Нейтронные звезды: Страница 2

Оглавление статей
Нейтронные звезды
Страница 2
Страница 3
Страница 4

Страница 2 из 4

 

 

 

Чтобы полностью определить физические характеристики вещества нейтронных звезд, требуется знать уравнение состояния. Последнее представляет собой сложное математическое выражение, описывающее общее физическое состояние вещества звезды. Уравнение учитывает такие важные параметры, как температура, давление, плотность, жесткость, в их сложной взаимосвязи. Единственная проблема состоит в том, что все они недостаточно хорошо известны. Теоретики считают, что если бы они знали эти параметры, то смогли бы дать полное описание звезды. Но так как параметры не известны, v физические характеристики звезды, в частности нейтронной, могут получаться весьма различными в зависимости от того, каким уравнением состояния воспользуется тот или иной ученый. Мы рассмотрим две концепции нейтронной звезды.

Начнем с исследования недр нейтронной звезды, чтобы выяснить, какого типа частицы находятся в ее центре и какие новые процессы возникают при плотностях, характерных для такой звезды. Прежде всего мы должны учесть, что вырожденный газ присутствует и в нейтронных звездах. Как мы уже видели ранее, электроны в таком состоянии не могут двигаться как угодно. В противном случае они вторглись бы в области, занимаемые другими электронами, которые уже расположены настолько тесно, насколько это возможно. Электроны могут менять свои скорости и местоположение только тогда, когда другие электроны уйдут с их пути. В некотором смысле эти электроны напоминают толпу в метро в часы пик. Все пассажиры собраны вместе, и каждый может продвигаться вперед, только когда двигаются другие.

При плотностях, характерных для центральной части, или ядра, белого карлика, вещество состоит из ядер атомов и вырожденного электронного газа. Что же произойдет, если какая-либо звезда получит возможность сжаться до больших плотностей? Электронам придется двигаться еще быстрее, чтобы не нарушался закон, согласно которому никакие два электрона с точно одинаковой энергией не могут одновременно занимать одно и то же место пространства. С увеличением скорости возрастает энергия электронов, и теперь они могут проникать в ядро атомов, где вступают в реакции с протонами, порождая нейтроны. Это приводит к появлению особых ядер, которые могут быть стабильными в веществе, обладающем высокой плотностью, но они были бы неустойчивы и распадались бы в земных условиях.

Дальнейший рост плотности вызывает такое увеличение скорости электронов, что они без труда захватываются ядрами: отношение числа нейтронов к числу протонов возрастает. Когда скорости электронов становятся достаточно большими, нейтроны, прежде связанные в ядрах, могут их покидать. Они становятся несвязанными. При этом нейтроны сами образуют вырожденный газ! Нейтроны, так же как и электроны, подчиняются специфическим законам, которые делают невозможным их проникновение в области, занимаемые соседями. При достаточно высокой плотности «несвязанные» нейтроны оказываются в равновесии с нейтронами в ядрах. Это равновесие было бы устойчивым, если бы не безграничное увеличение плотности. При дальнейшем увеличении плотности допустимое число нейтронов, находящихся в равновесии, может оказаться в тысячу раз больше, чем число ядер. Но плотность продолжает возрастать!

Наконец возникает новая ситуация. Протоны, которые ранее были локализованы в ядрах, начинают покидать их, так что все ядра как таковые исчезают или, точнее, распадаются. Образовавшееся вещество обладает очень простым составом: это всего-навсего смесь протонов, нейтронов и электронов. Протоны и электроны составляют 3 % смеси, а нейтроны — остальные 97 %.

При дальнейшем возрастании плотности наступает новая фаза. Рождаются особые частицы, более тяжелые, чем нейтрон и протон. Эти частицы — гипероны — появляются, когда плотность примерно в три раза превысит обычную плотность атомного ядра. Однако здесь мы имеем дело с очень большим числом неизвестных и не можем определенно сказать, что же представляет собой ядро нейтронной звезды.

При таких невероятно больших плотностях давление вырожденных нейтронов и их взаимное отталкивание на малых расстояниях приводят к тому, что нейтронная жидкость становится фактически несжимаемой. М. А. Рудерман из Колумбийского университета, который  является  одним  из  пионеров изучения коллапсирующих объектов, отмечает, что «сопротивление звезд сжатию оказывается в 10 000 млрд. млрд. раз сильнее сопротивления обычной стали». Обладая таким сопротивлением, нейтронная звезда может обеспечить давление, необходимое, чтобы уравновесить силы тяготения в ее ядре.

Если бы удалось разрезать нейтронную звезду, нашему взору открылась бы сравнительно простая структура, однако объяснить, что представляет собой эта структура, по существу, невозможно. Нейтронная звезда имеет невырожденную атмосферу, то есть атомы в ее верхних слоях подобны тем, которые мы находим на Земле. Если бы в поверхностных слоях атмосферы нейтронной звезды присутствовали атомы водорода или гелия, они быстро продиффундиро-вали бы в более глубокие, слои, где из-за высокой температуры тотчас же выгорели бы в термоядерных реакциях. Вероятнее всего, в атмосферах нейтронных звезд преобладает железо.

На поверхности нейтронной звезды плотность равна нулю, но с глубиной плотность очень быстро растет, и на расстоянии около метра под поверхностью 1 см3 вещества должен весить около 100 т. Сила тяжести на поверхности нейтронной звезды столь велика, что человек весил бы там около миллиона тонн. У основания атмосферы электроны переходят в вырожденное состояние, и, поскольку проводимость вырожденного электронного газа высока, температура растет с глубиной незначительно. Следует ожидать, что у типичной нейтронной звезды температура поверхности составляет около 1% (или меньше) от температуры в ядре и, вообще говоря, зависит от наличия магнитных полей.

Действие сильного гравитационного поля на поверхности нейтронной звезды можно проиллюстрировать следующим примером. Вообразим человека, который вертикально опускается к поверхности звезды. Приливные силы, обусловленные разностью гравитационного притяжения, действующего между головой и ногами, растягивая этого несчастного, разорвали бы его на куски. Действительно, его ноги будут притягиваться сильнее, чем голова, но лишь до тех пор, пока ступни не коснутся поверхности. Встав на поверхность, человек оказался бы смятым притяжением до толщины следа, оставляемого почтовым штемпелем.

При наличии магнитного поля температура может сильно измениться, так как поле влияет на движение электронов. Когда звезда сжимается до размеров нейтронной звезды, то первоначальное магнитное поле, будучи «вмороженным» в нее, возрастает. Согласно оценкам, магнитное поле нейтронной звезды может достигать 1 млн. млн. гаусс, тогда как на Земле оно составляет 1 гаусс. Хотя об этих магнитных полях известно немного, тем не менее, ученые считают, что большая часть космических лучей Млечного Пути может испускаться с поверхностей нейтронных звезд, где частицы ускоряются такими мощными магнитными полями.

« ПредыдущаяСлед. »

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: