3. Нейтронные звёзды, новые и сверхновые, чёрные дыры

Определения и обозначения

Нейтронная звезда — сверхплотный остаток массивной звезды, состоящий главным образом из нейтронов. При её образовании атомы разрушаются, а ядро сжимается до размеров порядка десятков километров. Это понятие нужно, чтобы описывать один из возможных итогов гибели массивной звезды.

Новая — кратковременная вспышка белого карлика, вызванная термоядерной реакцией накопившегося вещества. Газ обычно поступает от звезды-компаньона и скапливается на поверхности белого карлика. Термин помогает отличать поверхностную вспышку от взрыва, который способен уничтожить саму звезду.

Сверхновая — мощный взрыв звезды или звёздной системы, сопровождающийся огромным выделением энергии. Он может возникать при коллапсе ядра массивной звезды или при разрушении белого карлика в двойной системе. Такое событие заметно меняет звезду и обогащает межзвёздное пространство тяжёлыми элементами.

Чёрная дыра — область пространства с настолько сильным притяжением, что покинуть её не может даже свет. Границу этой области называют горизонтом событий. Определение нужно, чтобы понимать: чёрная дыра — не обычное тёмное тело, а область пространства-времени с особой гравитацией.

Как это устроено

Массивная звезда поддерживает равновесие: энергия термоядерных реакций создаёт давление наружу, а гравитация стремится сжать звезду. Когда топливо в ядре исчерпывается, давление ослабевает, и ядро начинает быстро сжиматься — происходит коллапс. Если масса остатка достаточно мала, сжатие останавливается и образуется нейтронная звезда, а при ещё большей массе коллапс может продолжиться до чёрной дыры.

При коллапсе электроны и протоны соединяются, образуя нейтроны, поэтому обычная атомная структура исчезает. Вещество уплотняется до ядерной плотности: небольшая масса такого вещества имела бы огромный вес на Земле. Дальнейшему сжатию противодействует давление вырожденного вещества, возникающее из квантового запрета занимать одинаковые состояния; однако при слишком большой массе оно не может удержать остаток.

Нейтронная звезда часто быстро вращается, потому что при уменьшении радиуса сохраняется момент импульса. Её магнитное поле ускоряет заряженные частицы и направляет излучение в узкие пучки около магнитных полюсов. Если такой пучок периодически пересекает направление на Землю, звезда наблюдается как пульсар: регулярность импульсов объясняется вращением, а не периодическими взрывами.

Новая возникает в двойной системе, где белый карлик перетягивает газ с поверхности звезды-компаньона. В основном водородный газ нагревается и сжимается на поверхности, пока не запускается быстрая термоядерная реакция; вспышка разбрасывает часть вещества, но белый карлик обычно остаётся. При сверхновой процесс затрагивает гораздо больше энергии: коллапс ядра разрушает оболочки массивной звезды или термоядерная реакция уничтожает белый карлик.

Горизонт событий — граница, за которой для выхода наружу потребовалась бы скорость выше скорости света. Поэтому свет, пересёкший горизонт, не возвращается, хотя локально продолжает двигаться по возможной траектории. Саму чёрную дыру не видно, но её присутствие выдают вращающийся горячий газ, движение звёзд-компаньонов, отклонение света и гравитационные волны.

Сравнение нейтронной звезды, новой, сверхновой и чёрной дыры

Таблицу удобно читать по строкам, если нужно описать один объект от причины возникновения до результата. При сравнении явлений обращайте внимание прежде всего на механизм и масштаб: вспышка новой происходит на поверхности, а сверхновая меняет всю звёздную систему. Размер чёрной дыры в таблице означает размер горизонта событий, а не твёрдой поверхности.

Разбор задач

Средняя плотность нейтронной звезды

Условие: масса нейтронной звезды равна 1,4 массы Солнца, радиус — 10 км. Нужно оценить среднюю плотность и сравнить её с плотностью обычного вещества.

1. Переведём величины в СИ: M = 1,4 · 1,99 · 10³⁰ кг ≈ 2,79 · 10³⁰ кг, R = 10 км = 10⁴ м.
2. Объём звезды считаем объёмом шара: V = 4πR³/3 ≈ 4,19 · 10¹² м³. Тогда ρ = M/V ≈ 6,7 · 10¹⁷ кг/м³.
3. Для сравнения возьмём плотность воды около 10³ кг/м³. Получается, средняя плотность нейтронной звезды примерно в 10¹⁵ раз больше.

Ответ: ρ ≈ 7 · 10¹⁷ кг/м³, что показывает исключительную компактность нейтронной звезды. Это среднее значение: плотность внутри объекта может изменяться с глубиной.

Радиус Шварцшильда Солнца

Условие: найти радиус Шварцшильда тела с массой Солнца по формуле r = 2GM/c² и сравнить его с радиусом Солнца.

1. Подставим G ≈ 6,67 · 10⁻¹¹ Н·м²/кг², M ≈ 1,99 · 10³⁰ кг и c ≈ 3,00 · 10⁸ м/с.
2. Получаем r ≈ 2 · 6,67 · 10⁻¹¹ · 1,99 · 10³⁰ /(3,00 · 10⁸)² ≈ 2,95 · 10³ м, то есть около 3 км.
3. Радиус Солнца примерно 6,96 · 10⁸ м, поэтому радиус Шварцшильда меньше его примерно в 2,3 · 10⁵ раз.

Ответ: r ≈ 3 км. Если бы массу Солнца удалось сжать внутрь сферы такого радиуса, её граница стала бы горизонтом событий.

Новая или сверхновая?

Условие: белый карлик в двойной системе получает вещество от звезды-компаньона, а накопившийся газ вызывает термоядерную вспышку только на поверхности. Нужно определить явление.

1. Определяем место реакции: она происходит в накопившемся слое на поверхности белого карлика, а не во всей звезде.
2. Проверяем последствия: по условию белый карлик не разрушается, значит процесс не является полным термоядерным взрывом звезды.
3. Сопоставляем признаки с определениями: поверхностная термоядерная вспышка накопившегося вещества — это новая.

Ответ: будет наблюдаться новая. Сверхновая ожидалась бы при разрушении белого карлика или при масштабном коллапсе ядра массивной звезды.

Типичные ошибки

Новая и сверхновая — одно явление. Ошибка возникает из-за общего слова «вспышка», но различаются механизм и последствия: новая обычно оставляет белый карлик, а сверхновая может разрушить звезду. Проверьте себя вопросом: вспыхнул только поверхностный слой или изменилась вся звезда?

Нейтронная звезда состоит из обычных атомов. Так думают, перенося привычное строение вещества на объект после коллапса. Помните, что при огромном давлении атомы разрушаются, а основную роль начинают играть нейтроны и квантовое давление.

Чёрная дыра засасывает всё на любом расстоянии. Такое представление появляется из-за образного сравнения с пылесосом, но гравитация зависит от массы и расстояния. Если заменить Солнце чёрной дырой той же массы, планеты на прежних орбитах не начнут падать в неё.

Горизонт событий — поверхность обычной звезды. У чёрной дыры это не твёрдая оболочка, а граница области, из которой невозможен выход сигнала наружу. Для проверки спросите себя, может ли пересёкший границу свет вернуться: за горизонтом событий — нет.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны закон всемирного тяготения, формулы массы и плотности, представления о давлении и энергии. Также важно знать условия протекания термоядерных реакций, поскольку именно они поддерживают звёзды и вызывают вспышки.

Тема опирается на эволюцию звёзд, ядерную физику, спектры и электромагнитное излучение. По спектру и характеру излучения астрономы определяют состав, температуру и движение вещества около компактных объектов.

Эти знания пригодятся при изучении космологии, гравитации, пульсаров и источников космического излучения. Они также объясняют, как наблюдают гравитационные волны и восстанавливают свойства невидимых объектов по их влиянию на окружение.

Что запомнить

• Нейтронная звезда образуется при коллапсе ядра массивной звезды.
• Нейтронные звёзды имеют малый радиус и чрезвычайно высокую плотность.
• Пульсар — быстро вращающаяся нейтронная звезда с периодически наблюдаемым излучением.
• Новая возникает из-за термоядерной вспышки вещества на поверхности белого карлика.
• Сверхновая — гораздо более мощное явление, способное полностью изменить или разрушить звезду.
• Чёрная дыра имеет горизонт событий, из-за которого свет не может покинуть её область.
• Чёрные дыры обнаруживают по движению и излучению окружающего вещества, а также по гравитационным волнам.