нейтронных звезд. Сливающиеся нейтронные звезды - это естественный продукт эволюции массивных двойных. Расчеты показывают, что в галактике типа нашей слияния происходят раз в несколько десятков тысяч лет. Черные дыры сливаются друг с другом (или с нейтронными звездами) гораздо реже.

Слияния нейтронных звезд - это прямо-таки золотой феномен: некоторые современные модели показывают, что большая часть золота во вселенной возникла имеено в этом процессе. Чтобы получить гравитационно-волновой всплеск большой мощности, потенциально детектируемый современными антеннами, надо начать с массивной двойной звезды. Звезды поочередно взрываются. Каждая порождает нейтронную звезду, и система при этом выживает. В конце концов эти нейтронные звезды сольются, потихонечку сближаясь из-за излучения гравитационных волн. Финальный аккорд - буквально падение нейтронной звезды на нейтронную звезду. Оно сопровождается выделением огромной энергии в виде гравитационных и элеткромагнитных волн.

Компактные объекты и фундаментальная физика

Физический эксперимент всегда ограничен: всегда есть какие-то предельные значения параметров, достижимые в конкретном эксперименте. Например, если вы изучаете гравитацию, то вы можете изучать силу тяжести в масштабе своей комнаты, далее - в масштабе Земли, запустить спутники на околоземную орбиту, потом - запустить спутники на орбиту в Солнечной системе. Но изучать законы гравитации в больших вы не можете с помощью лаборатораных приборов, вам нужно обращаться к естественным процессам в природе. Это самое банальное - лаборатория просто кончилась. Эксперимент ограничен масштабом установки.

Иногда нам не хватает каких-то мощностей, каких-то возможностей создать экстремальные параметры в лаборатории, и поэтому мы обращаемся к природным процессам. Чаще всего это процессы астрофизические. К примеру, инженеры и ученые 10-20-30 лет строили-строили и наконец построили какой-нибудь крупный ускоритель, научились ускорять частицы до больших энергий, но из космоса постоянно прилетают частицы с энергией в милиард раз больше, чем на БАКе. Прилетают каждый день, прилетают совершенно бесплатно, в принципе их тоже можно брать и изучать. И нейтронные звезды - это как раз такие уникальные, естественные лаборатории, где очень многие параматры - самые разные - доведены до предела.

Нейтронные звезды позволяют объяснять новые загадочные явления. Например, несколько лет назад прибор ПАМЕЛА, работающий на российском спутнике Ресурс-Д, предназначенный для изучения космических лучей, обнаружил избыток позитронов. Была сразу высказана идея, что лишние позитроны могут рождаться в результате аннигиляции частиц темного вещества. Однако постепенно стало ясно, что у гипотезы с темным веществом в данном случае есть проблемы. Сейчас считается, что лучшим источником "лишних" позитронов могли бы быть близкие радиопульсары, испускающие ветер, содержащий много электрон-позитронных пар.