- очень компактные и плотные объекты с массами около полутора солнечных и радиусом порядка 10 километров. Плотность в центре такой "звезды" в несколько раз превышает ядерную. В основном нейтронные звезды состоят из вырожденных нейтронов с малой примесью вырожденных протонов и электронов и только самые внешние слои - твердая кора - содержат железо с примесью Cr, Ni, Co. Гидростатическое равновесие в них поддерживается давлением вырожденного нейтронного газа. Образование нейтронных звезд происходит в процессе гравитационного коллапса на конечных стадиях эволюции достаточно массивных звезд (в несколько раз превышающих массу Солнца). Большинство известных на сегодня нейтронных звезд являются пульсарами (обнаружены в 1967 году).
Согласно современным теориям, чрезвычайно массивная звезда в конце своей сравнительно недолгой жизни после взрыва в виде сверхновой (гиперновой) и последующего коллапса (сжатия) оставшегося ядра должна формировать черную дыру. Однако новые наблюдения, проведенные с помощью космической рентгеновской обсерватории NASA "Чандра" (Chandra) 22 мая и 18 июня 2005 года, показали, что одна из таких сверхмассивных звезд, превосходящая по массе наше собственное Солнце примерно в 40 раз, вместо черной дыры сформировала "всего лишь" нейтронную звезду - компактный квазизвездный объект диаметром около 20 километров. Это открытие дает астрономам повод считать, что образование собственно черных дыр, вероятно, связано с процессами гораздо более редкими и сложными, чем считалось до сих пор.
"Наше открытие показывает, что некоторые из самых массивных звезд не коллапсируют с образованием черной дыры, как предсказывалось, а вместо этого формируют нейтронные звезды", - говорит Майкл Муно (Michael Muno) из Калифорнийского университета (University of California - UCLA) в Лос-Анджелесе, ведущий соавтор соответствующей статьи, публикуемой в Astrophysical Journal Letters (ApJ).
Если такие очень массивные звезды действительно оставляют после себя нейтронные звезды, а не черные дыры, то это может иметь самое решающее влияние на состав будущих генераций звезд. Ведь при формировании нейтронной звезды свыше 95% звездной массы, ощутимая часть которой - богатый металлами материал из ядра, - будет выброшено в окружающее космическое пространство. Таким образом огромные количества тяжелых элементов естественным образом вовлекаются в межзвездную циркуляцию и могут участвовать в формировании других звезд и планет, а не пропадут безвозвратно в черной дыре.
Разумеется, возникает законный вопрос: каким образом можно узнать массу звезды до взрыва? К сожалению, в большинстве случаев точного ответа на этот вопрос не существует. Самый надежный метод оценки массы взорвавшейся звезды-прародителя состоит в том, чтобы показать, что нейтронная звезда или черная дыра в недалеком (по космическим меркам) прошлом являлась членом какого-либо звездного скопления, все звезды в котором имеют примерно один и тот же возраст и одинаковый начальный химический состав. Поскольку более массивные звезды развиваются быстрее, чем менее массивные, масса исходной звезды может быть вычислена в соответствии с тем, на каком эволюционном этапе она в настоящее время находится (следует обратиться к диаграмме Герцшпрунга-Рессела, суммирующей наблюдения большого числа звезд, находящихся на разных стадиях эволюции). Так как нейтронные звезды и черные дыры - это конечные стадии в развитии звезды, то их прародители должны принадлежать к числу самых массивных звезд в скоплении.
Муно и его коллеги обнаружили нейтронную звезду (принадлежащую к особому классу аномальных пульсаров, обладающих сверхмощными магнитными полями - магнитарам) в скоплении массивных звезд, именуемом Westerlund 1 (Wd 1). Это скопление, названное так по имени шведского астронома Бенгта Вестерлунда, открывшего его в начале 1960-х годов, расположено в южном созвездии Жертвенника, в оптическом диапазоне оно почти полностью скрыто скоплениями космической пыли, хотя и содержит свыше ста тысяч звезд в области поперечником всего лишь 30 световых лет (Westerlund 1 является самым массивным из известных компактных звездных скоплений в нашей Местной группе). Это позволило астрономам предположить, что все звезды данного скопления были рождены в результате одного-единственного акта звездообразования. Основываясь на некоторых оптических свойствах изученных "нормальных" звезд этого скопления - вроде яркости и спектральных характеристик, - удалось установить их массы, составившие по приблизительным оценкам порядка 40 солнечных масс. Так как прародитель нейтронной звезды (обозначаемой CXO J164710.2-455216) уже взорвался в качестве сверхновой, то его масса должна была быть никак не меньше, чем эти самые 40 солнечных масс.
Если теперь учесть, что звездам с массами, превышающими 25 солнечных масс, в конце их жизни уверенно пророчили путь черной дыры (это общепринятое положение вошло и во вводные астрономические курсы, однако до недавнего времени не имело никаких наблюдательных подтверждений), то возникает очевидный парадокс. Возможно, для его разрешения придется обратиться к иным, менее распространенным теориям, которые все же позволяют столь массивным звездам избегать превращения в черные дыры. Так, например, теоретические выкладки, проведенные Александром Хегером (Alexander Heger) из Чикагского университета (University of Chicago) и его коллегами, показывают, что чрезвычайно массивные звезды могут столь эффективно терять ("сдувать") свою массу в течение своей жизни, что к моменту взрыва в виде сверхновой они благополучно становятся нейтронными звездами. Принимая во внимание, что нейтронная звезда в Westerlund 1 принадлежит к числу именно таких звезд, можно уже задуматься над вопросом, откуда же вообще появляются все те черные дыры (точнее говоря, кандидаты в ЧД звездной массы), что наблюдаются в пределах нашего Млечного пути и в других галактиках.
Впрочем, на процессы превращения звезды в черную дыру или нейтронную звезду могут также решающим образом влиять и другие факторы: химический состав, скорость вращения, напряженность магнитного поля... Ведь и текущие модели для одиночных массивных звезд с типичным химическим составом оставляют все же небольшое "окно" в области начальных масс - от приблизительно 25 и до значения, несколько уступающего 40 солнечным массам; в этих пределах есть варианты: сформируется ли в результате звездного взрыва черная дыра или же нет. Идентификация дополнительных случаев образования нейтронных звезд из массивных звезд или, напротив, открытие черных дыр в молодых звездных скоплениях должны позволить вывести дополнительные ограничения на массы и свойства прародителей нейтронных звезд и черных дыр.
Источники:
Neutron Star Discovered Where a Black Hole Was Expected - Chandra Press Room
A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1 - arXiv
Ссылки:
Массивное рассеянное скопление в Млечном Пути - "Астронет"
Нейтронная звезда с массивным прародителем в скоплении Westerlund 1 - Обзоры препринтов astro-ph
В открытии, сделанном Муно и др., важен один момент. Нейтронная звезда, обнаруженная этими авторами, относится к небольшой группе т.н. аномальных рентгеновских пульсаров.
Эти объекты были выделены более 10 лет назад среди нескольких десятков рентгеновских пульсаров. Обычные рентгеновские пульсары - это тесные двойные системы, в которых вещество с нормальной звезды перетекает на нейтронную. Падающее вещество разгоняется до околосветовой скорости мощным гравитационным полем нейтронной звезды. Т.к. нейтронная звезда имеет большое магнитное поле, то вещество выпадает только в области магнитных полюсов (вне этих областей магнитное поле "не пропускает" вещество к поверхности). Когда вещество резко тормозится, выделяется большое количество энергии, наблюдаемой в виде рентгеновского излучения. Поскольку нейтронная звезда вращается, то мы видим то один полюс, то другой. Возникает феномен рентгеновского пульсара. Аномальные рентгеновские пульсары (АРП) отличались от своих собратьев более низкой светимостью. Их периоды вращения концентрировались в узком диапазоне 5-10 секунд. При этом период все время стабильно увеличивался, стабильной была и светимость. Оба этих свойства нетипичны для рентгеновских пульсаров. Наконец, ни для одного АРП не удавалось обнаружить звезду-соседку.
Сейчас полагают, что АРП вместе с другим интересным типом объектов - источниками мягких повторяющихся гамма-всплесков - являются магнитарами. Т.е. эти нейтронные звезды преобразуют в излучение энергию своего магнитного поля. А поле у них - ого-го!!! Оно в 100 раз выше поля обычного радиопульсара, а если сравнивать с полем Земли или Солнца, то придется записать единицу и 15 нулей!
Ученые до сих пор не понимают, как же магнитары образовались, т.е. почему у некоторых нейтронных звезд поля оказываются такими большими. Важно понять, чем эволюционно выделены эти объекты. Открытие Муно и др. может проливать свет на этот вопрос. Если магнитары выделяются своими более массивными прародителями, то это может помочь построить теорию генерации столь сильного магнитного поля в нейтронных звездах.
| А также : | Наука Общество |