Нейтронные звезды - финал эволюции звезд средней массы

Итак, после изучения пульсаров стало ясно, что ими, вероятнее всего, могут быть нейтронные звезды, существование которых было предсказано еще в 30-х годах Л.Д. Ландау. В их пользу говорили малые размеры и чрезвычайно быстрое вращение и, наконец, то, что они рождаются в ходе взрывов сверхновых.

Предсказание существования нейтронных звезд связано с исследованиями заключительных стадий Звездной эволюции. В главе II мы рассматривали первоначальную и "ядерную" стадии эволюции звезд и отметили, что после накопления в центре звезды "золы" - элементов группы железа - повышение температуры за счет сжатия звездных недр уже не ведет к ядерным реакциям, сопровождающимся выделением энергии. Звезда вступает в заключительную, чисто гравитационную стадию эволюции.

Если при каждом переходе на новый "сорт" ядерного горючего сила тяготения к центру перевешивала газовое и световое давление внутренних слоев звезды и вызывала сжатие до включения новой ядерной реакции с выделением энергии, то теперь, поскольку "ядерная печь" звезды не разгорается, газовое давление уже не останавливает гравитационного сжатия и судьба звезды оказывается целиком в зависимости от ее массы.

В звездах малой массы (к моменту сжатия - не более 1.4 масс Солнца) гравитационное сжатие создает плотности 10⁴-10¹⁰ г/см³. При таких плотностях происходит разрушение атомных структур. Вспомним, что атом состоит из ядра и окружающих его оболочек электронов. Давление отрывает электроны, оставляя ядра "голыми". В результате образуется вырожденный газ, упругость которого останавливает сжатие звезды. Возникает белый карлик.

Если же звезда имеет среднюю массу от 1.4 до 10 масс Солнца то давления вырожденного газа оказывается недостаточно для остановки гравитационного сжатия. По одной из теорий этого процесса при температуре выше 5 млрд. кельвинов в недрах звезды важное значение приобретают реакции с образованием нейтрино - элементарных частиц, не имеющих заряда и массы покоя и поэтому беспрепятственно проходящих через звездные недра. Образующиеся нейтрино уносят значительную долю энергии, выделяемой при гравитационном сжатии. Подсчитано, что нейтринная светимость (другими словами, энергетическая отдача нейтрино) в это время превосходит оптическую светимость звезды. Отвод энергии через нейтрино позволяет удваивать сжатие вещества за 1 секунду. Ни равновесие слоев звезды, ни плавное сжатие их при таких темпах становятся.невозможными, гравитационное сжатие приобретает стремительный, катастрофический характер, наступает, как говорят астрофизики, гравитационный коллапс.

Имеется ли сила, способная остановить разогнавшиеся гравитацией слои звезды? Оказывается, такая сила существует и заключается в ядерном строении вещества. Когда сжатие создает плотности 10¹²-10¹⁵ г/см³, т. е. плотности, какие по подсчетам физиков имеют атомные ядра, начинается разрушение атомных ядер. Они распадаются на нейтроны и протоны. Последние поглощают электроны вырожденного газа и превращаются в нейтроны (при этих реакциях продолжают выделяться нейтрино). Происходит, как говорят астрофизики, нейтронизация вещества звезды. Физически вещество звезды превращается в своего рода нейтронную жидкость, имеющую ядерную плотность и характерную для жидкостей малую сжимаемость (упругость).

Внешне такая звезда представляет собой как бы гигантское ядро атома, перенасыщенного нейтронами, но нейтроны, и немногочисленные протоны в этом сверхядре сцеплены не внутриядерными, а гравитационными силами.

Упругость нейтронной жидкости и останавливает гравитационный коллапс на уровне ядерной плотности, если масса звезды не превышает двух солнечных масс. Если же масса звезды больше, то для задержки коллапса в звезде должен произойти сброс излишней массы путем взрыва или спокойного истечения. После остановки коллапса образуется нейтронная звезда. Но если образование белых карликов происходит, по-видимому, спокойно, без катастрофических взрывов, образование нейтронной звезды идет бурно. Нейтрино уносят лишь часть высвободившейся при сжатии гравитационной энергии, остальная ее часть расходуется на образование неустойчивых ядер, быстро распадающихся с выделением энергии в форме взрыва. При взрыве возникает ударная волна, выбрасывающая из звезды наружные слои, образуется расширяющаяся газовая оболочка, которую мы и наблюдаем как явление сверхновой..

Что касается звезд, превосходящих по массе Солнце более чем в 10 раз, то даже после истечения части избыточной массы сила гравитации в этом случае оказывается больше силы упругости нейтронной жидкости, и коллапс будет продолжаться неограниченно (физике неизвестны сверхплотные состояния за рубежом ядерной плотности вещества). С точки зрения исследователя, наблюдающего явление этого коллапса звезды со стороны, сжатие в силу некоторых закономерностей теории относительности приостанавливается, когда радиус коллапсирующей звезды становится равным так называемому радиусу Шварцшильда, и звезда превращается в "черную дыру". Излучение такого объекта уже не сможет выходить наружу, и мы его не увидим. Однако, если эта звезда была компонентом двойной системы, ее притяжение скажется на характере движения другого компонента, который может быть обычной звездой. Такие двойные звезды с невидимыми компонентами встречаются. Если же коллапсирующая звезда является членом тесной двойной системы, то перетекающий со спутника газ будет разгоняться в гравитационном поле черной дыры до колоссальных скоростей и разогреется до температур в миллионы кельвинов. Мы можем обнаруживать свечение падающего на коллапсирующую звезду газа в рентгеновских лучах. Отметим, что радиусы черных дыр, или радиусы Шварцшильда массивных звезд составляют 1-3 км.

Но вернемся к нейтронным звездам. Их внутренняя структура изучалась еще до открытия пульсаров, и многое уже было установлено. Предполагается, что масса нейтронной звезды приблизительно равна массе Солнца, хотя может оказаться и немного больше или вдвое меньше. Радиус звезды около 10 км, плотность вещества в центре звезды достигает 10¹⁵ г/см³, т. е. около 1 млрд. т в см³. К поверхности плотность постепенно убывает. Граница чисто нейтронного вещества - сфера радиусом около 9 км, ее плотность около 10¹¹ г/см³, а температура всего нейтронного кома звезды. около 0,5 млрд. кельвинов. Во внешнем слое нейтронной звезды имеются уже и атомные ядра и электроны, плотность вещества снижается до 10⁷ г/см³, а температура -до 1 млн. кельвинов.

Если идти от периферии нейтронной звезды к ее центру, то, по современным представлениям, в ней можно выделить несколько удивительных по свойствам слоев. Самый внешний слой, где убывают и температура, и плотность, имеет такой же состав, как и вещество белых карликов, т. е. является плазмой из электронов и ядер (главным образом железа). Но расчеты показали, что при тех комбинациях температур и плотностей, которые имеются в оболочке нейтронной звезды, плазма может существовать не только в газообразном, но и в жидком и даже твердом виде! Поэтому предполагают, что под наружным тонким слоем (всего, скажем, в один сантиметр) расположена твердая корка плазмы. Под твердой же оболочкой находится нейтронная жидкость, в которой имеются отдельные протоны. Поэтому этот слой при высокой плотности и существенном влиянии ядерных сил может обладать удивительными физическими свойствами - сверхтекучестью и сверхпроводимостью. Как мы увидим далее, эти предположения о свойствах нейтронной жидкости нашли подтверждение в скачкообразных изменениях периодов пульсаров.

Эволюция нейтронной звезды после образования из обычной сравнительно проста. В результате нейтринного и электромагнитного излучений молодая нейтронная звезда в момент образования быстро остывает до своих обычных температур, после чего может существовать сотни миллионов и даже миллиарды лет, пройдя, очевидно, стадию пульсара. Пока неясно, все ли нейтронные звезды должны сначала становиться пульсарами или же есть среди них "немые". Ясно одно, что и после того, как угаснут пульсации электромагнитного излучения нейтронной звезды, она будет продолжать существовать в своем устойчивом состоянии.