Нейтронные звёзды и пульсары

Арка знаний · Вселенная · Глава 04 / Статья 06

Нейтронные звёзды и раскрывающие их импульсы

Масса остатка диаметром всего в несколько десятков километров может превышать массу Солнца. Его повторяющиеся сигналы позволяют нам изучать плотное вещество, отслеживать невидимых спутников и проверять, как действует гравитация.

Плотное веществоВращающиеся маякиКосмические часы

Художественное изображение пульсара и его окружения. Потоки излучения и линии магнитного поля показаны для иллюстрации — в действительности мы не увидели бы эти структуры именно так.

Остаток чрезвычайно компактенМасса звезды может быть сосредоточена в объекте диаметром с ширину города.

Импульсы выявляют вращениеПо мере вращения звезды повторяющаяся структура излучения пересекает нашу линию зрения.

Измерения времени прихода импульсов выявляют скрытые физические явленияНебольшие изменения времени прихода импульсов могут выявить спутники, внутренние изменения и воздействие гравитации.

После взрыва сверхновой

Маленькая звезда с огромной историей

Яркая вспышка сверхновой — лишь один этап этой истории. Уцелевшая нейтронная звезда может продолжать вращаться, остывать и взаимодействовать с окружением ещё долго после того, как свет вспышки погаснет.

Некоторые из этих объектов проявляют себя как пульсары. Их повторяющиеся сигналы позволяют астрономам с исключительной точностью наблюдать за звездой, которая иначе была бы лишь далёким, неразличимым в пространстве объектом.[8]

В предыдущей статье мы рассмотрели тему « Звёзды большой массы: сверхгиганты и сверхновые с коллапсом ядра». Здесь мы проследим за компактным остатком и подсказками, которые даёт его излучение.

Крайнее изменение размера, плотности и состава

Как образуется нейтронная звезда?

При коллапсе ядра массивной звезды атомные ядра и свободные протоны захватывают электроны, поэтому доля нейтронов в веществе возрастает и образуются нейтрино. Коллапс внутренней части длится доли секунды. При очень высокой плотности вещество сопротивляется дальнейшему сжатию, и может образоваться горячая протонейтронная звезда .[1]

Этот новорождённый объект эволюционирует, теряя тепло и захваченные в нём нейтрино. Давление, возникающее благодаря явлениям квантовой физики и сильному ядерному взаимодействию, может поддерживать долгоживущую нейтронную звезду, если масса остатка не превышает допустимый предел для данного уравнения состояния.[2]

Железное ядро необходимо не во всех случаях: некоторые нейтронные звёзды образуются в результате коллапса кислородно-неоновых ядер при электронном захвате. Кроме того, коллапс не начинается при достижении одной универсальной массы ядра. Важны состав и строение умирающей звезды.[1]

Масса

1,4 массы Солнца

Типичный пример, а не масса, характерная для всех нейтронных звёзд.

Диаметр

24 км

В этом примере используется радиус 12 км. Радиус не следует путать с диаметром.

Обычно рассчитанная средняя плотность

3,8 × 10¹⁴ г/см³

Рассчитана по массе, указанной в примере, и объёму шара; в центре плотность выше.

Это иллюстративные значения, а не результаты измерений конкретной названной звезды. Массу, радиус и плотность нейтронной звезды связывают законы физики плотного вещества.[3]

Какой может быть максимальная масса нейтронной звезды?

Наблюдения подтверждают существование нейтронных звёзд с массой, примерно равной двум массам Солнца . Подходящая модель их внутреннего строения должна допускать существование звёзд с массой не меньше этих измеренных значений; наблюдения не устанавливают единую точную максимальную массу.[4]

Часто используемое понятие максимальная масса TOV обозначает предел массы холодной, невращающейся нейтронной звезды для выбранного уравнения состояния. Вращение может позволить звезде удерживать большую массу. Для горячего, быстро меняющегося остатка требуется дополнительное моделирование, поэтому «2,2 массы Солнца» не следует считать универсальной границей между нейтронными звёздами и чёрными дырами.[5]

Свойства плотного вещества меняются с глубиной

Что находится внутри нейтронной звезды?

Нейтронная звезда — не однородный шар из нейтронов. Физические условия в её внешних слоях и глубинах сильно различаются. Приведённая ниже схема — полезная отправная точка для описания зрелой звезды, однако по мере приближения к центру остаются существенные неопределённости.[2], [6], [7]

Схематическая карта состава с увеличенным изображением внешних слоёв. Здесь e⁻ обозначает электроны, а n — нейтроны, не связанные в атомных ядрах. Штриховой линией обозначена область глубин ядра, показывающая неопределённость, а не установленную границу или подтверждённое кварковое ядро. Тонкие поверхностные слои не показаны; размеры и пропорции приведены для иллюстрации.[6], [7]

Внешняя кора

Атомные ядра образуют твёрдую решётку, окружённую электронами. Плотность растёт с глубиной, однако кора не везде плотнее атомного ядра.[6]

Внутренняя кора

Нейтроны начинают появляться за пределами отдельных атомных ядер. В этой области присутствуют ядерные скопления, эти свободные нейтроны и электроны.[6]

Внешнее ядро

В типичных моделях большая часть вещества состоит из нейтронов; также присутствуют протоны, электроны, а при подходящих условиях — и мюоны. Состав вещества разнообразнее, чем можно предположить по названию.[7]

Самая глубокая область внутри звезды

Могут присутствовать и ещё более необычные составляющие частицы или фазы, например гипероны или кварки, не связанные в адроны. Их наличие проверяют исследованиями.[7]

У основания коры, согласно моделям, могут образовываться вытянутые или пластинчатые ядерные структуры, прозванные ядерными макаронами. Это предсказанные возможности, а не подтверждённый слой, существующий в каждой нейтронной звезде. История аккреции также может менять состав коры.[6]

Вращающаяся картина излучения превращает далёкую звезду в маяк

Почему пульсар кажется мигающим?

Мы обнаруживаем нейтронную звезду как пульсар, когда повторяющаяся картина излучения во время её вращения попадает в поле нашего зрения. Знакомая модель маяка иллюстрирует это магнитной осью, наклонённой относительно оси вращения, и радиолучами, связанными с областями магнитных полюсов.[8], [9]

Упрощённая модель полярных радиолучей в тот момент, когда один луч направлен на наблюдателя. Вращение проносит луч вокруг оси вращения. Расстояние до наблюдателя, ширина луча и размер звезды не соответствуют масштабу; это не карта всех областей радиоизлучения или излучения высоких энергий.[9]

С каждым импульсом всё свечение звезды не включается и не выключается. Картина повторяется по мере её вращения, и профиль может содержать более одного пика за оборот. Если направление нашего взгляда не пересекается с соответствующим излучением, мы можем не обнаружить эту нейтронную звезду как пульсар в этом диапазоне волн.[8], [9]

Для радио-, рентгеновского и гамма-излучения нужны разные образы

Магнитосфера звезды — это окружающая её область, в которой магнитное поле управляет движением заряженных частиц. Её плазма может излучать разными способами и в разных местах. Импульсы высоких энергий могут возникать далеко от поверхности, в том числе в токовых слоях у цилиндра светового барьера или за ним; этот цилиндр отмечает расстояние от оси, на котором жёсткое совместное вращение потребовало бы скорости света.

Поэтому единые узкие лучи прожектора — неподходящая модель для всех длин волн. Подробный механизм когерентного радиоизлучения также пока не до конца понят.[9]

Здесь ключевую роль играют сильные магнитные поля. Их происхождение и эволюция связаны не только со сжатием: важную роль могут играть усиление поля в новорождённой звезде, эволюция внутренних слоёв и история аккреции. Поля, рассчитанные на основе замедления вращения, описывают зависящую от модели крупномасштабную составляющую, а не всё поле в каждой точке.[8], [11]

Для ориентира: предполагаемые дипольные поля обычных радиопульсаров часто достигают примерно 10¹² гаусс, тогда как у повторно раскрученных миллисекундных пульсаров они обычно составляют около 10⁸–10⁹ гаусс. Один гаусс равен 10⁻⁴ тесла. Это характерные значения, а не строгие границы классификации.[8], [10]

Похожие на вид сигналы могут использовать разные источники энергии

Что обеспечивает энергией излучение?

Пульсирующий сигнал показывает, что яркость регулярно меняется. Чтобы понять природу объекта, нужно также спросить, откуда берётся его энергия. Само по себе обнаружение в рентгеновском или радиодиапазоне не даёт ответа на этот вопрос.[8]

Четыре важных источника излучения нейтронных звёзд
Источник энергии	Что обеспечивает энергией?	Полезный пример или различие
Вращение	Звезда теряет энергию вращения из-за электромагнитных тормозящих моментов и потоков вытекающих частиц.	Пульсары, питаемые энергией вращения, могут излучать в нескольких диапазонах длин волн.
Аккреция	При падении газа выделяется гравитационная энергия.	Аккреция, направляемая магнитным полем, может создавать вращающиеся области рентгеновского излучения.
Эволюция магнитного поля	Накопленная магнитная энергия рассеивается.	Это основной источник активности магнитаров и энергии вспышек.
Накопленное тепло	Звезда остывает и излучает с поверхности.	Неравномерная температура поверхности может вызывать пульсации теплового рентгеновского излучения.

Это источники энергии, а не взаимоисключающие категории целых объектов. Излучение нейтронной звезды может состоять более чем из одной компоненты.[8], [11]

По мере замедления вращения его энергия постепенно иссякает

Сжимающееся ядро может вращаться быстрее, поскольку его масса приближается к оси вращения. Перенос и потери углового момента определяют, какую часть вращения унаследует нейтронная звезда. Её последующее вращение отражает как условия рождения, так и дальнейшую эволюцию.[8]

У изолированного пульсара, чьё излучение поддерживается за счёт энергии вращения, со временем обычно увеличивается период вращения: для каждого полного оборота требуется всё больше времени. Измеряя период P и скорость его изменения Ṗ, астрономы могут оценить, как эволюционирует звезда.[10]

Может ли вращение помочь определить возраст звезды?

τ_c = P / (2Ṗ)

Обычную оценку характеристического возраста получают, используя фактическую производную периода вращения. Предполагается, что торможение равномерное и имеет дипольный характер, индекс торможения n = 3, а период вращения при рождении был намного короче нынешнего.[10]

Из-за меняющегося тормозящего момента, довольно длительного начального периода вращения или кажущегося изменения периода, вызванного движением звезды, эта оценка может сильно отличаться от истинного возраста. Характеристический возраст — это подсказка, основанная на модели, особенно после «омоложения», а не независимое свидетельство о рождении.[22]

Скачки частоты вращения показывают, что внутри звезды может происходить обмен угловым моментом

Некоторые пульсары внезапно начинают вращаться немного быстрее; такое событие называют скачком частоты вращения. Согласно одному из основных объяснений, быстрее вращающаяся сверхтекучая нейтронная жидкость внутри звезды передаёт угловой момент коре и другим связанным с ней компонентам. Причины скачка, участвующие в нём области и последующее восстановление всё ещё изучаются.[12]

Модели также предсказывают условия, при которых может прекратиться образование пар частиц, поддерживающее радиоизлучение. Часто изображаемая линия смерти — это теоретический ориентир, а не строгая универсальная граница и не гарантия того, что прекратится и всякое другое излучение.[23]

Компаньонка может передавать и вещество, и угловой момент

Как «омолаживаются» миллисекундные пульсары?

Нейтронная звезда в тесной двойной системе может аккрецировать вещество компаньонки. Из-за глубокого гравитационного потенциала такое падение вещества служит эффективным источником излучения. В зависимости от системы газ может поступать через диск или с ветром компаньонки.[8]

Если магнитное поле направляет поток на небольшие участки поверхности, эти яркие участки из-за вращения могут периодически поворачиваться к нам, вызывая импульсы рентгеновского излучения. У других аккрецирующих нейтронных звёзд постоянные пульсации, которые легко обнаружить, не наблюдаются.[8]

Передача углового момента

Аккреция может ускорить вращение звезды

Длительная передача вещества через диск может ускорить вращение старой нейтронной звезды. После завершения этапа аккреции её можно наблюдать как быстро вращающийся пульсар, чьё излучение поддерживается энергией вращения.[10]

Хорошо известная популяция «омоложённых» пульсаров

Всего несколько миллисекунд на один оборот

Период 5 миллисекунд означает 200 оборотов в секунду. Многие миллисекундные пульсары приобрели быстрое вращение в процессе «омоложения»; далеко не все они — только что родившиеся звёзды.[8], [10]

Нынешняя компаньонка не всегда раскрывает всю историю. Некоторые повторно раскрученные пульсары обращаются вокруг белых карликов, другие после дальнейшей эволюции или взаимодействий в двойной системе остаются одни. Ритм многих импульсов чрезвычайно стабилен при длительных наблюдениях, хотя полностью без шума он не бывает.[10]

Небольшие отклонения от ожидаемого времени импульсов становятся измерениями

Как астрономы используют пульсары для проверки гравитации?

Модель времени предсказывает, когда импульсы должны достигать телескопа. Она учитывает вращение и положение звезды, её движение, возможную двойную орбиту и распространение сигнала через межзвёздную плазму. Различия между измеренным и предсказанным временем прихода называются остатками времени прихода импульсов.[8], [10]

Отслеживание орбиты

Орбитальное движение пульсара меняет расстояние, которое проходят его сигналы. Возникающий рисунок позволяет обнаружить компаньонов, в том числе объекты, излучающие очень мало света.[8]

Измерение релятивистских эффектов

Сигналы, проходящие через гравитационное поле компаньона, испытывают дополнительную задержку распространения, называемую задержкой Шапиро. Вместе с другими эффектами времени она помогает определить границы масс звёзд.[14], [15]

Постепенно сокращающаяся орбита двойного пульсара Халса—Тейлора PSR B1913+16 стала свидетельством излучения гравитационных волн. Долгосрочные измерения с соответствующими поправками на движение согласуются с потерей энергии, предсказываемой общей теорией относительности.[14]

Двойной пульсар PSR J0737−3039A/B позволяет исследовать несколько релятивистских эффектов в одной системе. В анализе 2021 года использовались наблюдения за 16 лет для строгой проверки гравитации в условиях сильного собственного гравитационного поля.[15]

Массив галактического масштаба из звёзд-часов

Массив по времени прихода импульсов пульсаров сравнивает точное время прихода импульсов многих миллисекундных пульсаров. Гравитационные волны, проходящие между этими звёздами и Землёй, могут вызывать связанные колебания времени в разных областях неба.

В 2023 году NANOGrav сообщил о свидетельствах корреляций, соответствующих кривой Хеллингса—Даунса , предсказываемой для фона гравитационных волн. Кривая зависит от углового расстояния между пульсарами и помогает отличить этот фон от некоррелированного шума.[16]

Эти измерения исследуют волны нано герцового диапазона с очень длинными периодами. Одно из основных объяснений сигнала — популяция сверхмассивных чёрных дыр в двойных системах, однако одной лишь корреляции недостаточно, чтобы однозначно установить источник. Здесь нейтронные звёзды служат часами, позволяющими обнаруживать волны, созданные в других местах.[16]

Наблюдения разных типов помогают определить границы свойств скрытых глубин

Что раскрывают рентгеновские лучи и слияния нейтронных звёзд?

Искривление света помогает определить границы размеров звезды

Сильная гравитация искривляет свет, покидающий поверхность нейтронной звезды. Когда горячие области вращаются в поле зрения и выходят из него, это искривление меняет наблюдаемый профиль рентгеновских импульсов. На этот рисунок влияют масса звезды, радиус, скорость вращения, геометрия наблюдения и излучение поверхности.

Исследователи использовали наблюдения NICER, чтобы подобрать физические модели этих профилей и определить границы масс и радиусов. Излучение атмосферы, фоновое излучение и геометрию горячих областей необходимо тщательно моделировать. Результат — вывод с неопределённостями, а не отдельный снимок поверхности.[17]

Например, анализ массивного пульсара PSR J0740+6620 объединяет рентгеновские данные с информацией о времени прихода радиоимпульсов. Такие измерения проверяют, допускают ли предлагаемые уравнения состояния существование звёзд с наблюдаемым сочетанием массы и размера.[4]

Важное событие · 17 августа 2017 года

GW170817 связало гравитацию со светом

За сигналом гравитационных волн от спирального сближения двойной системы нейтронных звёзд последовали короткая вспышка гамма-излучения и оптический–инфракрасный транзиент, получивший название килонова. Впоследствии обсерватории наблюдали меняющийся источник во всём электромагнитном спектре.[18]

Килонову излучало расширяющееся выброшенное вещество, нагретое радиоактивным распадом. В богатом нейтронами веществе, выброшенном при слиянии, могли образоваться более тяжёлые ядра в результате быстрого захвата нейтронов в ходе r-процесса.[19]

В ходе последующего анализа в спектрах обнаружили стронций — это стало доказательством того, что вещество, связанное со слиянием, содержит продукты захвата нейтронов. Одного спектрального признака недостаточно, чтобы определить содержание всех тяжёлых элементов.[20]

Сигнал гравитационных волн может помочь определить, насколько легко звёзды деформируются под действием взаимного притяжения. Последствия слияния также зависят от их масс и уравнения состояния: остаток может сразу коллапсировать в чёрную дыру или некоторое время оставаться нейтронной звездой. Наблюдения GW170817 не дали прямого изображения конечного остатка, которое позволило бы однозначно определить его природу.[3], [19]

Компактная звезда может снабжать энергией гораздо более крупную туманность

Как нейтронная звезда влияет на окружающую среду?

Пульсар, использующий энергию вращения, может испускать релятивистский ветер из частиц и электромагнитной энергии. Если окружающая среда удерживает этот поток, он может раздуть туманность пульсарного ветра. Хорошо известный пример — Крабовидная туманность.

Двигаясь в магнитных полях, высокоэнергетические частицы излучают — так возникает синхротронное излучение. Кроме того, они могут повышать энергию фотонов с меньшей энергией за счёт обратного комптоновского рассеяния. Таким образом, туманность показывает, как энергия вращающейся звезды распространяется на гораздо больший объём пространства.[21]

Туманность пульсарного ветра отличается от расширяющегося выброшенного вещества, образующего остаток исходной сверхновой, и газа, на который воздействует ударная волна, хотя эти структуры могут взаимодействовать. Это не особая стадия, начинающаяся лишь после того, как пульсар перестаёт испускать радиоимпульсы. Её эволюция зависит от ветра, окружающего остатка сверхновой и движения пульсара.[21]

Что ещё предстоит понять?

Вещество в самых глубинах

Какие частицы и фазы существуют в центральных областях и как они определяют давление и максимальную массу?[2], [7]

Радиоизлучение

Как плазма магнитосферы организуется так, чтобы возникали наблюдаемые когерентные импульсы и менялись их формы?[9]

Изменение вращения

Что вызывает внезапные скачки частоты вращения и насколько сильно связаны между собой различные компоненты недр звезды?[12]

Каждое наблюдение позволяет проверить разные стороны одного и того же объекта. Измерения времени прихода импульсов позволяют отслеживать его вращение и движение; спектры и профили импульсов помогают ограничить параметры его излучения; слияния позволяют изучать его реакцию на чрезвычайно сильную гравитацию. В совокупности эти наблюдения дают астрономам возможность исследовать вещество в условиях, значительно превосходящих те, которых можно достичь в лаборатории.[3]

Повторяющийся сигнал может раскрыть необычное внутреннее строение

Импульсы передают больше, чем просто ритм.

В нейтронных звёздах сохраняется плотное вещество, оставшееся после коллапса звёзд. Когда их излучение периодически пересекает нашу линию зрения, этот ритм позволяет исследовать недра звезды, её спутники и пространство-время между ней и Землёй.

Узнайте, что происходит, когда магнитная энергия начинает играть главную роль, в статье «Магнетары: чрезвычайно сильные магнитные поля».

Источники и дополнительная литература

Научные статьи и обзоры, подготовленные авторами. Диаграммы схематичны; пример массы, размера и плотности дан для иллюстрации. В тексте разделены выводы, основанные на наблюдениях, и не до конца изученные аспекты физики недр звезды.

Берроуз (2013) — Коллоквиум: подходы к теории сверхновых с коллапсом ядраНеустойчивость ядра, нейтронизация, отскок и образование горячего компактного остатка.
Латтимер и Пракаш (2016) — Уравнение состояния горячего плотного вещества и нейтронные звёздыДавление, состав и устойчивость плотного вещества звёзд.
Латтимер (2021) — Нейтронные звёзды и уравнение состояния ядерного веществаКак массы, радиусы и наблюдения нейтронных звёзд позволяют установить пределы поведения ядерного вещества.
Диттманн и др. (2024) — Более точное измерение радиуса PSR J0740+6620 на основе обновлённых данных NICERИсследование массы и радиуса нейтронной звезды, измеренная масса которой примерно равна двум массам Солнца.
Бреу и Реццолла (2016) — Максимальная масса, момент инерции и компактность релятивистских звёздРазница между максимальной массой невращающейся звезды и дополнительной опорой, которую даёт вращение.
Шамель и Хэнзель (2008) — Физика коры нейтронных звёздВнешняя и внутренняя кора, утечка нейтронов, ядерные макароны и влияние аккреции.
Baym и др. (2018) — От адронов к кваркам в нейтронных звёздах: обзорОбычное ядерное вещество, возможные фазы материи в более глубоких слоях и неопределённости в ядре.
Kaspi и Kramer (препринт 2016 года) — Радиопульсары: популяция нейтронных звёзд и фундаментальная физикаПопуляции пульсаров, источники энергии, эволюция двойных систем и применение точных измерений времени прихода импульсов.
Philippov и Kramer (2022) — Магнитосферы пульсаров и их излучениеПлазма, области радио- и высокоэнергетического излучения, а также нерешённые вопросы об излучении пульсаров.
Lorimer (2008) — Пульсары в двойных системах и миллисекундные пульсарыПовторное раскручивание, замедление вращения, характерные возрасты и интерпретация измерений времени прихода импульсов пульсаров.
Kaspi и Beloborodov (2017) — МагнетарыМагнитная энергия, эволюция поля и связь магнетаров с другими нейтронными звёздами.
Haskell и Melatos (2015) — Модели скачков вращения пульсаровРезкие изменения вращения и модели, предполагающие передачу момента импульса от сверхтекучей жидкости внутри звезды.
Galloway и Keek (2021) — Термоядерные рентгеновские вспышкиНестабильное горение топлива, накопленного в результате аккреции на поверхности нейтронных звёзд; препринт впервые опубликован в 2017 году.
Weisberg и Huang (2016) — Релятивистские измерения по времени прихода импульсов пульсара в двойной системе PSR B1913+16Уменьшение орбиты и другие релятивистские измерения в двойной системе пульсара Халса—Тейлора.
Kramer и др. (2021) — Проверки гравитации в сильном поле с помощью двойного пульсараТочные проверки релятивистской гравитации с использованием PSR J0737−3039A/B.
Agazie и др. / NANOGrav (2023) — Набор данных NANOGrav за 15 лет: свидетельства существования фона гравитационных волнКоррелирующие между собой вариации времени прихода импульсов пульсаров, угловая зависимость которых соответствует ожидаемой зависимости для фона гравитационных волн.
Богданов и др. (2021) — Ограничение соотношения массы и радиуса нейтронной звезды и уравнения состояния плотного вещества с помощью NICER. III. Описание модели и проверка программ оценки параметровКак модели профилей рентгеновских импульсов ограничивают возможные значения массы и радиуса и как эти модели проверяются.
Эбботт и др. (2017) — Мультимессенджерные наблюдения слияния двойной системы нейтронных звёздНаблюдения гравитационных волн и электромагнитного излучения, связанного с GW170817.
Метцгер (2019) — КилоновыеНагрев выброшенного при слиянии вещества вследствие радиоактивного распада, изменяющееся свечение килоновой и связи с плотной материей.
Уотсон и др. (2019) — Идентификация стронция в результате слияния двух нейтронных звёздСпектроскопические свидетельства образования нового вещества в результате захвата нейтронов в килоновой GW170817.
Гэнслер и Слейн (2006) — Эволюция и структура пульсарных туманностейРелятивистские ветры, синхротронное излучение и излучение вследствие обратного комптоновского рассеяния, а также изменяющаяся туманность вокруг пульсара.
Кызы (Kızıltan) и Торсетт (2010) — Возраст миллисекундных пульсаров: значение эволюции двойных систем и предела максимальной скорости вращенияПочему характерный возраст, определяемый по замедлению вращения, может значительно отличаться от истинного возраста, особенно после повторного раскручивания.
Бескин и Истомин (2022) — Новый взгляд на линию смерти пульсаров — II. «Долина смерти»Зависимость границ, связанных с образованием пар и радиоизлучением, от модели.

Все статьи этого раздела

Вернуться к блогу