Что такое нейтронная звезда и чем она похожа на черную дыру

Что такое нейтронная звезда

Нейтронная звезда — это космический объект, который, как правило, образуется после взрыва сверхновой, на финальной стадии жизни обычной звезды. Такие объекты состоят в основном из нейтронов и отличаются чрезвычайной плотностью: при небольших размерах они имеют очень большую массу.

Жизненный цикл звезд (Фото: mir-znaniy.com)

О существовании нейтронных звезд впервые заговорили астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, сразу после открытия нейтрона в 1932 году. Но подтвердить их изыскания удалось лишь после открытия пульсаров в 1967 году.

Размер нейтронной звезды

Нейтронные звезды имеют радиус 10–20 км. Это достаточно мелкие объекты в масштабах космоса. Для сравнения: Земля в диаметре доходит до 12,7 тыс. км, что минимум в 1 тыс. раз больше. Обычные звезды — вроде Солнца — больше нейтронных в сотни тысяч раз.

Плотность нейтронной звезды

Размер нейтронной звезды сравнительно маленький, но плотности может позавидовать большинство космических объектов. Она сравнима с плотностью атомного ядра, то есть в 10¹⁴ раз выше, чем у воды. Иными словами, чайная ложка такого вещества весит примерно как гора Эверест.

Социальная экономика Капля принца Руперта: как она устроена и в чем ее секрет

Масса нейтронной звезды

Масса самой тяжелой из известных нейтронных звезд составляет 2,5 массы Солнца, самой легкой — 0,77 массы Солнца. Ученые сходятся во мнении, что средняя величина таких звезд — 1,4 массы ближайшего к Земле светила.

Температура нейтронной звезды

Так как нейтронная звезда — продукт взрыва, ее температура меняется в течение существования, но все время остается очень высокой. На этапе зарождения она доходит до сотен миллиардов градусов — на несколько порядков выше, чем в центре Солнца. В первое время температура снижается достаточно быстро. Затем — в течение миллиардов лет своего существования — нейтронные звезды продолжают охлаждаться. Температура их поверхности примерно в 1,5 раза ниже температуры солнечного ядра.

Скорость вращения нейтронной звезды

Нейтронные звезды вращаются гораздо быстрее, чем обычные. Самая скоростная в этом отношении обнаруженная нейтронная звезда PSR J1748-2446ad оборачивается вокруг своей оси 716 раз в секунду. Земле на один такой оборот требуется 24 часа — полноценные сутки.

Из чего состоят нейтронные звезды

Предполагалось, что в составе нейтронных звезд до 90% нейтронов — нейтральных частиц, не имеющих заряда и не отталкивающихся друг от друга. Однако дальнейшие исследования этих небесных тел показали, что они могут иметь другое строение и состав. Какая модель действительно реализуется в природе, до сих пор не установлено.

Принято считать, что у нейтронной звезды есть несколько слоев: внутренняя и внешняя кора, а также внутреннее и внешнее ядро. Внешняя кора в несколько сотен метров состоит из ядер тяжелых химических элементов, обогащенных нейтронами, и вырожденных электронов.

За внешней корой следуют слои, в которых с глубиной растет количество свободных нейтронов и увеличивается плотность. Во внутреннем ядре плотность в несколько раз превосходит ядерную, поэтому доподлинно понять ее состав нет возможности — такие условия недостижимы в лабораторных условиях.

Схема строения нейтронной звезды (Фото: Большая российская энциклопедия)

Как образуются нейтронные звезды

Образование нейтронной звезды можно разделить на несколько этапов. Если описать процесс простыми словами, он выглядит примерно следующим образом.

1. Звезда с массой 8–30 масс Солнца постепенно исчерпывает термоядерное горючее, и происходит гравитационный коллапс ее ядра.
2. Сжатие в компактный объект приводит к тому, что температура повышается, а электроны и протоны сливаются в нейтроны.
3. Внешняя оболочка звезды начинает падать на ядро. Когда плотность звезды достигает определенного предела, сжатие останавливается, а оболочка отбрасывается.
4. Образуется сверхновая — происходит мощнейший взрыв.
5. После рассеивания внешней оболочки от звезды остается звездный остаток — нейтронная звезда.

Футурология Ученые нашли самые старые звезды во Вселенной

Виды нейтронных звезд

В NASA различают три вида нейтронных звезд и классифицируют их по магнитному полю и излучению.

Пульсары

Этот вид наиболее распространен среди нейтронных звезд. Его особенность в том, что излучение звезды исходит двумя лучами с противоположных полюсов. При вращении они создают эффект мигания — как у маяка. Отсюда и название, отсылающее к пульсации.

Магнетары

У магнетаров чрезвычайно мощное магнитное поле — в 1 тыс. раз сильнее, чем у других нейтронных звезд, и в 1 трлн раз сильнее земного. Сейчас ученые знают около 30 существующих магнетаров.

Магнетары и пульсары одновременно

Этот тип звезд сочетает в себе признаки и пульсаров, и магнетаров. Они обладают сильнейшим магнитным полем и в то же время двумя разнонаправленными лучами радиации. Науке известно всего шесть таких звезд.

Нейтронные звезды и черные дыры

Нейтронные звезды часто сравнивают с черными дырами. Во-первых, потому что после этапа сверхновой может образоваться как нейтронная звезда, так и черная дыра. Во-вторых, потому что нейтронные звезды могут сами превращаться в черные дыры — например, при слиянии двух таких космических тел.

То есть основное родство черной дыры и нейтронной звезды в способе их образования: и то и другое появляется как финал эволюции обычной сверхмассивной звезды. Однако по другим физическим свойствам они отличаются друг от друга.

Нейтронная звезда обладает корой — твердой поверхностью, черная дыра — только границей (горизонтом событий). Масса черной дыры больше, чем у нейтронной звезды. Нейтронная звезда испускает излучение, в то время как черная дыра, напротив, захватывает свет.

Экономика образования Черные дыры: что нового узнали ученые за последние годы

Главное о нейтронных звездах

• Нейтронные звезды — небесные тела небольшого размера, с очень высокой массой и плотностью.
• Они обладают высокой температурой, быстро вращаются и живут миллиарды лет.
• Точный состав нейтронных звезд пока неизвестен науке, но предполагается, что они в основном состоят из нейтронов, а их плотность увеличивается с глубиной.
• Нейтронные звезды могут обладать сверхмощным магнитным полем, пульсировать излучением при вращении или делать и то, и другое одновременно.
• Нейтронные звезды, как и черные дыры, естественный результат эволюции обычных массивных звезд.