Что такое нейтронная звезда?
Вселенная является домом для широкого спектра странных и экзотических объектов, которые, кажется, не поддаются логике. В этой вселенной есть вещи, которые по определению являются странными. Пожалуй, нет лучшего примера того, насколько странной может быть Вселенная, чем нейтронные звезды. Само их существование - это нечто прямо из научной фантастики, и они являются прекрасным примером того, что бросает вызов нашей земной логике. Что такое нейтронная звезда? Как они формируются? Как они себя ведут?
Как материя остается вместе?
Перед любым обсуждением того, что такое нейтронная звезда и как она образуется, важно обсудить законы физики, которые действуют при формировании нейтронной звезды. Это обсуждение начинается с простого, но глубокого вопроса: что удерживает материю от коллапса самой по себе? По большей части материя кажется относительно стабильной. В конце концов, предметы повседневного обихода не просто разрушаются сами по себе. Между каждыми двумя атомами во Вселенной существует физическое давление, которое удерживает их на расстоянии друг от друга. Интересно, что расстояние между отдельными атомы настолько велики, что все во Вселенной - это в основном пустое пространство. Если бы расстояние между атомами не было таким огромным, как сейчас, все формы материи быстро разрушились бы. К счастью, законы физики разделяют атомы, и это связано с принципом физики, называемым Принципом исключения Паули. Согласно принципу исключения Паули, никакие два фермиона (фермионы - это класс частиц, включающий протоны, нейтроны и электроны) не могут занимать одну и ту же область пространства одновременно. По сути, никакие два протона, нейтрона или электрона не могут занимать одну и ту же область пространства одновременно. в то же время. Принцип исключения Паули - это причина, по которой материя не разрушается сама по себе. Поскольку никакие два фермиона не могут занимать одно и то же пространство, они поддерживают расстояние между собой. Давление между атомами, описываемое принципом исключения Паули, называется давлением вырождения электронов. Чтобы преодолеть давление вырождения электронов, вам нужно было бы каким-то образом сжать атомы вместе. Для того чтобы сделать это, вам потребуется огромное давление. Если вы хотите найти что-то, что оказывает такое давление, смотрите не дальше звезд на небе.
Как образуются нейтронные звезды?
Существует критическая масса, которая, если какой-либо объект во Вселенной превысит ее, будет способна преодолеть давление электронного вырождения. Эта масса примерно в 1,4 раза превышает массу Солнца. Любая звезда, масса которой превышает это число, будет иметь потенциал для преодоления давления электронного вырождения. Как звезда это делает? Когда массивная звезда исчерпывает свой запас пригодного для использования водорода, ее огромное гравитационное притяжение начинает сжимать звезду, и она разрушается под собственным весом. Когда звезда коллапсирует, давление стремительно возрастает. Давления в ядро звезды становится настолько высоким, что давление вырождения электронов уже недостаточно велико, чтобы удерживать атомы на расстоянии. Электроны и протоны сжимаются вместе и сливаются. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны - положительный, эти два заряда уравновешиваются и образуют нейтрон. В конце концов, все ядро звезды состоит из нейтронов. Ядро умирающей звезды превращается в нейтронную звезду. Внешние слои звезды продолжают разрушаться и воздействовать на нейтронную звезду. Сила этого удара заставляет коллапсирующую звезду отскакивать и взрываться как мощная сверхновая. Все, что осталось от звезды, - это огромное облако звездного материала, окружающее новообразованную нейтронную звезду. Хотя нейтронная звезда когда-то была звездой многих миллионов миль в поперечнике, экстремальные давления сжали ее до размеров всего нескольких миль в поперечнике. На самом деле нейтронные звезды, как правило, не больше обычного города. Они могут быть маленькими, но их вес невероятен. Нейтронная звезда может весить во много раз больше Солнца. На самом деле, если бы вы покрыли свой автомобиль материалом нейтронной звезды, он стал бы настолько тяжелым, что погрузился бы к ядру Земли.
Что происходит, когда нейтронная звезда вращается?
Каждая звезда, включая наше Солнце, вращается. Подобно планетам, которые вращаются вокруг них, звезды имеют скорость вращения. Когда звезда коллапсирует, скорость ее вращения ускоряется, и звезда будет вращаться быстрее. Чтобы понять, как это работает, представьте себе конькобежца, который втягивает руки внутрь, чтобы увеличить скорость вращения. Принцип точно такой же для звезды. По мере того как коллапсирующая звезда вращается все быстрее и быстрее, нейтронная звезда в ее ядре также вращается быстрее. В дополнение к скорости вращения каждая звезда имеет свое собственное магнитное поле, и когда звезда коллапсирует, то же самое происходит и с ее магнитным полем. Удивительно, но по мере того, как вы уменьшаете размер магнитного поля, его сила на самом деле будет возрастать экспоненциально. Таким образом, когда звезда коллапсирует, формирующаяся нейтронная звезда начинает быстро вращаться, обладая чрезвычайно энергичным магнитным полем. Магнитное поле нейтронной звезды также будет генерировать электрическое поле равной силы. Электрическое поле высвобождает заряженные частицы из нейтронной звезды, которые направляются через магнитное поле к северному и южному полюсам нейтронной звезды. Заряженные частицы образуют два луча света, по одному исходящих от каждого из полюсов. Когда нейтронная звезда вращается, лучи света вращаются вместе с ней, и при взгляде на нее издалека будет казаться, что нейтронная звезда мигает. Нейтронные звезды, которые ведут себя таким образом, называются пульсарами, поскольку они, по-видимому, пульсируют в пространстве. В некотором смысле пульсары можно рассматривать как космические маяки. В среднем пульсар вращается один раз в секунду, но есть и такие, которые вращаются еще быстрее.
