Neutrónová hviezda: definícia, vznik, vlastnosti a typy
Neutrónová hviezda – definícia, vznik a extrémne vlastnosti. Zistite typy (pulzary, magnetary, binárne), hustotu, magnetické a gravitačné pole a zaujímavosti.
Neutrónová hviezda je veľmi malá a hustá hviezda, ktorá je takmer celá zložená z neutrónov. Typické polomer takýchto objektov je približne 11–11,5 kilometra a hmotnosť môže byť až približne dvakrát väčšia ako hmotnosť Slnka. Neutrónové hviezdy sú teda najmenšie a najhustejšie známe hviezdy vo vesmíre a vznikajú ako pozostatok obrovskej hviezdy, ktorá vybuchla ako supernova.
Vznik a evolúcia
Neutrónová hviezda sa vytvorí pri kolapse jadra hmotnej hviezdy na konci jej života. Keď sa jadro vyčerpá z jadrového paliva, gravitačný kolaps vedie k explózii supernovy a k stlačeniu jadra do extrémne hustého stavu. Ak je pozostatkové jadro po výbuchu pod určitým prahom hmotnosti (nie príliš masívne), výsledkom je neutrónová hviezda; pri väčšej hmotnosti vznikne čierna diera. Po svojom zrodení neutrónová hviezda môže ďalej meniť rotačnú rýchlosť a magnetické pole interakciou s okolitým prostredím alebo v binárnych systémoch akreciou hmoty.
Vnútorná štruktúra
Neutrónové hviezdy majú viacvrstvovú štruktúru:
- Koróna a atmosféra: tenká vrstva plynov a žiarenia na povrchu, často pozorovateľná v röntgenovom alebo rádiovom pásme.
- Krusta: pevná kôra z ťažkých iónov a elektrónov, hrubá niekoľko kilometrov. V hlbšej časti kôry sa tvoria nezvyčajné „pasta“ štruktúry jadrového materiálu.
- Vnútorná kôra a jadro: v hĺbke narastá podiel voľných neutrónov (neutronové superfluidum) a supravodivých protónov; v strede môže byť hustota taká vysoká, že sa hovorí o možných exotických fázach (hyperóny, kondenzácia mezónov alebo dokonca dekonfinované kvarky). Presná fyzika jadra neutrónovej hviezdy (rovnica stavu) je stále predmetom výskumu.
Fyzikálne vlastnosti
Hustota hviezdy je porovnateľná s hustotou jadra atómu — priemerná hustota dosahuje hodnoty rádovo 10^14–10^15 g/cm³. Ak si chcete predstaviť, aká hustá je neutrónová hviezda, vezmite celú hmotnosť nášho Slnka (ktoré má priemer 1 392 000 km) a stlačte ju do veľkosti gule s priemerom približne 19 km. Inak povedané, jedna čajová lyžička materiálu z neutrónovej hviezdy by vážila radovo 6 miliárd ton.
Gravitačné pole na povrchu neutrónovej hviezdy je extrémne silné — asi 2×10^11-krát silnejšie ako na Zemi. To znamená, že relatívistické efekty (zakrivenie priestoru a času, gravitačné červenanie) sú pri pozorovaní povrchových javov veľmi dôležité.
Majú silné magnetické pole, obvykle v rozsahu približne 10^8 až 10^15-krát silnejšie ako pole Zeme. Najsilnejšie známe objekty tohto typu sa nazývajú magnetary a ich záblesky môžu uvoľniť obrovské množstvo energie v röntgenovom a gama pásme.
Neutrónové hviezdy sa otáčajú veľmi rýchlo — pozorované periódy rotácie sú od rádovo 0,001 sekundy až do desiatok sekúnd. Najrýchlejšie rotujúce sú tzv. milisekundové pulzary s periódami ~1–10 ms; ich vysokú rotačnú energiu možno často vysvetliť dlhodobou akreciou hmoty v binárnom systéme.
Teplota neutrónových hviezd po zrode je veľmi vysoká; povrchové teploty pozorovaných objektov sú zvyčajne okolo 600 000 K alebo viac. S časom však hviezda chladne vyžarovaním neutrín a elektromagnetického žiarenia — vnútorné ochladzovanie závisí na presnej vnútornej štruktúre a stave hmoty (napr. superfluidita ovplyvňuje rýchlosť chladenia).
Typy neutrónových hviezd a ich prejavy
- Pulzary: rotujúce neutrónové hviezdy vysielajú pravidelné lúče elektromagnetického žiarenia, ktoré pri rotácii spôsobujú pulzujúci signál v rádiu, röntgene či v gama žiarení. Pulzary sú veľmi presnými „kozmickými hodinami“.
- Magnetary: majú extrémne silné magnetické polia (až ~10^15 G) a prejavujú sa silnými röntgenovými a gama zábleskami, vrátane tzv. mäkkých gamma repeaterov (SGR) a anomálnych röntgenových pulzarov (AXP).
- Binárne systémy a akretujúce neutrónové hviezdy: pri akrécii z hviezdneho spoločníka vznikajú röntgenové zdroje, rentgenové pulzary a „mierne obnovované“ milisekundové pulzary.
- Merajúce systémy (merger): zrážky dvoch neutrónových hviezd produkujú gravitačné vlny a elektromagnetické prejavy — tzv. kilonovové — ktoré sú kľúčové pre pochopenie pôvodu ťažkých prvkov vytváraných r-procesom.
Pozorovanie a vedecký význam
Neutrónové hviezdy sú pozorované v rôznych spektrálnych pásmach: rádiové pulzary, röntgenové a gama záblesky, a tiež prostredníctvom gravitačných vĺn pri zrážkach (napr. GW170817). Merania ich hmotností a polomerov (napr. satelitom NICER či analýzou gravitačných vĺn) pomáhajú obmedziť rovnicu stavu hustej hmoty, t. j. fyzikálne vlastnosti hmoty pri extrémnych tlakoch. Pozorovania tiež poskytujú informácie o superfluidite, supravodivosti a možných exotických častiach jadra.
Prakticky: neutrónové hviezdy sú dôležité pre astrofyziku, jadrovú fyziku a testovanie gravitácie v silných poliach. Zrážky neutrónových hviezd sú zároveň hlavným kandidátom na zdroj ťažkých prvkov (zlato, platina) v Univerze.
Javy a anomálie
- Glitche: náhle zrýchlenia rotácie pulzarov, spojené s vnútornými procesmi v superfluidnom jadre alebo s interakciou medzi kôrou a vnútrom.
- Röntgenové záblesky a fláry magnetarov: krátke, energetické udalosti vydávajú obrovské množstvá žiarenia.
- Chladenie: časový vývoj teploty povrchu poskytuje stopu k vnútorným procesom (emitovanie neutrín, supravodivosť).
Záver
Neutrónové hviezdy sú extrémne objekty, ktoré predstavujú prirodzené laboratóriá pre štúdium hmoty pri hustotách a poliach, ktoré nemožno dosiahnuť na Zemi. Ich sledovanie v elektromagnetickom spektre aj pomocou gravitačných vĺn prináša nové poznatky o vzniku ťažkých prvkov, o vlastnostiach jadrovej hmoty a o správaní sa gravitácie v silných poliach.
Žiarenie z pulzaru PSR B1509-58, rýchlo rotujúcej neutrónovej hviezdy, spôsobuje, že blízky plyn žiari v röntgenovom žiarení (zlatá farba, z Chandry) a osvetľuje zvyšok hmloviny, ktorú tu vidíme v infračervenej oblasti (modrá a červená farba, z WISE)
Model, ktorý ukazuje, ako by vyzerala neutrónová hviezda zvnútra
História
V roku 1934 Walter Baade a Fritz Zwicky navrhli existenciu neutrónových hviezd, len rok po objavení neutrónu Jamesom Chadwickom.
Pri hľadaní pôvodu supernovy navrhli, že pri výbuchu supernovy sa obyčajné hviezdy menia na hviezdy, ktoré sa skladajú z extrémne husto uložených neutrónov, ktoré nazvali neutrónové hviezdy. Baade a Zwicky navrhli, že uvoľnenie gravitačnej väzbovej energie neutrónových hviezd poháňa supernovu: "V procese supernovy dochádza k anihilácii objemovej hmoty".
Predpokladalo sa, že neutrónové hviezdy sú príliš slabé na to, aby sa dali odhaliť. Až do novembra 1967, keď Franco Pacini (1939 - 2012) upozornil, že ak sa neutrónové hviezdy otáčajú a majú veľké magnetické polia, potom by mohli vyžarovať elektromagnetické vlny, sa na nich pracovalo len málo. Rádioastronóm Antony Hewish a jeho výskumný asistent Jocelyn Bell v Cambridge čoskoro zistili rádiové impulzy z hviezd, ktoré sú dnes známe ako pulzary.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je neutrónová hviezda?
Odpoveď: Neutrónová hviezda je veľmi malá a hustá hviezda, ktorá je takmer celá zložená z neutrónov. Jej polomer je približne 11 až 11,5 kilometra a hmotnosť je približne dvakrát väčšia ako hmotnosť Slnka.
Otázka: Aká hustá je neutrónová hviezda?
Odpoveď: Hustota hviezdy je ako hustota jadra atómu, pričom jej gravitačné pole na povrchu je 2x1011-krát silnejšie ako na Zemi. Pre predstavu, všetka hmota z nášho Slnka by sa dala stlačiť do gule s priemerom 19 kilometrov. Jedna čajová lyžička hmoty z neutrónovej hviezdy by vážila 6 miliárd ton.
Otázka: Ako rýchlo sa neutrónové hviezdy otáčajú?
Odpoveď: Neutrónové hviezdy sa točia veľmi rýchlo, od 0,001 sekundy do 30 sekúnd na otočenie.
Otázka: Aké typy existujú?
Odpoveď: Existujú rôzne typy, napríklad pulzary, magnetary a binárne pulzary, ktoré vyžarujú lúče elektromagnetického žiarenia alebo majú silné magnetické pole 108 až 1015-krát silnejšie ako na Zemi.
Otázka: Akú majú typickú teplotu?
Odpoveď: Neutrónové hviezdy, ktoré možno pozorovať, sú veľmi horúce a zvyčajne majú povrchovú teplotu približne 600 000 K (600 000 stupňov Kelvina).
Prehľadať