Неутронни звезди за науката
Представени преди 70 години, неутронните звезди поставят на изпитание законите на физиката. Започваме обаче да разбираме как работят и да изследваме тяхната вътрешна структура.
Първоначално частица
Всичко се промени през 1967 г., когато Джоселин Бел и Антъни Хюиш откриха нов тип звезда - пулсар - излъчващ много редовни изблици на радиоизлъчване. Скоро се разбра, че пулсарът е въртяща се неутронна звезда с мощно магнитно поле, което обхвана космоса като маяк през нощта. На следващата година откриването на аналогов пулсар, psr b 0531 + 21, в Раковата мъглявина, т.е. останките от свръхнова, наблюдавани от китайски астрономи през 1054 г., потвърди хипотезата на Бааде и Цвики, че неутронните звезди се образуват по време на тези звездни експлозии . Идеята беше допълнително подсилена от откриването през февруари 1987 г. на дузина неутрино, излъчени по време на свръхнова sn 1987 a от Големия магеланов облак. Тези неутрино са доказателството, че материалът на звездата в произхода на тази свръхнова е бил „неутронизиран“: протоните и електроните са се комбинирали, за да дадат неутрони и неутрино в съответствие с ядрена реакция, противоположна на тази, която причинява бета радиоактивността (вж. Фигура 6 ).
Днес познаваме повече от 1300 пулсара. Наблюдаемите неутронни звезди в тази форма (онези, чиито лъчи редовно почистват нашето зрително поле) излъчват импулси със стабилна амплитуда, което показва, че излъчването на сигнали е свързано с въртенето на източника. В допълнение, честотата на тези вдишвания бавно намалява с течение на времето.
Ние правим извода, че пулсарът се забавя: той губи енергия именно защото излъчените сигнали отнемат малко количество от нея. Най-бързият известен пулсар, psr b 1937 + 21, има период от 1,56 милисекунди. Обаче при такава скорост центробежната сила на екватора би била по-голяма от гравитацията и материята би се откъснала, ако psr b 1937 + 21 няма плътност, по-голяма от тази на атомните ядра! Този резултат потвърждава, че това е звезда, съставена от компресирани неутрони в гигантско "ядро" с макроскопичен размер. Освен това се смята, че радиовълните се произвеждат от интензивното магнитно поле, причинено от въртенето на звездата. Наблюдаваното забавяне дава възможност да се оцени енергията, отнесена от сигналите и следователно интензивността на полето. По този начин полето на рака пулсар е от порядъка на няколкостотин милиона тесла, в сравнение с земното магнитно поле от порядъка на 10–5 тесла и на полетата от 100 тесла, произведени в лабораторията.
Моделът, предложен от Бааде и Цвики, обяснява много просто високите честоти на въртене и интензивното магнитно поле, придружаващо неутронните звезди. Всъщност всички нормални звезди се въртят върху себе си и ако правят толкова по-бавно от пулсарите, това се компенсира от факта, че размерите им са поне 100 000 пъти по-големи: като скейтър, който ускорява въртенето си, когато приближи ръцете си до своите тяло, звездите, като се срутят, придобиват невероятна скорост на въртене. По същия начин магнитното поле на звездата се усилва силно по време на колапса.
Изчисленията на Опенхаймер и Волкоф, базирани на относителността, демонстрират съществуването на максимална маса - която не се появява в теорията на Нютон - след която неутронните звезди се срутват в черни дупки. Всъщност налягането е форма на механична енергия, съхранявана в звездата. Енергията обаче е еквивалентна на масата и генерира гравитационно поле. По този начин, над определен праг, увеличаването на налягането става контрапродуктивно: налягането не може да се противопостави на силата на гравитацията, която генерира сам и обектът трябва да се срути непоправимо. Съществуването на такава максимална маса е много важно, тъй като ограничава възможното поведение на материята, която образува неутронните звезди. Както видяхме, има и ограничение на скоростта на въртене на неутронните звезди и подобен максимум е определен за тяхното магнитно поле (когато магнитното налягане надвишава налягането на материята, звездата става нестабилна).
Уравнението на състоянието
На повърхността, където налягането е нула, не съществуват свободни неутрони (поради бета реакции) и материята се състои от желязо, най-стабилният елемент в периодичната таблица, под формата на твърд метал, тоест компактен кристална решетка, заобиколена от море от свободни електрони. Повърхността на тази метална кора е много гладка поради непреодолимата интензивност на гравитацията и всякакви „планини“ не могат да надвишават няколко милиметра надморска височина! Кората се простира на няколкостотин метра дълбочина и плътността бързо се увеличава.
С увеличаването на плътността електроните започват да се доближават до протоните и влизат „в обхвата“ на слабото ядрено взаимодействие: те се комбинират все по-често с протоните на ядрата, за да образуват неутрони. Ядрата се обогатяват с неутрони, докато потъваме. В крайна сметка плътността става такава, че неутроните започват да се "просмукват" от ядрата.
Тук започва вътрешната кора, където плътността е от порядъка на една хилядна от ядрената плътност, за дебелина от един до два километра. Той образува преходен слой между кристалната част, съставена от атомни ядра, богати на неутрони, и подлежащата течност, съставена от неутрони, протони и електрони при бета равновесие (неутронната течност). Този преход се осъществява чрез промени в геометрията, напомнящи на италианските ястия. На първо място, в средата на кристала се появяват топчета течност. На по-голяма дълбочина тези топчета се срутват и се съединяват, образувайки „спагети“ от неутронна течност. Тези спагети от своя страна се обединяват в структура от "лазаня", където равнините на течността се редуват равнини на атомни ядра в кристална форма. Лазанята става все по-дебела и по-дебела, докато заеме целия обем, в рамките на който няколко кристални мехурчета в крайна сметка изчезват при достигане на ядрената плътност (виж фигура 5).