2. Нейтронные звёзды, новые и сверхновые, чёрные дыры

Определения и обозначения

Нейтронная звезда — очень плотный остаток звезды, возникший после её гравитационного сжатия. Давление внутри настолько велико, что протоны и электроны превращаются в нейтроны, поэтому именно они преобладают в веществе. Это понятие нужно, чтобы описывать один из возможных итогов жизни массивной звезды.

Новая звезда — резкое увеличение яркости звезды из-за вспышки вещества на её поверхности. Обычно сама звезда при этом не разрушается и позднее возвращается к прежней яркости. Термин обозначает наблюдаемое явление, а не появление новой звезды из ничего.

Сверхновая звезда — мощная вспышка, сопровождающая гибель звезды или некоторые другие космические процессы. На короткое время такая вспышка может сделать объект ярче целой галактики. Определение помогает отличать катастрофический взрыв от обычной вспышки новой.

Чёрная дыра — область пространства, из которой не может выйти даже свет. Такое происходит из-за чрезвычайно сильного притяжения, возникающего при сжатии большой массы в малом объёме. Понятие описывает не пустоту, а область с особенными свойствами пространства и гравитации.

Как это устроено

Звезда излучает энергию благодаря реакциям в её недрах и постепенно расходует запасы топлива. Энергия создаёт давление, поддерживающее вещество против действия гравитации, которая стремится сжать звезду. Когда источник энергии ослабевает, равновесие нарушается: давление уже не удерживает внешние слои, и звезда начинает сжиматься.

У массивной звезды сжатие ядра может стать стремительным коллапсом. Внешние слои падают внутрь, сталкиваются с плотным ядром и выбрасываются в пространство, вызывая вспышку сверхновой. Если после взрыва ядро достаточно лёгкое, его сжатие останавливается и остаётся нейтронная звезда, а при большей массе оно может продолжиться до образования чёрной дыры.

При коллапсе вещество оказывается в объёме, во много раз меньшем прежнего. Электроны сближаются с протонами, и под огромным давлением происходит их превращение в нейтроны. Поэтому нейтронная звезда имеет малый размер, но массу, сравнимую с массой звезды, а её плотность становится чрезвычайной.

Вспышка новой возникает, когда на поверхности звезды резко выделяется энергия, например при воспламенении накопившегося вещества. Вещество выбрасывается, но основная звезда сохраняется, поэтому процесс может повторяться. Сверхновая связана с гораздо более глубоким и мощным изменением: звезда или её ядро разрушается, а в пространство выбрасывается значительная часть вещества.

Если остаток звезды сжимается достаточно сильно, масса концентрируется в очень малой области. Гравитация становится такой, что необходимая для выхода скорость превышает скорость света. Граница, за которую уже не может вернуться никакой сигнал, называется горизонтом событий; наблюдатель снаружи не получает сведений о событиях внутри него.

Сравнение космических объектов и явлений

Сначала определите, описывается ли краткая вспышка или гибель звезды. Затем сравните результат с последствием коллапса: плотный остаток означает нейтронную звезду, а продолжение сжатия — чёрную дыру.

Разбор задач

Задача 1

Упорядочим по возрастанию плотности обычную звезду, нейтронную звезду и чёрную дыру. Нужно связать плотность с уменьшением размеров при сохранении большой массы. Учитываем, что чёрная дыра образуется при наиболее сильном сжатии.

1. Обычная звезда имеет большие размеры, поэтому её вещество распределено в огромном объёме.
2. Нейтронная звезда намного меньше обычной, а её масса остаётся очень большой, значит, плотность резко возрастает.
3. Чёрная дыра связана с ещё более сильной концентрацией массы в малой области.

Ответ: обычная звезда → нейтронная звезда → чёрная дыра.

Задача 2

Звезда резко стала ярче, но после вспышки сохранилась. Требуется определить явление по его последствию для звезды. Сохранение звезды указывает, что катастрофического разрушения не произошло.

1. При новой звезде происходит вспышка вещества на поверхности.
2. При сверхновой взрыв обычно сопровождает гибель звезды или разрушение её ядра.
3. Так как исходная звезда сохранилась, выбираем первый вариант.

Ответ: вероятнее всего, произошла вспышка новой звезды.

Задача 3

Массивная звезда исчерпала топливо и начала сжиматься. Нужно построить цепочку событий и объяснить два возможных исхода. Решение зависит не от самого факта вспышки, а от массы оставшегося ядра.

1. Ослабевает давление, поддерживавшее звезду, и начинается коллапс ядра.
2. Падение внешних слоёв и их выброс сопровождаются вспышкой сверхновой.
3. При меньшей массе остаток стабилизируется как нейтронная звезда, а при большей сжатие продолжается и образуется чёрная дыра.

Ответ: возможна цепочка «расход топлива → коллапс → сверхновая → нейтронная звезда или чёрная дыра».

Типичные ошибки

Новая и сверхновая — одно явление. Их названия похожи, поэтому легко не заметить разницу. Проверьте себя по последствию: после новой звезда обычно остаётся, а сверхновая может означать её гибель.

Нейтронная звезда состоит только из нейтронов. Название подчёркивает преобладание нейтронов, но внутреннее устройство объекта сложнее. Если утверждение звучит как «в ней нет других частиц», оно слишком категорично.

Чёрная дыра — пустая дыра в пространстве. Такое представление возникает из-за самого названия, однако это область с большой концентрацией массы и сильным притяжением. Проверяйте объяснение по наличию горизонта событий и гравитации.

Любая звезда после вспышки становится чёрной дырой. Ошибка появляется, если не учитывать массу остатка. Сравните возможные исходы: при подходящих условиях образуется нейтронная звезда, а чёрная дыра возникает только при продолжении коллапса.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о том, что звёзды излучают энергию, а гравитация притягивает их вещество и может сжимать звезду.

Тема связана с законом всемирного тяготения, скоростью света и строением вещества: эти идеи объясняют коллапс, плотность и невозможность выхода света.

Знания о звёздной эволюции и чёрных дырах пригодятся при изучении галактик и наблюдений Вселенной, поскольку по излучению и движению вещества учёные исследуют далёкие объекты.

Что запомнить

• Нейтронная звезда — компактный и чрезвычайно плотный остаток звезды.
• Новая звезда вспыхивает, но обычно не уничтожается.
• Сверхновая связана с чрезвычайно мощным взрывным процессом.
• После гибели массивной звезды может остаться нейтронная звезда или чёрная дыра.
• Чёрная дыра не выпускает свет из области за горизонтом событий.
• Не всякая звёздная вспышка приводит к образованию чёрной дыры.