Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 62

Нейтронная звезда

Нейтронная звезда — состоит, преимущественно, из нейтронов, и значительно отличается от другого постзвёздного объекта, рассматривавшегося ранее, белого карлика: так, диаметр нейтронной звезды — примерно в 1 000 раз меньше, и составляет от 20 до 30 км (с увеличением массы — уменьшается; массы известных нейтронных звёзд — от около 1,35 до 2,01 масс Солнца, чаще (в среднем) — около 1,4 Солнечных масс) [103] [104] [105]. Основная причина столь значительного, по сравнению с белым карликом, уменьшения диаметра — в том, что длина волны де Бройля нейтрона — меньше, чем у электрона как раз на такой порядок величины (т. к. обратно пропорциональна массе нейтрона, которая, как известно, в 1 839 раз больше массы электрона).

Нейтроны — образуют вырожденный нейтронный «газ», поддерживающий гидростатическое равновесие нейтронной звезды. Нейтронный газ способен противостоять гравитационному сжатию объекта, при массах более высоких, чем у белого карлика. Из-за меньшей длины волны де Бройля нейтрона, центры частиц в этом газе — располагаются более плотно, чем в аналогичном газе из электронов. Плотность вырожденного нейтронного газа, и нейтронной звезды в целом — оказывается сравнима с ядерной (и примерно в 108 раз превосходит плотность белого карлика) [106] [107].

Нейтронная звезда (как впрочем, и белый карлик) — имеет слоистое внутреннее строение, в соответствии с градиентом плотности вещества, обусловленным гравитационным полем. (Этот градиент, как и ранее, разрушает более высокие уровни вещества, при движении вглубь звезды). Рассмотрим это подробнее:

У нейтронной звезды, достаточно остывшей после своего образования, наружный слой (под (тонкой) атмосферой [108]), представлен твёрдой корой, о существовании которой — свидетельствуют наблюдаемые скачкообразные изменения периодов вращения нейтронных звёзд (пульсаров), что может быть связано с явлением, аналогичным землетрясениям, и называемым «звездотрясениями», — которые могут возникать из-за накопления напряжений в коре, вследствие постепенного замедления вращения звезды вокруг своей оси [109].

Тонкая, наружная часть наружной коры нейтронной звезды, а также атмосфера — имеют строение, сходное с внутренним строением обычных звёзд, т. е. состоят из плазмы, где степень ионизации атомов — нарастает с глубиной [110]. Более глубокая часть наружной коры — имеет состав, характерный для вещества белого карлика, т. е. состоит из вырожденного электронного газа и атомных ядер [110] (такое же строение — характерно и для ядра многих обычных звёзд).

С увеличением глубины, атомные ядра в коре нейтронной звезды — становятся всё более нейтроноизбыточными (хотя в условиях, имеющейся тут, достаточно высокой плотности вещества, и соответствующего давления — стабильны). В понимании состояния вещества в этой области — в значительной мере помогает получение (и изучение) нейтронизбыточных ядер в ускорителях. Наглядное же строение ряда нейтронизбыточных ядер — уже рассматривалось ранее.

На определённой глубине, кора нейтронной звезды заканчивается, — когда атомные ядра исчезают, и остаются только несвязанные нейтроны = вырожденный нейтронный «газ», составляющий большую часть нейтронной звезды.

О строении более глубоких, самых внутренних областей нейтронной звезды, в современности, однозначные (общепринятые) представления — отсутствуют. Это — один из примеров объекта, расположенного на границе окружающего Мира, поэтому рассмотрение строения центральных областей нейтронной звезды — оказывается вероятностным, т. е. предполагает ряд возможностей:

Так, например, предполагается возможность существования в центре нейтронной звезды, т. н. кварк-глюонной плазмы [111] (состоящей из u-, d- и s-кварков [112]). Кварк-глюонная плазма — считается полученной (в 2003 году), в экспериментах на ускорителе заряженных частиц [113]. Сущность кварк-глюонной плазмы — может представляться, упрощённо, следующей: элементарные частицы в ней сближены настолько, что расстояния между эпицентрами кварков, у соседних элементарных частиц — оказываются сравнимы с расстояниями между кварками в самих (сложных) элементарных частицах. В результате, кварк начинает принадлежать и соседним частицам, и т. о. кварк-глюонной плазме, и может отдаляться от другого кварка. Нечто подобное происходит, когда молекула с ионной связью, в растворе — разделяется на ионы, которые могут отдаляться друг от друга на любые расстояния, в пределах раствора. Но при испарении раствора, ионы вновь соединяются, образуя молекулы: так и при «испарении» кварк-глюонной плазмы, остаются только элементарные частицы, без свободных кварков (и без связывавших их, свободных, в пределах кварк-глюонной плазмы, глюонов, игравших роль «растворителя»).

В состоянии кварк-глюонной плазмы — велико содержание s-кварков (т. н. странных кварков), т. е. наиболее лёгких кварков второго поколения. Для наглядного представления об образовании s-кварков, вспомним пример со сближением двух солитонов-дислокаций в обычном кристалле, в ходе которого, солитон с двойной массой не образовывался. При дальнейшем сближении солитонов, т. е. затрате дополнительной энергии, могут рождаться пары дислокация-антидислокация, в т. ч. второго порядка (теоретическое предсказание, требует экспериментального подтверждения). В некоторой аналогии, при концентрации энергии (температуре и / или плотности), характерной для кварк-глюонной плазмы, рождаются пары частиц второго поколения, т. е. пары s- и анти-s-кварка.

Вообще, кварк-глюонная плазма предполагается основой строения не только самых внутренних областей нейтронной звезды, но и главным компонентом в строении гипотетических объектов, т. н. кварковых звёзд, которые занимали бы промежуточное положение между нейтронными звёздами и чёрными дырами.

Но вернёмся к нейтронной звезде: В целом, нейтронная звезда, по уровню вещества — аналогична атомному ядру, т. к. состоит, преимущественно, напрямую из элементарных частиц (нейтронов), как и ядро. Не случайно, что средняя плотность нейтронной звезды — схожа с ядерной (1017 кг/м3 [107] (для атомного ядра — 2,3×1017 кг/м3 [114])). В то же время, нейтронная звезда и атомное ядро — разные объекты, т. к. различаются по ряду свойств (по размеру, возможности звездотрясений, доминирующим силам (гравитационное взаимодействие, для нейтронной звезды, либо мезонное, для ядра атома), и т. п.). В целом, нейтронную звезду — удобно считать объектом уровня вещества планет и звёзд, в котором пропущены уровни от атомов (включительно) и выше (в пренебрежении наличием коры и атмосферы, — составляющих весьма малую долю от массы объекта).

В другом постзвёздном объекте, белом карлике, доминирующий уровень вещества — расположен на уровень выше, чем в нейтронных звёздах: это — уровень атомов, т. е. весь белый карлик, по уровню вещества — примерно соответствует одному большому атому. Это — можно увидеть из того, что атомные ядра в белом карлике — полностью ионизированы, а вырожденный электронный газ — принадлежит всем ядрам одновременно, и электроны в нём, обладая различными (не одинаковыми, благодаря принципу запрета Паули) импульсами, располагаются (в постоянном движении) наиболее выгодным образом, по отношению друг к другу (подобно тому как и в электронной оболочке атома).

Так же как нейтронная звезда отличается от атомного ядра, по ряду свойств, белый карлик — тоже отличается от атома (по размеру, многоядерности, доминирующим силам, и т. п.). В целом, белый карлик — тоже удобно считать объектом, принадлежащим уровню вещества планет и звёзд, но с уровнями вещества, которые заканчиваются на уровне атомов, включительно (опять же в пренебрежении наружными слоями, составляющими лишь малую долю от массы объекта).

Чёрная дыра

Если расположить постзвёздные объекты, согласно уровням вещества, слагающим их, — получим следующую последовательность: белый карлик — соответствует атому, нейтронная звезда — атомному ядру, а чёрная дыра, в продолжение последовательности — должна т. о. соответствовать элементарной частице.