Читать книгу Все науки. №5, 2022. Международный научный журнал - Ибратжон Хатамович Алиев - Страница 5

Мирзажонов Махмуд Ахмедович

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры естественных наук Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий им. Мухаммада Аль-Хорезми
Абдуллаев Жамолиддин Солижонович
Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры естественных наук Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий им. Мухаммада Аль-Хорезми
Базанов Ахмад Базанович
Студент 654—20 группы Ферганского филиала Ташкентского университета информационных технологий им. Мухаммада Аль-Хорезми

Ферганский филиал Ташкентского университета информационной технологии им. Мухаммада ал-Харезми, Фергана, Узбекистан

Аннотация. В работе анализируется история открытия, образования, эволюция нейтронных звёзд. Рассматривается строение нейтронных звёзд, основные характеристики и свойств, а также основные виды данных сверхмассивных космических объектов.

Ключевые слова: Нейтронные звёзды, белые карлики, пульсары, магнитары, предел Чандрасекара.

Annotation. The paper analyzes the history of the discovery, formation, and evolution of neutron stars. The structure of neutron stars, the main characteristics and properties, as well as the main types of data of supermassive space objects are considered.

Keywords: Neutron stars, white dwarfs, pulsars, magnetars, Chandrasekhar limit.

Так называемая нейтронная звезда – это сверхмассивный астрономический объект, которая является конечным продуктом эволюции звёзд и состоящая из нейтронной сердцевины, покрытой относительно тонкой (около 1 км) корой особого вещества с преобладанием ядер железа и никеля. Масса нейтронной звезды практически такая же, как и наше Солнца, но радиус её, всего порядка 10 – 20 км. Поэтому средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8×10¹⁷ кг/м³). Предполагается, что эти сверхмассивные нейтронные звезды рождаются во время вспышек сверхновых.

Первые предположения о существовании звёзд сверхвысокой плотности были опубликованы советским учёным Львом Ландау, до открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком 24 февраля 1932 года [1], в статье [2], написанной в январе 1931 года, но опубликованной 29 февраля 1932 года [1]. В данной статье он вычислил верхний предел массы белых карликов и получил значение 1,5 солнечных масс (так называемый «Предел Чандрасекара»), масса при которой выраженный электронный газ способен сдерживать коллапс. Известно [3], что предел Чандрасекара – верхний предел массы, при котором звезда может существовать как белый карлик. Если масса звезды превышает этот предел, то она становится нейтронной звездой. Существование предела было доказано индийским астрофизиком Субраманьяном Чандрасекаром. В зависимости от химического состава белого карлика значение предела Чандрасекара варьируется в диапазоне от 1,38 до 1,44 солнечных масс. Субраманьян Чандрасекар – американский астрофизик и физик-теоретик индийского происхождения,, внесший значительный вклад в теоретическую физику и астрофизику, за открытие предела, названного его именем, в 1983 году удостоен Нобелевской премии по физике.

В декабре 1933 года [1] двое учёных Вальтер Бааде и Фрицем Цвикки на съезде Американского физического общества в Стэнфорде 15—16 декабря 1933, пытались объяснить колоссальное энерговыделение при взрыве сверхновых. Тем самым они также предсказали существование нейтронных звезд и предположили, что эти звезды образуются при взрыве сверхновых.

В 1937 году Г. Гамов основываясь на ранних работах Чандрасекара и Ландау в свой книге [4] писал следующее: «Массивные звёзды являются объектами, внутри которых на определённом этапе их существования образуется ядерная материя», а объяснил он это образование тем, что когда протоны превращаются в нейтроны, ядро атома захватывает электрон бета захватом. В 1938 г. Цвикки совей статье [5] написал «Если сверхновая – это переход от обычной звезды к нейтронной, то мы должны наблюдать красное смещение в центральной звезде сверхновой, что должно доказывать гипотезу.» и это подтвердилось. Германо-Американский астрофизик Рудольф Минковский, наблюдая за сверхновой в галактике IC4182 заметил красное смещение равное 100 ангстрем, исходя из предыдущей гипотезы это красное смещение ничто иное как «гравитационное красное смещение».

В 1967 году Джоселин Белл, Энтони Хьюиш была обнаружена первая нейтронная звезда (Пульсар PSR B1919+21). Открытие произошло на 81,5 – мегагерцового радиотелескопа в диапазоне -08^о <σ <44^о. Период сигнала был равен ~1.33 с. Это настолько сильно удивило исследователей, что первое предположение источником сигнала являлось внеземная цивилизация и по этом причине первое название дынного объекта было LGM-1 (Little Green Men – Маленький зелёный человечек). Некоторое время это открытие оставалось в тайне, но 1968 году в журнале Nature появилась статья на эту тему [6], авторами являлись Д. Белл и Э. Хьюиш. В этой статье были описаны наблюдения и предполагаемые источники. Основываясь на работе [7] Белл и Хьюиш предположили, что источниками могут являться компактные объекты (белые карлики, нейтронные звёзды), но не было достаточно веских аргументов. За этот выдающийся результат Энтони Хьюиш получил в 1974 году Нобелевскую премию. В этом же году Томас Голд смог дать точное объяснение источника. Он описал модель быстро вращающейся нейтронной звезды с сильным магнитным полем и окружённой плазменной магнитосферой, наполненной заряженными частицами, при этом генерируется когерентное, направленное радиоизлучение. При вращении данной нейтронной звезды излучение концентрируется на полюсах и при наблюдении мы видим картину аналогичную маяку. После открытия пульсаров изучение нейтронных звёзд пошло быстрым темпом. Вскоре были открыты новые типы нейтронных звёзд: 1971г рентгеновские пульсары, 1975 г источники рентгеновских всплесков, 1979г источник мягких гамма-всплесков, 1982 г миллисекундные пульсары и т. д.

Нейтронная звезда – космическое тело, являющийся одним из возможных результатов эволюции звёзд, состоящий, в основном, из нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (∼1 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Массы нейтронных звёзд сравнимы с массой Солнца, но типичный радиус нейтронное звезды составляет лишь 10—20 километров. Поэтому средняя плотность вещества такого объекта в несколько раз превышает плотность атомного ядра (которая для тяжёлых ядер составляет в среднем 2,8·10¹⁷ кг/м³). Дальнейшему гравитационному сжатию нейтронной звезды препятствует давление ядерной материи, возникающее за счёт взаимодействия нейтронов. Многие нейтронные звёзды обладают чрезвычайно высокой скоростью вращения, – до тысячи оборотов в секунду. Массы большинства нейтронных звёзд с надёжно измеренными массами составляют 1,3—1,5 массы Солнца, что близко к значению предела Чандрасекара.

Рис. 1

На Рис. 1 показано типичное строение нейтронной звезды, которое имеет традиционно пять слоев:

1. Самый верхний слой – это атмосфера в основном она состоит из водорода и гелия.

2. Кора внешняя (состоит из электронов, ионов, по толщине равняется нескольким сотням метров, в области тонкого слоя присутствует невырожденный газ электронного типа, а в более глубоких частях содержится вырожденное вещество).

3. Кора внутренняя (в составе преобладают электроны, нейтроны свободного типа, ядра атомные, по мере увеличения глубины содержание этих веществ увеличивается, а что касается атомных ядер, наоборот, происходит уменьшение).

4. Внешнее ядро. При достижении плотности равной ~10¹⁴ г/см³ ядра начинают рассыпаться, и мы переходим во внешнее ядро.

5. Дальше идем внутреннее ядро, его плотность достигает ~10¹⁵ г/см³. Данный участок все еще остается неизвестным, имеются множество гипотез о составе внутреннего ядра гиперонная материя, мезонный конденсат, деконфенированная кварковая материя и т. д.

Открытие радиопульсаров продемонстрировало наличие мощных магнитных полей у нейтронных звезд порядка 10⁸ – 10¹⁵ Гс (внешнее поле, для сравнения – у Земли около 1 Гс), магнитное поле внутри звезды при ее рождении может достигать 10¹⁷ Гс. Именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров. Предполагались различные теоретические модели генерации магнитных полей дифференциальное вращение, конвекция, магнито-вращательная неустойчивость, коллапс сверхновой [8]. Имеются два основных типа нейтронных звезд: пульсары и магнитары.

Пульсары – выше мы уже говорили о пульсарах, это компактные быстро вращающееся объекты, излучающие подобно маяку (Фигура 7). Магнитное поле у пульсаров порядка ~10¹²—10¹³ Гс. Интервал периодов пульсации 1.56 мс – 8.5 с.

Магнитары – так же, как и пульсары излучают импульсами, но период между импульсами больше ~2—12c, магнитары излучают в рентгеновском от ~10³⁰ Эрг с^-1 до ~10³⁵ Эрг с^-1 в диапазоне 2—10 Кэв и гамма-диапазоне. Магнитное поле магнитара> 10¹³ Гс.

К 2015 году открыто более 2500 нейтронных звёзд. Порядка 90% из них – одиночные звёзды, остальные входят в кратные звёздные системы.

Всего же в нашей Галактике по оценкам могут находиться 10⁸—10⁹ нейтронных звёзд, приблизительно одна нейтронная звезда на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость собственного движения (как правило, сотни км/с).

Со временем звезда расходует свою вращательную энергию, и её период вращения увеличивается. Магнитное поле тоже ослабевает.

Литература

1. Yakovlev D G, Haensel P, Baym G, Pethick C J «L D Landau and the concept of neutron stars» Phys. Usp. (2013)

2. Lev Landau «On the theory of stars» Phys. Zs. Sowjet. 1, 285 (1932)

3. Subramanyan Chandrasekhar. «On Stars, Their Evolution and Their Stability. Nobel Lecture? December 8, 1983

4. Gamow G «Structure of Atomic Nuclei and Nuclear Transformations», Oxford Clarendon Press (1937)

5. F. Zwick. «On Collapsed Neutron Stars». Astrophysical Journal, vol. 88, p.522—525 (1938)

6. HEWISH, A., BELL, S., PILKINGTON, J. et al. «Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source». Nature 217, 709—713 (1968).

7. Bardeen, James M. Thorne, Kip S. Meltzer, David W. «A Catalogue of Methods for Studying the Normal Modes of Radial Pulsation of General-Relativistic Stellar Models» Astrophysical Journal, vol. 145, p.505 (1966).

A.E.Shabad. «Interaction of Electromagnetic Radiation with Supercritical Magnetic Field» P.N.Lebedev Physics Institute, Russian Academy of Sciences Moscow, Russia (2003).