Нейтронные зірки (пульсары)

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Астрономия и космонавтика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ВСОШ № 115

РЕФЕРАТ ПО АСТРОНОМИИ

ТЕМА РЕФЕРАТА:

«НЕЙТРОННІ ЗВЁЗДЫ»

(пульсары)

ВЫПОЛНИЛ:

Тряпельников В.А.

11 «А» КЛАСС

МОСКВА

2004

Нейтронні звёзды

Відкриття 1932 року нової елементарної частки — нейтрона змусило астрофізиків замислитися з того, яку роль може витрачати час на еволюції зірок. Два роки було висловлено те, що вибухи наднових зірок пов’язані з перетворенням звичайних зірок в нейтронні. Потім було виконано розрахунки структури та параметрів останніх, і став ясно, що якщо невеликі зірки (типу за наше Сонце) наприкінці своєї еволюції перетворюються на білі карлики, то важчі стають нейтронными.

Торішнього серпня 1967 року радіоастрономи щодо мерехтінь космічних радіоджерел виявили дивні сигнали — фіксувалися дуже короткие,

длительностью близько 50 мілісекунд, імпульси радіо — випромінювання, що повторювалися через суворо певний інтервал часу (порядку однієї секунди). Це було не схоже звичайну хаотичну картину випадкових нерегулярних коливань радіовипромінювання. Після ретельної перевірки всю апаратуру прийшла впевненість, що імпульси мають позаземне походження. Астрономів важко здивувати об'єктами, що випромінюють з перемінної інтенсивністю, але в разі період була такою малий, а сигналы-столь регулярні, що деякі учені всерйоз припустили, що можуть бути вагу- точками від позаземних цивілізацій. Тож перший пульсар отримав назву LGM-1 (від англійського «Little Green Men» — «Маленькі Зелені Чоловічки»!), хоча спроби знайти який — або зміст у прийнятих імпульсах закінчилися безрезультатно. Невдовзі було ще три пульсуючих радиоисточника. Їх період знову набагато меншою характерних часів вагання і обертання всіх відомих астрономічних об'єктів. Через імпульсного характеру випромінювання нові об'єкти почали називати пульсарами. Це відкриття буквально сколихнуло астрономію, і із багатьох радіо обсерваторій почали надходити повідомлення виявлення пульсарів. Після відкриття пульсара в Крабовидної Туманності, посталої через вибух наднової зірки. В1054 року ця зірка було видно днем, (що згадують у своїх літописах китайці, араби і североамериканцы), зрозуміли, що пульсари якимось чином пов’язані з спалахами наднових зірок, Найімовірніше, сигнали йшли з об'єкта, що залишилися після вибуху. Минуло багато часу, як астрофізики зрозуміли, що пульсари — і є швидко обертові нейтронні зірки, що вони тривалий час искали.

ФІЗИКА ПУЛЬСАРА

Пульсар — це величезна намагнічений дзига, крутиться у коло осі не яка відповідає віссю магніту. Якби нього не було падало і він і чого не випускав, його радіовипромінювання було б частоту обертання і ми ніколи їх почули на Земле.

Але річ у цьому, що це дзига має колосальну масу чуток і високу температуру поверхні, та й обертове магнітне полі створює величезне по напруженості електричне полі, здатне розганяти протони і електрони майже світлових швидкостей. До того ж всі ці заряджені частки, носящиеся у коло пульсара, душать пастці з його колосального магнітного поля. І лише межах не великого тілесного кута близько магнітної осі можуть вирватися за грати (нейтронні зірки мають найсильнішими магнітними полями у Всесвіті, сягаючими (10−10, 10−14) десять у десятій, десять в чотирнадцятої ступеня ГАУСС, приміром, земне магнітне полі становить один (1) ГАУСС, сонячне десять, п’ятдесят (10- 50) ГАУСС.) Саме це потоки заряджених частинок і є джерелом того радіовипромінювання, яким, за яким було відкрито пульсари, вони виявилися надалі нейтронними зірками. Оскільки магнітна вісь нейтронної зірки не збігаються з віссю її обертання, то, при обертанні зірки потік радіо хвиль поширюється у космосі подібно променю проблескового маячка — тільки мить прорізаючи навколишню мглу.

ВСЕСИЛЬНА ГРАВИТАЦИЯ

Согласно сучасної теорії еволюції масивні зірки закінчують свою життя колосальним вибухом, яка перевертає велику частина їх в расширяющуюся газову туманність. У результаті від гіганта, в багато разів перевищувало розмірами і масою наше Сонце, залишається щільний гарячий об'єкт близько 20 км, з тонкої атмосферою (з водню і більше важких іонів) і гравітаційним полем, в 100 млрд. разів перевищує земне. Його засновником і назвали нейтронної зіркою, вважаючи, що він перебуває головним чином із нейтронів. Речовина нейтронної зірки — сама щільна форма матерії (чайна ложка такого супер ядра важить майже мільярд тонн).

Дуже період випромінюваних пульсарами сигналів був охарактеризований першим й найбільш головним аргументом за те, що і є нейтронні зірки, які мають величезним магнітним полем і обертові з шаленою швидкістю. Тільки щільні і компактні об'єкти (розміром аж кілька десятків кілометрів) із сильним гравітаційним полем можуть витримувати таку швидкість обертання, не розлітаючись на шматки з за відцентрових сил інерції. Нейтронна зірка складається з нейтронної рідини з додатком протонів і електронів. «Ядерна рідина», яка на речовина з атомних ядер, до 10 раз щільніше звичайній води. Це величезна відмінність можна пояснити — адже атоми перебувають у основному з порожнього простору, у якому навколо крихітного, але важкого ядра пурхають легкі електрони. Ядро містить майже весь обшир, оскільки протони і нейтрони у два 000 раз важче электронов.

Екстремальні сили, які під час формуванні нейтронної зірки, так стискають атоми, що електрони, утиснені в ядра, об'єднуються з протонами, створюючи нейтрони. Отже, народжується зірка, майже зовсім що складається з нейтронів. Сверхплотная ядерна рідина, коли його принести телефон на Землю, вибухнула б, подібно ядерної бомбі, але у нейтронної зірці вона стійка завдяки величезному гравітаційному тиску. Однак у зовнішніх шарах нейтронної зірки (як, втім, і аналіз усіх зірок) тиск і температура падають, створюючи тверду скоринку завтовшки десь кілометр. Як вважають, полягає переважно з ядер железа.

ВІДКРИТИЙ ВОПРОС

Хотя нейтронні зірки інтенсивно вивчаються вже близько трьох десятиліть, їх внутрішню структуру достеменно не — відома. Понад те, немає твердої впевненості у тому, що вони справді перебувають у основному з нейтронів. З просуванням всередину зірки тиск і щільність збільшуються, і матерія може бути настільки стиснута, що вона розпадається на кварки — будівельні блоки протонів і нейтронов.

Відповідно до сучасної квантової кульгаво динаміці кварки що неспроможні існувати у вільному стані, а об'єднують у нерозлучні «трійки» і «двійки». Але, можливо, біля кордонів внутрішнього ядра нейтронної зірки ситуація змінюється від і кварки вириваються зі свого заточения.

Щоб глибше зрозуміти природу нейтронної зірки й екзотичної кварковой матерії, астрономам необхідно визначити співвідношення між масою зірки й її радіусом (середня щільність). Досліджуючи нейтронні зірки зі супутниками, можна досить точно виміряти їх масу, але визначити діаметр — набагато важче. Нещодавно вчені, використовуючи можливості рентгенівського супутника «ГММ — Ньютон», знайшли спосіб оцінки щільності нейтронних зірок, заснований на гравітаційному червоному смещении.

Незвичайність нейтронних зірок ще що у цьому, що з зменшенні маси зірки її радіус зростає, внаслідок найменший розмір мають найбільш масивні нейтронні звезды.

СУДОМИ ГИГАНТОВ

Пульсары вважаються одній з ранніх стадій життя нейтронної зірки. Завдяки їхньому вивченню вчені взнали й про магнітних полях, і швидкості обертання, і подальшої долі нейтронних зірок. Постійно спостерігаючи над поведінкою пульсара, можна точно встановити: скільки енергії він втрачає, наскільки сповільнюється, і навіть те, коли він припинить своє існування, замедлившись настільки, що ні зможе випромінювати потужні радіохвилі. Ці дослідження таки підтвердили багато теоретичні передбачення щодо нейтронних звезд.

Вже на 1968 року було виявлено пульсари з періодом обертання від 0,033 секунди до 2 секунд. Періодичність імпульсів радіо пульсара витримується з дивовижною точністю, і стабільність цих сигналів була вищою земних атомних годин. І все-таки принаймні прогресу у сфері виміру часу багатьом пульсарів вдалося зареєструвати регулярні зміни їх періодів. Звісно, це виключно малі зміни, і лише мільйони очікується збільшення періоду вдвічі. Ставлення поточної швидкості обертання уповільнення обертання — одне із способів оцінки віку пульсара.

Попри разючу стабільність радіосигналу, деякі пульсари іноді відчувають звані «порушення». За дуже короткий інтервал часу (менше двох хвилин) швидкість обертання пульсара поповнюється істотну величину, та був кілька днів повертається до тієї величині, що була до «порушення». Вважають, що «порушення» може бути викликані перегрупуванням маси межах нейтронної зірки. Але за будь-якого разі точний механізм поки невідомий. Так, пульсар «Вела» приблизно разів у 3 роки піддається великим «порушень», і це робить її дуже цікавим об'єктом вивчення подібних явлений.

МАГНЕТАРЫ

Некоторые нейтронні зірки, названі джерелами повторюваних сплесків м’якого гамма-випромінення — SGR, випускають потужні сплески «м'яких» гама- променів через нерегулярні інтервали. Кількість енергії, выбрасываемое SGR при звичайній спалах, що триває кілька десятих секунди. Сонце може випроменити лише цілий рік. Чотири відомі SGR перебувають у межах нашої Галактики і лише одне — за її межами. Ці неймовірні вибухи енергії виникають «звездо — трясениями» — потужними версіями землетрусів, коли розривається тверда поверхню нейтронних зірок і з їх надр вириваються потужні потоки протонів, які, грузнучи у потужному магнітному полі, випускають гама — і рентгенівське излучение.

Нейтронні зірки були ідентифіковані як джерела потужних гама — сплесків після величезної гама спалахи 5 березня 1979 року, коли було викинуте стільки енергії протягом першого ж секунди, скільки Сонце випромінює за 1 000 років. Недавні контролю над однією з найбільш «активних» нині нейтронних зірок, схоже, підтверджують теорію у тому, що нерегулярні потужні сплески гама- і рентгенівського випромінювань викликані «звездо — трясениями». У 1998 року раптово опритомнів від «дремоты» відомий SGR, який 20 років подавали ознак активності і вихлюпнув не менше енергії, як і гамма-вспышка 5 березня 1979 року. Найбільше вразило дослідників у спостереженнях для цього подією різке уповільнення швидкості обертання зірки, говорящее про її руйнуванні. Для пояснення потужних гама і рентгенівських спалахів було запропоновано модель магнетара — нейтронної зірки зі сверхсильным магнітним полем. Якщо нейтронна зірка народжується, обертаючись нас дуже швидко, то спільне вплив обертання і конвекції, що грає значної ролі у перших лічені секунди існування нейтронної зірки, може створити величезне магнітне полі результаті складного процесу, відомий як «активне динамо» (так само створюється полі всередині Землі та Сонця). Теоретики були вражені, виявивши, що таке динамо, працюючи у гарячій, новонародженої нейтронної зірці, може створити магнітне полі 10 000 раз більш сильне, ніж звичайне полі пульсарів. Коли зірка охолоджується (секунд через 10 чи 20), конвекція і дію динамо припиняються, і цього часу цілком досить, що- б встигло виникнути потрібне поле.

Магнітне полі обертового электропроводящего кулі буває хистким, і різка перебудова його структури може супроводжуватися викидом колосальних кількостей енергії (унаочнення взаємодії такий нестійкості - періодична перекидання магнітних полюсів Землі). Аналогічні речі бувають і на Сонце, у вибухових подіях, названих «сонячними спалахами». У магнетаре доступна магнітна енергія величезна, і цієї енергії цілком достатньо мощі таких гігантських спалахів, як 5 березня 1979 і 27 серпня 1998 років. Події такого штибу неминуче викликають глибоку ломку та у структурі як електричних струмів обсягом нейтронної зірки, але її твердої коры.

Іншим загадковим типом об'єктів, які випускають потужне рентгенівське випромінювання під час періодичних вибухів, є звані аномальні рентгенівські пульсари — АХР. Вони від звичайних рентгенівських пульсарів тим, що випромінюють лише у рентгенівському діапазоні. Вчені думають, що SGR і АХР є фазами житті однієї й того класу об'єктів, а саме магнетаров, чи нейтронних зірок, які гама — кванти, черпаючи енергію з магнітного поля. І хоча магнетари сьогодні залишаються дітищами теоретиків, немає і достатніх даних, підтверджують їх існування, астрономи завзято шукають потрібні доказательства.

НЕСПОКІЙНЕ СОСЕДСТВО

Знаменитая космічна обсерваторія «Чандра» виявила сотні об'єктів (в тому однині і за іншими галактиках), які свідчать у тому, що ні всім нейтронным зіркам призначено вести життя самотині. Такі об'єкти народжуються у подвійних системах, які пережили вибух наднової, створив нейтронну зірку. А інколи трапляється, що одиночні нейтронні зірки в щільних зоряних областях типу кульових скупчень захоплюють собі компаньйона. У разі нейтронна зірка буде «красти» речовина біля свого сусідки. І, залежно від того, наскільки масивна зірка становитиме їй компанію, ця «крадіжка» буде викликати різні последствия.

Газ, поточний з компаньйона, масою, меншою, ніж нашого Сонця, ж на таку «крихти», як нейтронна зірка, зможе відразу впасти з — за свого надто великої кутового моменту. І він створює навколо так званий аккреционный диск з «вкраденої» матерії. Тертя при накручивании на нейтронну зірку і стиснення в гравітаційному полі розігріває газ до мільйонів градусів, і він починає випускати рентгенівське излучение.

Інше цікаве явище, що з рядковими зірками, мають мало- пасивного компаньйона, — рентгенівські спалахи (барстеры). Вони зазвичай тривають від кількох основних секунд за кілька хвилин й у максимумі дають зірці світність, майже 100 тисяч разів перевищує світність Сонця. Ці спалахи тим, що, коли водень і гелій переносяться на нейтронну зірку з компаньйона, вони утворюють щільний шар. Поступово цю верству стає таким щільним і гарячим, що починається реакція термоядерного синтезу та програм виділяється дуже багато енергії. За потужністю це еквівалентно вибуху всього ядерного арсеналу землян кожному квадратному сантиметрі поверхні нейтронної зірки протягом минуты.

Зовсім інша ситуація спостерігається, якщо нейтронна зірка має масивного компаньйона. Звезда-гигант втрачає речовина як зоряного вітру (вихідного від неї поверхні потоку іонізованого газу), і величезний гравітація нейтронної зірки захоплює частину акцій цього речовини собі. Але тут входить у своїх прав магнітне полі, яке змушує падаюче речовина текти по силовим лініях до магнітними полюсами. Це означає, що рентгенівське випромінювання, передусім, генерується у гарячих точках на полюсах, і якщо магнітна вісь і вісь зірки не збігаються, то яскравість зірки виявляється перемінної - це теж пульсар, але рентгеновский.

Нейтронні зірки в рентгенівських пульсарах мають компаньйонами яскраві звезды-гиганты. У барстерах ж компаньйонами нейтронних зірок є слабкі за блиском зірки малих мас. Вік яскравих гігантів вбирається у кілька десятків мільйонів років, тоді як вік «слабких» зірок — карликів може налічувати мільярди, оскільки перші набагато швидше витрачають своє ядерного палива, ніж другі. Звідси випливає, що барстеры — це старі системи, у яких магнітне полі встигло згодом ослабшати, а пульсари — щодо молоді, і тому магнітні поля була в них сильніше. Можливо, барстеры колись минулому пульсували, а пульсарам ще попереду спалахувати в будущем.

З подвійними системами пов’язують і пульсари із найбільш короткими періодами (менш 30 мілісекунд) — звані миллисекундные пульсари. Незважаючи з їхньої швидке обертання, вони виявляються не молодими, як було очікувати, а найбільш старыми.

Виникають вони з подвійних систем, де стара, повільно обертова нейтронна зірка починає поглинати матерію з його, теж вже постарілого компаньйона (зазвичай червоного гіганта). Падаючи на поверхню нейтронної зірки, матерія передає їй обертальну енергію, примушуючи крутитися все швидше. Відбувається це близько того часу, поки компаньйон нейтронної зірки, майже звільнений від щодалі зайвої маси, стане білим карликом, а пульсар не оживе і почне обертатися зі швидкістю сотні обертів за секунду.

Втім, недавно астрономи виявили дуже незвичну систему, де компаньйоном миллисекундного пульсара не білий карлик, а гігантська роздута червона зірка. Вчені думають, що вони спостерігають цю подвійну систему саме на стадії «звільнення» червоною зірки зайвої ваги і перетворення на білого карлика. Якщо це гіпотеза неправильна, тоді зірка-компаньйон то, можливо звичайній зіркою з кульового скупчення, випадково захопленої пульсаром.

Майже всі нейтронні зірки, які відомі у час, знайдено чи рентгенівських подвійних системах, чи як одиночні пульсари. І тепер недавно «Хаббл» помітив у видимому світлі нейтронну зірку, яка є компонентом подвійний системи та не пульсує в рентгенівському й радіодіапазоні. Це дає унікальну можливість точно визначити воно та зробити корективи в уявлення про склад і структурі цього вигадливого класу вигорілих, стиснутих гравітацією зірок. Ця зірка було виявлено вперше як рентгенівський джерело і випромінює у цьому діапазоні не оскільки збирає водневий газ, коли рухається у просторі, тому, що РФ й надалі молода. Можливо, вона є залишком одній з зірок подвійний системи. У результаті наднової ця подвійна система зруйнувалася, і колишні сусіди почали незалежне мандрівку Вселенной.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой