Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени - от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Нейтронные звезды обладают рядом экстремальных свойств, что делает их крайне интересными объектами с точки зрения фундаментальной физики. Вещество в нейтронных звездах находится в условиях, которые недостижимы в земных лабораториях: сверхсильная гравитация на поверхности, сверхсильные магнитные поля и сверхвысокая плотность в недрах.

Из всех наблюдаемых объектов (за исключением черных дыр) нейтронные звезды наиболее компактны, их радиус наиболее близок к шварцшильдовскому радиусу (радиус невращающейся черной дыры для данной массы, см. раздел 7.1 «Природа черных дыр. Коллапс»). Так называемая вторая космическая скорость (скорость убегания) на поверхности нейтронной звезды составляет примерно 0,3 скорости света. Если масса нейтронной звезды превышает предельную (около 2,5 массы Cолнца), происходит коллапс в черную дыру. Для расчета структуры и многих свойств нейтронных звезд необходим учет эффектов общей теории относительности.

Известные нейтронные звезды обладают сильными магнитными полями: от 10 8до 10 15Гс (для сравнения: поле на магнитном полюсе Земли составляет менее 1 Гс). Большая величина поля частично достигается сохранением магнитного потока при сжатии ядра звезды, порождающей компактный объект, а частично связана с генерацией поля.

Для описания свойств нейтронных звезд необходимо применение квантовой теории и общей теории относительности.

Недра компактных объектов состоят из вещества высокой плотности, в центрах нейтронных звезд в некоторых моделях она может превосходить ядерную плотность в 10–15 раз. Исследование такого вещества в лабораторных условиях невозможно, поэтому астрофизические данные по компактным объектам являются ценным источником информации для ядерной физики.

Наблюдательные проявления известных одиночных нейтронных звезд связаны с гравитационной энергией (аккреция), вращательной энергией (радиопульсары), тепловой энергией (остывающие нейтронные звезды) или энергией магнитного поля (магнитары).

В случае аккреции вещество соседа по двойной системе или газ из межзвездной среды гравитационно захватывается нейтронной звездой, разгоняется в поле тяготения до высокой скорости, а затем в аккреционном потоке или непосредственно при взаимодействии с поверхностью значительная часть кинетической энергии излучается (в основном в рентгеновском диапазоне).

В случае радиопульсаров быстрое вращение нейтронной звезды (известные радиопульсары имеют периоды вращения от миллисекунды до 10 секунд) с сильным магнитным полем приводит к ускорению частиц и генерации электромагнитного излучения.

В случае остывающих нейтронных звезд мы наблюдаем тепловое излучение молодой (до нескольких сотен тысяч лет) нейтронной звезды с температурой поверхности от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов градусов. В основном такие источники наблюдаются в мягком рентгеновском диапазоне (энергии квантов от десятков до сотен электронвольт). Но у некоторых тепловое излучение обнаружено также в оптическом диапазоне спектра.

Наконец, магнитары, согласно принятой в настоящее время модели, высвечивают в регулярном или вспышечном режиме энергию, запасенную в очень сильном магнитном поле (можно также говорить об энергии мощных электрических токов, текущих в коре нейтронной звезды и создающих магнитное поле). Во время гигантских вспышек светимость магнитара может превосходить полное энерговыделение всех звезд галактики вместе взятых. Магнитары были открыты в 1979 г., в первую очередь благодаря работе группы Евгения Мазеца в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе.

Нейтронные звезды были теоретически предсказаны в работах Вальтера Бааде и Фрица Цвикки (Fritz Zwicky), а также Льва Ландау еще в 1930-е гг., однако вплоть до настоящего времени в физике нейтронных звезд существует ряд принципиальных нерешенных вопросов. Внутреннее строение этих компактных объектов остается проблемой, что вызвано недостаточным пониманием свойств вещества при плотности, в несколько раз превосходящей ядерную.

В ранних моделях предполагалось, что компактные звезды в основном (до 90 % по массе) должны состоять из нейтронов – отсюда и историческое название, которое часто применяется ко всему классу объектов. Последующие исследования показали, что существует много различных возможностей для внутреннего строения компактных объектов. Несмотря на существенные усилия теоретиков и наблюдателей, до сих пор не известно, какая из них реализуется в природе.