Глава 6. Звезды

6.5. Эволюция массивных звезд

6.5.3. Нейтронные звезды

Звезда, в которой давление нейтронного газа и сила гравитации находятся в равновесии, называется нейтронной звездой.

Нейтронные звезды образуются при вспышках сверхновых звезд, если первоначальная масса звезды была 10–40 M, или при аккреции вещества на белый карлик в тесной двойной системе. При этом, если вторая звезда полностью заполняет свою полость Роша, масса белого карлика может увеличиться очень быстро, за миллион лет, и превысить чандрасекxаровский предел. Может произойти переход белого карлика в нейтронную звезду.

1

Рисунок 6.5.3.1. Нейтронная звезда легко поместилась бы внутри Московской кольцевой автодороги или Нью-Йорка

2

Рисунок 6.5.3.2. Спичечный коробок с веществом нейтронной звезды весит около десяти миллиардов тонн

Еще Оппенгеймер и Волков в тридцатых годах ХХ века доказали, что звездное вещество, в котором электроны и протоны соединились в нейтроны, может удерживаться в виде шара собственным гравитационным полем. Зная свойства нейтронного вещества, можно осуществить теоретические расчеты нейтронных звезд. Позже пришли к выводу, что в центральных областях нейтронной звезды содержится значительное количество тяжелых частиц – гиперонов и мюонов. Учет этих частиц увеличил массу нейтронной звезды до 2,5 M. Анализ математической модели нейтронной звезды показывает, что ее плотность должна быть очень велика: масса, равная солнечной, заключена в объеме шара с поперечником около 30 километров. Спичечный коробок нейтронной материи весит миллиарды тонн (средняя плотность составляет около 10¹⁸ кг/м³). Расчеты показывают, что нейтронные звезды должны быстро вращаться вокруг своей оси и обладать сильным магнитным полем.

Произведем оценки для звезды типа Солнца, имеющей радиус R = 7∙10⁷ м, период вращения вокруг оси T = 25 суток и круговую частоту ω = 4,5∙10^–7 рад/с. Пусть вначале сжатия звезда вращается с той же скоростью, что и Солнце, а сжавшись, она будет иметь радиус 20 км. Со звездой будет происходить то же, что с танцором на льду: прижимая к себе руки, танцор ускоряет свое вращение. Здесь действует один из основных законов механики – закон сохранения момента импульса.

При изменении размеров вращающегося тела изменяется и скорость его вращения, но остается постоянным произведение MωR², где M – масса тела. Значит, с уменьшением размеров тела, частота его вращения возрастает по закону ω ~ R^–2. Конечная скорость вращения будет равной 150 рад/с, то есть угловая скорость звезды увеличилась бы в миллиард раз.

По-видимому, при сжатии значительную часть момента количества движения звезда успевает передать оболочке. Оценка напряженности магнитного поля нейтронной звезды при учете того, что при сжатии ионизированного газа сжимаются также и магнитные силовые линии, которые как бы «приклеены» к плазме, вморожены в вещество, дают H = 10⁹ эрстед. Из закона сохранения магнитного потока следует, что магнитное поле при превращении обычной звезды в нейтронную звезду, усиливается в 10¹⁰ раз (магнитное поле с индукцией B ≈ 10^–4 Тл, сравнимое с полем Солнца, считается более-менее типичным для обычных звезд; у некоторых «магнитных» звезд обнаружены поля в несколько тысяч раз больше).

Внешней оболочкой нейтронной звезды является кора, состоящая из ядер железа при температуре 10⁵–10⁶ К. Весь остальной объем, за исключением небольшой области в центре, занимает «нейтронная жидкость». В центре предполагается наличие небольшого гиперонного ядра. Нейтроны подчиняются принципу Паули. При таких плотностях «нейтронная жидкость» становится вырожденной и останавливает дальнейшее сжатие нейтронной звезды.