Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 181
Текст из файла (страница 181)
Существование нейтронных звезд было предсказано теоретически еще в 1938 г. Р. Оппенгеймером (1904 — 1967) и П Волковым. Однако из-за их ничтожной визуальной яркости нх обнаружение выходило далеко за пределы возможностей оптических телескопов, даже самых мощных (ожидаемая видимая звездная величина нейтронной звезды, находящейся даже на минимальном расстоянии — порядка 10 световых лет, составляла всего 27 ). Положение изменилось после второй мировой войны, когда для исследования неба стали применять радиотелескопы.
Начиная с 1964 г, на радиотелескопе Кембриджской лаборатории Кембриджского университета, возглавляемой Хьюип1ем, исследовались вариации радиоизлучения от дискретных космических источников. Летом 1967 г. аспирантка Хьюиша Жаклин Белл обратила внимание на один довольно необычный источник, посылающий, как выяснилось позднее, строго периодические радиоимпульсы. После этого в той же лаборатории, а позднее и в других лабораториях были открыты и исследованы аналогичные источники радиоизлучения, ) 1"л. ХН Некоторые вопросы аетро4иэики 708 которые были названы пульсарами. Периоды правильных пульсаций таких источников лежат в пределах 0,00154 до 3,75 с.
До 1982 г. самым быстрым пульсаром с периодом 0,033 с считался пульсар, находящийся в Крабовидной туманности (см. п.12). В 1982 г, был открыт пульсар с периодом 0,00154 с. Всего к концу 1987 г. было открыто 4 миллисекундных пульсара с периодами 0,00154; 0,003054; 0,0054; 0,006 с. У пульсаров, расстояние до которых известно, можно подсчитать мощность радиоизлучения. У пульсара Крабовидной туманности она достигает 10эе эрг/с, что примерно в 25 раз больше мощности излучения Солнца (3,83 . 10эа эрг/с).
Но есть н пульсары с мощностью излучения до 10аа эрг/с. Спустя короткое время пульсары были отождествлены с предсказанными теоретически быстро вращающимися нейтронными звездами. Быстрое вращение нейтронной звезды связано с тем, что в силу закона сохранения момента импульса величина 11~)Т должна сохраняться во времени. А так как из-за высокой проводимости плазменного вещества сохраняется и магнитный поток (см. т. Ш, 8 71), то не должна меняться во времени и величина Нее~. Поэтому нейтронная звезда должна быть сильно намагничена. Например, при образовании нейтронной звезды радиусом й = 10 км из обычной звезды (71 10е км) скорость вращения звезды и ее магнитное поле должны возрасти в 10|о раз.
Но напряженность магнитного поля в некоторых пульсарах может достигать и 10ш !'с. Существенно, что направления магнитного поля и оси вращения, вообще говоря, не совпадают. С этими особенностями и связано радиоизлучение нейтронной звезды. Действительно, при несовпадении направлений оси вращения нейтронной звезды и ее магнитного момента последний должен вращагься, т, е, меняться во времени. А изменяющийся магнитный диполь излучает электромагнитные волны (см.
т. !11, 8 141, задача 1). При этом излучение происходит преимущественно в направлении, перпендикулярном к магнитному моменту, и сосредоточено в пределах узкого конуса с углом раствора порядка 10'. Когда Земля попадает в пределы этого вращающегося конуса, обнаруживается максимум излучения. С этим и связан периодический импульсный характер излучения.
Благодаря потери энергии на излучение вращение нейтронной звезды непрерывно замедляется. Так, период пульсара, расположенного в Крабовидной туманности, регулярно увеличивается на 3,6 . 10 секунд в сутки, или на 4,2 10 'з секунд в секунду. У других пульсаров регулярное увеличение периода вращения заметно меньше. Но и у них относительное изменение периода вращения меньше чем 10 ы. Только самые лучшие кварцевые часы отличаются таким удивительным постоянством хода. Нейтронная звезда может быть источником и рентгеновского излучения.
Для этого вблизи нее должна находиться другая звезда, образующая вместе с ней двойную систему. Сплошное рентгеновское излучение возникает в результате аккреции, т. е. захвата вещества из другой звезды и его падения на нейтронную. Если масса нейтронной звезды з 102) Краткие сведения оо эволюции звезд 709 порядка солнечной, то при таком падении получается кинетическая энергия порядка 10~~ эрг на грамм захваченного вещества (100 МэВ на нуклон). Для объяснения наблюдаемой интенсивности рентгеновского излучения 1она того же порядка, что и интенсивность радиоизлучения) необходимо предположит»в что масса вещества, захватываемая нейтронной звездой в год, составляет около 10 " солнечных масс. По нескольким двойным системам оценена масса нейтронных звезд (М = (~,4-3)Мш).
Пульсар Крабовидной туманности является пока единственным пульсаром, от которого наблюдаются импульсы оптического излучения с периодом 0,033 с, г, е, с тем же периодом, что и импульсы рентгеновского излучения. Высокая интенсивность ультрафиолетовой части излучения указывает на то,что поверхность этой нейтронной звезды очень горяча. В спектре этой звезды отсутствуют какие бы то ни было спектральные линии как излучения, так и поглощения. 11.
Если на конечной стадии эволюции звезды ее масса окажется больше предельной (102.12), то нерелятивнстскнми формулами пользоваться уже нельзя. В частности, нельзя пользоваться формулой (102.9), полученной на основании ньютоновской теории тяготения. В этом случае рассмотрение всех вопросов возможно только в рамках оби1ей теории относительности.
Поэтому мы должны довольствоваться лишь сообщением некоторых результатов. Общая теория относительности приводит к выводу, что в рассматриваемом случае квантовомеханическое внутреннее давление вещества уже не в состоянии противостоять гравитационному давлению. Произойдет беспредельное катастрофическое сжатие звезды (гравитационный коллапс). Этот вывод не требует никаких предположений относительно конкретных свойств вещества (например, предположения, что вещество ведет себя как идеальный газ).
Для удаленного наблюдателя (т. е. наблюдателя, находящегося вне гравитационного поля звезды) радиус звезды асимптотически стремится к зак называемому гравитационному радиусу (102.13) с Гравитационный радиус Солнца равен 2,95 км, Земли -- 0,886 см. Сфера радиусом г, называется сферой!Пварцип льда (1873 — 1916), впервые получившего точное решение уравнений гравитации общей теории относительности для сферически-симметричного гравитационного поля.
При приближении радиуса звезды к грави гационному радиусу скорость сжатия для удаленного наблюдателя бесконечно замедляется, так что звезда «застывает» в своем развитии. Излучение звезды по мере приближения ее радиуса к гравитационному становится все более слабым. В пределе звезда полностью изолируется от внешнего наблюдателя 1«самозамыкается»).
Такая звезда называется черной дырой. Никакие сигналы (свет, нейтрино н любые часгнцы), посланные в пределах сферы Шварцшильда, не могут выйти наружу и достигнуть внешнего наблюдателя. По этой причине сфера Шварцшильда ) 1"л. ХН Некоторые вопросы астрофизики 710 называется горизонтом событий черной дыры. Впрочем, удаленный наблюдатель никогда не заметит, что тело, падающее на черную дыру, пересечет горизонт событий, так как по его часам для этого требуется бесконечное время. По часам свободно падающего наблюдателя изза замедления хода часов в гравитационном поле (см. т.
1У, з 109) это время, конечно, определяется временем свободного падения. Дело в том, что при приближении к сфере 1Иварцшильда гравитационное поле стремится к бесконечности, как это показывает общая теория относительности. Во внешнем пространстве наличие черной дыры проявляется в ее гравитационном поле, вращающем моменте и электрическом заряде, если сколлапсировав«иая звезда была заряжена. На расстояниях, очень больших по сравнению с радиусом сферы Шварцшнльда, гравитационное поле определяется законом всемирного тяготения Ньютона, а движение других тел, взаимодействующих с черной дырой, подчиняется законам ньютоновской механики.
Отмотим одну особенность вращающихсл черных дыр, которая может быть понята также на основе общей теории относительности. У вращающейся черной дыры вне горизонта существует область, называемая экэосферой, попав в которую вещестно вовлекается во вращение вокруг черной дыры, что замедляет вращение н приводит к потере вращательной энергии черной дыры. Это может произойти, например, тогда, когда тело, попавшее в экзосферу, распадается на две части, одна нз которых продолжает падать на черную дыру, а другая вылетает нз экзосферы в направлении вращения. При этом, конечно, сохраняется полный вращающий момент системы, состоящей из черной дыры и влетевшего тела, но может произойти перераспределение энергии между ними.
В результате часть энергии вращения черной дыры может быть унесена вылетевшей частью распавшегося тела. Но из-за квантовых эффектов потеря энергии происходит и у невращающихся черных дыр, на что обратил внимание Хоукинг в 1974 г. Не имея возможности остановиться на этом вопросе, заметим, что Хоукинг показал, что невращающаяся черная дыра массой Л4 излучает частицы (фотоны, нейтрино, гравитоны) с такой скоростью, как если бы она была черным телом, нагретым до температуры й е (102.14) Так, прн й4 = ЗМш эта формула дает Т - 2 10 з К. Таким образом, существует возможность уменьшения массы черной дыры путем «квантового испарения».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
