Пульсари та нейтронні зірки

План

1. Пульсари та нейтронні зірки

2. Чорні дірки

Наприкінці 1967р. група радіоастрономів з Кембриджського університету, проводячи свої спостереження, виявила, що їхній радіотелескоп зафіксував незвичайні сигнали — короткі імпульси радіошумів, що йдуть один за одним з інтервалом близько однієї секунди.

Спочатку зробили припущення, що це сигнали від запущеного кимось супутника, потім почали підозрювати, що нарешті вдалося прийняти сигнали від позаземної цивілізації. Незабаром було відкрито ще три пульсуючих радіоджерела, які дістали назву "пульсарів".

У наш час природа пульсарів і нейтронних зірок трактується так: до кінця життя зірки, коли вичерпується все ядерне пальне, що міститься в ній, зірка припиняє своє існування одним з декількох способів. Зірка з малою масою просто стискається і перетворюється на білого карлика. Зірка із середньою масою також може перетворитися на білого карлика, скинувши значну частину своєї речовини; при цьому може утворитися планетарна туманність. Зірки з масами від 1,5 до 2,25 сонячних мас стають нейтронними, а найбільш масивні перетворюються на чорні дірки.

У1934 році Бааде і Цвіккі з'ясували, що могло б відбуватися з мертвими зірками, маса яких становить від 1,5 до 2 мас Сонця. Так як тиск вироджених електронів недостатній, щоб зупинити стиснення, зірка стає все меншою і меншою. Тиск і густина зростають, поки електрони не вдавляться всередину атомних ядер, з яких складається зірка. Негативно заряджені електрони, з'єднуючись з позитивно зарядженими протонами, перетворюються на нейтрони. З часом, коли вся зірка стає за складом нейтронною, принцип заборони Паулі знову починає відігравати важливу роль. Сили взаємодії між нейтронами спричинюють появу тиску вироджених нейтронів. Цей новий, ще більш сильний тиск здатний зупинити стиснення зірки й призводить до появи нового об'єкта — нейтронної зірки.

У 1054 році астрономи Стародавнього Китаю відзначили появу на небі "зірки-гості" в сузір'ї Тельця. Яскравість цієї нової зірки була настільки великою, що її можна було побачити в сонячний день. Потім вона стала слабшати й незабаром стала зовсім невидимою для неозброєного ока; '

Коли сучасні астрономи спрямували свої телескопи на те місце неба, де згідно з давніми хроніками з'явилася "зірка-гостя", вони знайшли чудову Крабовиднуу туманність — свідчення вибуху наднової.

У 1968 р. на астрономів чекала нова радість: було виявлено пульсар, розташований якраз посередині Крабовидної туманності. Імпульси радіовипромінювання приходять від нього приблизно ЗО разів на секунду. Це відкриття дало привід для припущення, що вмираючі зірки якимось чином пов'язані з пульсарами.

Практично всі зірки обертаються — і всі вони, імовірно, мають магнітні поля. У звичайних умовах обидві властивості є досить несуттєвими. Наприклад, Сонце робить один оберт навколо своєї осі приблизно за місяць. До того ж його магнітне поле досить слабке. Однак якщо Сонце чи подібна до нього зірка стане стискатися до розмірів нейтронної зірки, то обидві ці властивості набувають винятково важливого значення. Щоб зрозуміти причину цього, уявімо собі фігуристку, яка виконує пірует на поверхні льоду. Притискаючи до себе руки,, фігуристка збільшує швидкість обертання. Це — прямий наслідок закону збереження моменту імпульсу. Аналогічно, якщо велика зірка стискається до малого об'єму, то швидкість її обертання стрімко зростає.

Коли зірка дуже велика, її магнітне поле розподіляється по великій площі, тому напруженість поля незначна. Однак, умираючи, зірка зменшується в розмірах. Те магнітне поле, що спочатку було розподілено на великій площі, зосереджується на декількох сотнях квадратних кілометрів. Напруженість поля в результаті цього збільшується. Якби Сонце зазнало стиснення до розмірів нейтронної зірки, то напруженість його магнітного поля збільшилася 6 у мільярд разів.

Отже, сама нейтронна зірка дуже мала — 15—20 км у діаметрі. Швидкість її обертання надзвичайно велика. Нейтронна зірка складається з найважчих, стійких елементарних частинок — нейтронів і гіперонів. Будова нейтронної зірки незвичайна. Під тонкою плазменною оболонкою є тверда кора, міцність якої набагато більша від міцності сталі. Іноді вона з різних причин зазнає струсів, що дозволяє астрономам уживати термін "зіркотрус". Глибше, під твердою корою, знаходиться шар із надпровідної і надтекучої рідини, який складається з протонів і нейтронів. Ядро нейтронної зірки при температурі близько одного мільярда градусів має щільність 1015 г/см3.

Хоч у надрах зірки містяться переважно нейтрони, однак на її поверхні багато заряджених частинок. Коли ці заряджені частинки потрапляють у зону дії сильних магнітних полів біля північного й південного магнітних полюсів зірки, вони прискорюються й випромінюють магнітні хвилі значної інтенсивності у вигляді двох пучків. Так як зірка обертається, то ці два пучки випромінювання повинні кружляти по небу. Періодично такий прожектор начебто освітлює Землю. Випромінювання нейтронної зірки астрономи фіксують як коливання з дуже коротким періодом. У таких випадках нейтронні зірки називають пульсарами. У наш час відомо вже більш як сто п'ятдесят пульсарів.

Доля пульсара схожа на долю інших зірок. Поступово обертання пульсара сповільнюється; енергія, яку він випромінював, розсіюється безповоротно в просторе і життя зірки закінчується природною смертю — повним виснаженням усіх видів внутрішньої енергії.

Чорні дірки

Ще в 1795 році великий французький математик П'єр Сімон Лаплас дійшов висновку, що світло не може залишити тіло, якщо останнє достатньо масивне або дуже сильно стиснуте. До середини 60-х років XX століття астрофізикам вдалося з'ясувати структуру зірок і хід їх еволюції. З'ясувалося, що чорні дірки — це один із трьох можливих варіантів кінцевої стадії еволюції зірок. Це те, що залишається після катастрофічного гравітаційного колапсу масивної зірки, коли вона вмирає. У разі колапсу напруженість сили тяжіння над її поверхнею стає настільки великою, що простір-час навколо зірки згортається, і зірка зникає зі Всесвіту, залишаючи по собі тільки надзвичайно викривлений осередок простору-часу.

На значній відстані від чорної дірки простір-час майже плоский і світлові промені поширюються прямолінійно. Твердження, що чорні дірки є загрозою для нас, зовсім не обґрунтовані. Чорні дірки не можуть переміщуватися у Всесвіті і то там, то деінше поглинати планети, зірки й галактики. Усього за кілька тисяч кілометрів від чорних дірок, які мають масу, що дорівнює приблизно 10-20 сонячних мас, простір-час практично плоский і релятивістські ефекти незначні.

Чим ближче до чорної дірки проходять промені світла, тим на більший кут вони відхиляються. Можна навіть спрямувати промінь світла в напрямку чорної дірки таким чином, що це світло потрапить на колову орбіту навколо дірки й поглинеться. Ця сфера називається фотонною сферою, або фотонною окружністю. Нарешті, ті промені світла, які націлені прямо на чорну дірку, "усмоктуються" в неї. Ці промені назавжди залишають зовнішній світ. Така поведінка властива найпростішому з можливих типів чорних дірок. У 1916 році німецький астроном Карл Шварцшильд запропонував точний розв'язок рівнянь гравітаційного поля Ейнштейна. Цей розв'язок Шварцшильда описує сферично симетричну чорну дірку, яка має тільки масу. Умираюча зірка, породженням якої є чорна дірка, не обертається і не повинна мати ні електричного заряду, ні магнітного поля.

Зрозуміти природу шварцшильдівської чорної дірки можна, розглянувши вмираючу масивну зірку (але таку, яка не обертається і не має заряду) в процесі гравітаційного колапсу. Уявімо, що хтось стоїть на поверхні такої умираючої зірки, у якої тільки-но вичерпалося ядерне паливо. Безпосередньо перед початком колапсу наш спостерігач бере могутній прожектор і спрямовує його промені в різні боки. Так як речовина зірки до цього часу була розподілена в досить великому об'ємі, гравітаційне поле біля поверхні зірки залишається досить слабким. Тому промінь прожектора поширюється прямолінійно або майже прямолінійно. Однак після того, як розпочався процес колапсу, речовина зірки стискається всередині все меншого й меншого об'єму. Із зменшенням розмірів зірки тяжіння на її поверхні зростає все більше й більше. Збільшення кривизни простору-часу призводить до відхилення світлового променя від попереднього прямолінійного поширення. Спочатку промені, які випромінює прожектор під малим кутом до горизонту, відхиляються вниз до поверхні. Але пізніше, у зв'язку з розвитком колапсу, нашому досліднику доводиться спрямовувати промені все ближче до вертикалі, щоб вони могли назавжди піти від зірки. Зрештою, на певній критичній стадії колапсу дослідник виявить, що вже жоден промінь не може залишити зірку. Як би наш дослідник не спрямовував свій прожектор, його промінь усе одно змінює свій напрямок так, що знову потрапляє вниз, на зірку. Тоді кажуть, що зірка минула свій горизонт подій. Ніщо із того, що опинилося за горизонтом подій. не може потрапити назовні, навіть світло. Наш дослідник буквально зникає із зовнішнього Всесвіту.

Термін "горизонт подій" — дуже вдала назва для тієї поверхні в просторі-часі, з якої ніщо не може вивільнитися. Це справді "горизонт", за яким усі події зникають для нас. Іноді горизонт подій, який оточує чорну дірку, називають її поверхнею.

Знаючи розв'язок Шварцшильда, можна розрахувати положення горизонту подій, що оточує чорну дірку.