Хван М.П. Неистовая Вселенная: От Большого взрыва до ускоренного расширения, от кварков до суперструн
Подождите немного. Документ загружается.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
231
231
В след за н и м и в очень короткое врем я бы ло откры то несколько десятков
пульсаров, п ери оды некоторы х и з них бы ли ещ е короче. Т ак, п ери од п ульсара,
обнаруж енн ого в 1968 г. в ц ентре К рабовидн ой тум ан н ости, составляла 0,033 с.
С ейчас и звестн о около 400 п ульсаров. П одавляю щ ее и х больш и н ство — до 90 % —
им еет п ери оды в пределах от 0,3 до 3 с, так что ти п и чн ы м периодом п ульсаров
м ож н о счи тать п ериод в 1 с.
Н о особенн о и н тересн ы п ульсары -рекордсм ен ы , п ери од которы х м ен ьш е
ти п и чн ого. Р екорд п ульсара К рабови дн ой тум ан н ости прод ерж ался почти полтора
десятилети я. В кон ц е 1982 г. в созвезди и Л иси чки бы л обнаруж ен пульсар с
пери одом 0,00155 с, т. е. 1,55 м с. В ращ ен и е с таким поразительно коротким
пери одом означает 642 об/с.
О чен ь короткие пери оды п ульсаров послуж и ли первы м и сам ы м вески м
аргум ентом в п ользу ин терпретации эти х объектов как вращ аю щ ихся нейтронны х
звезд.
Звезда со столь бы стры м вращ ением долж н а бы ть исклю чи тельно плот ной.
Д ей ствительно, сам о ее сущ ествован и е возм ож н о ли ш ь п ри условии, что
цен тробеж ны е силы , связанн ы е с вращ ен и ем , м ен ьш е сил тяготен и я, связы ваю щ их
вещ ество звезды . Ц ен тробеж ны е силы не м огут разорвать звезду, если ц ентробеж н ое
ускорени е на экваторе Ω
2
R м еньш е ускорен и я си лы тяж ести QM/R
2
. Здесь М , R —
м асса и радиус звезды , Ω — угловая частота ее вращ ен и я, Q — грави таци он н ая
постоянная.
Д о пульсаров белы е карли ки бы ли сам ы м и п лотн ы м и из наблю давш и хся до
этого звезд: белы е карли ки предсказаны С . Ч ан драсекаром в начале 30 -х гг., а
откры ты через 30 лет, в 1962 г. П лотн ость ядерной м атери и — трилли он тон н , т. е.
ты сяча м и ллиардов тонн/см
3
. С толь ком пактно сж аты м и до такой вы сокой степен и
м огут бы ть ли ш ь ней трон ны е звезды : их плотность дей ствительн о близка к ядерной .
Э то вы вод, подтверж даю щ и й ся всей и стори ей и зучен и я пульсаров.
Н о каково п роисхож дени е бы строго вращ ен и я ней трон н ы х звезд — п ульсаров?
С олнце, н ап ри м ер, вращ ается вокруг своей оси с п ери одом около одного м есяца.
К огда звезда сж и м ается, ее вращ ен и е убы стряется. С н ей происходи т то ж е, что с
тан ц ором -ф и гури стом на льду: п ри ж и м ая к себе руки , танцор -ф и гури ст ускоряет
свое вращ ен и е.
Здесь дей ствует один и з основн ы х законов м ехан и ки — закон сохранени я
м ом ента им п ульса (и ли м ом ента коли чества дви ж ения). И з него следует, что при
изм ен ени и разм еров вращ аю щ егося т ела и зм еняется и скорост ь его вращ ения. Н о
остается неи зм енн ы м п роизведен и е MΩ R
2
— м ом ен т им п ульса. О тсю да следует, что
при и зм енени и разм еров вращ аю щ егося тела и зм еняется и скорость его вращ ения; н о
остается неизм ен н ы м п рои зведен и е MΩ R
2
(которое — м ом ен т им пульса). В этом
произведении Ω — частота вращ ения тела, Μ — его м асса, R — разм ер тела в
нап равлени и п ерп ендикулярн ом оси вращ ени я, которы й в случае сф ери ческой звезды
совп адает с ее ради усом . П ри неи зм енн ой м ассе остается постоянны м п рои зведени е
Ω R
2
, значи т, с ум ен ьш ен и ем разм ера тела частота его вращ ен и я возрастает по закон у
Ω ~ R
-2
.
Н ейтрон н ая звезда образуется путем сж ати я центральн ой области ядра звезды ,
исчерп авш ей зап асы ядерн ого топ ли ва. Я дро успевает ещ е предвари тельн о сж аться
до разм ера белого карли ка R ≈ 10
7
м . Д альнейш ее сж атие до разм ера н ей тронн ой
звезды R ≈ 10
4
м (т. е. 10 км ) означает ум еньш ен и е радиуса в ты сячу раз. (Р азм ер
белого карлика равен 10 000 км , а разм ер ней трон н ой звезды в ты сячу раз м ен ьш е
разм ера белого карли ка = 10 км . П лотность белого карлика 10
9
кг/м
3
, т. е. 1 000
тон н /см
3
, а п лотность пульсара 10
18
кг/м
3
, т. е. трилли он тон н /см
3
.)
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
232
232
С оответствен н о в м и ллион ы раз долж на возрасти частота вращ ения и во столько
ж е раз долж ен ум ен ьш иться его п ери од. Звезда соверш ает один оборот вокруг своей
оси за три секунды . Б олее бы строе вращ ен и е дает и ещ е более короткие периоды .
С ж атие ум еньш ает разм ер тела:
1) п ри ум еньш ени и разм ера увели чи вается плотность вещ ества;
2) ум еньш ен и е разм ера и увели чен и е плотн ости вещ ества связан ы с увеличени ем
скорости вращ ен и я;
3) частота вращ ен и я связана с п ери одо м и злучени я им п ульса; с возрастани ем
частоты вращ ени я ум ен ьш ается п ериод излучени я им п ульса.
П ри постоянной м ассе сж ат ие ум еньш ает разм ер тела, а с ум еньш ением
разм ера тела связан о увеличен и е плот ност и вещ ества: с ум еньш ени ем разм ера тела
и увели чен и ем плотн ости вещ ества увели чивается скорост ь вращ ен и я. С
увеличен и ем скорости вращ ени я увеличивается част от а вращ ения Ω . А с
увеличен и ем частоты вращ ени я ум ен ьш ается период излучен и я им пульса.
Н о и радиоп ульсары , и рен тгеновски е п ульсары отличаю тся от барстеров в
одном п ри н ц и п и альном отн ош ении: они обладаю т очен ь си льны м и м агн и тны м и
полям и. И м ен н о м агн и тны е п оля — вм есте с бы стротой вращ ения — и создаю т
эф ф ект п ульсац и и , хотя и действую т эти п оля по -разн ом у в ради оп ульсарах и
рен тген овских пульсарах.
б. Р ен тген ов ск и е п ул ь сар ы
Н ейтрон н ы е звезды рентгеновски х п ульсаров в подавляю щ ем больш ин стве
случаев — это двой н ы е звездн ы е си стем ы , в которы х одна звезда является
ней трон н ой , а другая — обы чн ая ви ди м ая звезда-ком п аньон . В двойной звездн ой
си стем е ком п аньоном н ейтрон н ой звезды рен тгеновских п ульсаров является яркая
звезда-гиган т (10-20 M
⊙
). В этом состои т отли чи тельная особенность рен тгеновских
пульсаров от ней трон н ы х звезд-барстеров, ком п аньон ом которы х являю тся слабы е
звезды -карли ки с м ассой , равн ой M
⊙
или ж е половине M
⊙
О дн ако м еж ду барстерам и и рен тгеновским и пульсарам и им еется м ного
сущ ествен н ого общ его: барстерам и рен тгеновским пульсарам п рисущ а аккрец и я как
захват грави таци он н ы м п олем вещ ества.
В двойной систем е яркая звезда-ком пан ьон п ереполняет свою пол ость Р ош а, так
назы ваем ую зон у влияни я, где си лы тяготен и я звезды -ком пан ьона си льнее сил
тяготени я н ей трон н ой звезды рентген овского пульсара, и вещ ество ком п аньона
попадает в зону вли ян и я рен тгеновского пульсара, где силы тяготени я н ейтрон н ой
звезды -п ульсара захваты ваю т аккрецируем ы й поток вещ ества и ускоряю т дви ж ен и е
этого потока в н ап равлении к поверхности н ей трон н ой звезды -п ульсара.
И так, в двойн ой си стем е сам аккреци руем ы й п оток вещ ества подвергается
двойном у вли ян и ю : во-п ервы х, м ощ ны х си л тяготени я н ей трон н ой звезды
рен тген овского пульсара; во-вторы х, рен тгеновские п ульсары обладаю т н а своей
поверхности сильны м м агнитн ы м п олем , си ловы е лин и и которого прони зы ваю т всю
м ассу вещ ества, сущ ествую щ его на и х поверхности .
Э то си льное м агни тное п оле, образованн о е в п роц ессе превращ ен и я обы чной
звезды в н ейтрон н ую звезду под сильн ейш им гравитационны м сж ати ем , п о своей
м ощ н ости п ревосходи т в 10
12
и 10
13
раз среднее м агн и тное п оле н аш его С олнц а.
Т еперь м ы м ож ем п редстави ть, насколько справедливы слова А . Д . К ирж н и ц а
(талант-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
233
233
ливейш его ф и зи ка-теорети ка и астроф изи ка, безврем енн о уш едш его) о том , что к
экстрем альны м астроф изическим условиям следует, кром е вы соких давлени й и
вы соких тем ператур, добавить и си льное м агн и тное п оле, которое п о своей си ле
превосходи т в м илли арды и трилли он ы раз средн ее м агн и тное п оле С олнц а.
Н ейтрон н ы е звезды -пульсары (как рентген овские, так и ради опульсары )
обладаю т очен ь м ощ н ы м и и сильны м и м агн и тны м и п олям и на и х поверхности ,
си ловы е ли н и и которы х пронизы ваю т всю м ассу вещ ества п ульсаров.
А ккрец и руем ое вещ ество яркой звезды -ги ганта перетекает к нейтрон н ой звезде
рен тген овских п ульсаров в ви де струи и ли звездного ветра, т. е. части ц плазм ы ,
ионизированн ого газа: п од дей стви ем м ощ н ы х си л тяготени я пульсара и его си льного
м агнитн ого поля иони зи рован н ы й газ в своем ускорен н ом дви ж ен и и релятивистски х
части ц падает на п оверхн ость рентген овских пульсаров, где, сталки ваясь с си льны м
м агнитн ы м полем , вступ ает с н и м во взаи м одей стви е, результатом чего является
нагрев п оверхн ости н ейтрон н ой звезды рен тгеновских пульсаров. «К ак всякое
нагретое тело», и злучает электром агн и тны е волны в разли чны х ди ап азон ах от
м етрового радиоди ап азон а до гам м а-ди апазон а (гам м а-ф отон ов).
С ледовательно, и сточн и ком рен тген овских п ульсаров является нагрев (разогрев,
раскаленн ость) п оверхн ости н ейтрон н ой звезды рен тген овских пульсаров в
результате взаи м одей ствия аккреци рую щ его вещ ества с сильн ы м м агн и тны м полем
(как отм ечает А . Д . Ч ернин, доктор ф и зико -м атем ати чески х наук).
Значит, и сточн и ком рен тгеновского и злучени я п ульсар ов являю тся тепловы е
процессы . П оэтом у рентген овское и злучен и е пульсаров и м еет тепловой,
черн отельны й характер, в отли чи е от ради оп ульсаров.
У н екоторы х из рен тген овских п ульсаров вещ ество перетекает к н ейтрон н ой
звезде в струе (как в барстерах).
Р и с. 2.9
В ещ ество вн еш н и х слоев звезды -ком п аньона п ереполняет полость Р ош а этой
звезды , и часть его в виде струи перетекает к н ейтронной звезде. Б ольш и е стрелки
указы ваю т н аправлени е движ ения звезд вокруг их общ его центра м асс.
В больш ин стве случаев звезда-гиган т теряет вещ ество в ви де звездного вет ра —
исходящ его от ее поверхности п о все стороны п отока плазм ы , и онизированн ого газа.
Ч асть плазм ы звездн ого ветра п оп адает в окрестн ость ней трон н ой звезды в зон у
преобладани я ее тяготен и я, т. е. в полость Р ош а ней трон н ой звезды , где и
захваты вается ее п олем тяготения.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
234
234
Р и с. 2.10. Зв ездн ы й в етер ак к р ец и и в р ен тген ов ск ом п ул ь сар е
А ккрец и руем ое вещ ество сильны м п олем тяготени я звезды перетекает от
обы чн ой звезды -ком п аньона к поверхности н ей трон н ой звезды рен тген овски х
пульсаров в ви де:
1) струи вещ ества;
2) звездного ветра — части ц ы п лазм ы , ион и зи рован н ого газа.
П ри аккрец и и п оток аккрец и руем ого вещ ества находи тся п од воздей стви ем :
1) си лы тяготени я н ейтрон н ой звезды , когда звезда-ком пан ьон п ереполняет свою
полость Р ош а и поп адает в окрестн ость си л тяготени я ней трон н ой звезды , т. е. ее
полость Р ош а, где вещ ество захваты вается сильны м п олем тяготен и я н ейтрон н ой
звезды -п ульсара;
2) аккрец и руем ы й поток вещ ества, распространяю щ ий ся сф ери чески -си м м етри чн о,
под воздействием сильн ого м агн и тного поля пульсара стан овится н ап равленны м ,
т. е. аси м м етри чн ы м , к поверхности п ульсара.
П ревращ ен и е обы чн ой звезды с м ассой н е более 3 M
⊙
в ней трон н ую звезду
связан о н е только с образован и ем сверхплотн ого вещ ества, н о и резки м увели чени ем
м агнитн ого п оля: м агнитное поле станови тся чудовищ но си льны м , в 10
12
— 10
13
раз
больш е среднего м агнитн ого п оля С олнц а. С ледовательно, при катастроф ическом
ум ен ьш ени и геом етри чески х разм еров дан н ой м ассы стан ови тся н е только
сверхп лотн ой эта м асса, н о и сила м агн и тного поля, си ловы е ли н и и которого
прони зы ваю т всю м ассу вещ ества, такж е становится сверхсильной . В этом состои т
идея Д . А . К и рж ни ц а о том , что сильн ое м агнитн ое поле (под сильны м м агн и тны м
полем м ы пони м аем си лу, которая превы ш ает м агнитное п оле С олн ц а в трил лион ы
раз) является си льнейш им экстрем альны м услови ем образовани я экстрем альны х
свой ств вещ ества.
О бразован и е сверхплотн ого вещ ества н ейтрон н ой звезды и сильн ого ее
м агнитн ого поля является результатом сильного гравитаци он н ого сж атия: при
сж ати и , следовательно, происходи т катастроф ическое ум ен ьш ени е геом етрически х
разм еров м ассы вещ ества.
В ещ ество, аккрец и руем ое нейтрон н ой звездой , — это звездны й ветер. О но
ионизировано, и поэтом у он о взаи м одей ствует п ри своем движ ен и и с ее м агн и тны м
полем , в результате чего происходи т нагрев п оверхн ости н ейтрон н ой звезды : как
всякое нагретое тело он а излучает электром агн и тны е волн ы , в частности ,
рен тген овские лучи .
С ледовательно, и сточн и ком рен тген овского излучени я н ейтрон н ой звезды -
пульсара являю тся тепловы е проц ессы , прои сходящ и е на п оверхн ости нейтронной
звезды , в результате нагрева аккрец и он н ого п отока вещ ества при его взаим одействии
с си льны м м агн и тны м п олем .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
235
235
И так, и сточн иком рен тген овского и злучени я н ейтрон н ой звезды -пульсара, как и
ней трон н ой звезды -барстера, является черн отельное излучен и е, тепловы е п роцессы ,
нагреваю щ и е и разогреваю щ ие п оверхн ость нейтронной звезды -пульсара:
рен тген овское излучен и е п ульсара и м еет теп ловой, черн отельн ы й характер. В этом
его отли чи е от излучени я радиоп ульсара, обладаю щ его «н етепл овы м »,
«нечернотельны м » характером , как отм ечает А . Д . Ч ерни н в своей кни ге «Звезды и
ф и зи ка» (А . Д . Ч ерн и н — один и з ведущ их астроф изиков-теорети ков в Г А И Ш при
М Г У ).
Т аки м образом , сила катастроф и ческого грави таци он н ого сж ати я (т. е. коллапс),
вы зы ваю щ ая сверхсильны е давлени я, сверхвы сокие тем пературы и сверхси льн ое
м агнитн ое п оле, т. е. экстрем альны е астроф и зические услови я, катастроф ически
изм ен яет триаду м атерии , п ространства и врем ени : вещ ество п од сверхвы соки м
давлени ем стан ови тся сверхплотн ы м , плотн о сть которого равна три ллиону тонн в
одном кубическом сан ти м етре, а м ногом илли он ы й геом етри чески й разм ер звезды
катастроф ически сокращ ается и ум еньш ается до 10 км . В се эти удивительны е и
парадоксальны е процессы осущ ествляю тся при сверхвы соких тем п ературах, п ри
которы х все ком плексы , составляю щ и е вещ ество звезды — м олекулы , атом ы , ядра,
— м гн овенн о разруш аю тся и распадаю тся на частиц ы — нейтрон ы , образую щ и е
сверхп лотн ое вы рож денн ое н ейтронн ое вещ ество в ж и дкой сф ере,
противодей ствую щ ее и останавливаю щ ее п роцесс дальнейш его грави тац и он н ого
сж ати я (т. е. коллапса).
А на поверхн ости п ульсара разы гры ваю тся драм ати чески е взаи м одей стви я
м еж ду м агни тосф ерой и заряж ен н ы м и электрон ам и , посы лаю щ ие нам рен тген овское
излучени е (т. е. рен тген овские лучи): рен тген овское изл учен и е — следстви е
раскален н ости поверхности пульсара в результате эти х драм ати чески х
взаи м одействий м еж ду сверхм ощ н ой си лой м агни тосф еры и заряж енн ы м и части ц ам и
— электронам и , вы рванн ы м и из слоев атом арной м атерии пульсара — н ейтрон н ой
звезды .
И так, сж ати е есть основн ое ф ундам ен тальное экстрем альн ое астроф и зи ческое
условие, оп ределяю щ ее вы сокие давлени я, вы сокие тем пературы и сильн ое
м агнитн ое поле, которы е «сж и м аю т» м ассу вещ ества до п лотности н ейтрон н ой
звезды ρ = 10
18
кг/м
3
(и ли 10
12
т/см
3
). П оэтом у с ум еньш ением (т. е. экстрем альны м
ум ен ьш ени ем ) геом етри ческих разм еров м ассы вещ ества обы чн ой звезды (ради ус
С олнца — 10
9
м , т. е. 1 м лн км ) до разм еров ней трон н ой звезды — 10 км —
происходят следую щ ие экстрем альны е свой ства вещ ества:
1) сверхп лотн ое вещ ество в ней трон н ы х звездах — 10
18
кг/м
3
;
2) сверхвы сокие давлени я и сверхвы сокие тем пературы ;
3) сверхсильное м агнитн ое п оле, си ловы е лин и и м агн и тной и н дукц и и которого
прони зы ваю т всю м ассу вещ ества нейтрон н ой звезды .
Звезды с м ассой, в 10, 20 или 30 раз больш е M
⊙
, долж ны обладать больш и м и
геом етри чески м и разм ерам и , радиус которы х м ож ет бы ть равен н ескольки м
м и ллион ам килом етров. Т огда при превращ ени и этих обы чн ы х звезд в ней трон н ы е
звезды ум ен ьш ение и х разм еров будет соответствовать их катастроф ическом у
сокращ ен и ю в м иллион ы , десятки или сотн и м илли он ов раз.
Т аки м образом , сж ати е как сила грави тац и онного притяж ен и я приводит п реж де
всего к катастроф и ческом у ум ен ьш ени ю (и сокращ ен и ю ) геом етри чески х разм еров
м ассы вещ ества звезды : п рои сходи т ум ен ьш ени е геом етрии п ростран ств а звезды и
соответствен н о образование экстрем ального состояния сверхп лотного вещ ества
ней трон н ой звезды .
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
236
236
К ак бы л прав А . Э йнш тейн: грави тация как универсальн ая си ла п рон и зы вает
сущ ее н е только как м атери ю (вещ ество), н о и п ростран ство, и врем я, и их свой ства
(геом етри я и длительность): от п рон и зы вани я гравитац и ей всего сущ его н е м ож ет
защ ити ть н и что, т. е. н и какая нам и звестная и ли неизвестн ая си ла. Г рави тация
является всепрони зы ваю щ ей универсальной и всеобщ ей силой .
О т други х си л взаим одей ствий — СВ, Э М В и С Л В — в кон ечн ом счете м ож н о
най ти сп особ защ иты , строя, н ап ри м ер, толстую сви н ц овую п ерегородку в м и ллион ы
ки лом етров. Н о от грави тац и и нет защ иты и невозм ож ен какой бы то н и бы ло способ
защ иты .
в . Р ади оп ул ьсар ы
Р адиопульсары отли чаю тся от рентген о вских пульсаров тем , что они оди н окие:
ради оп ульсары в больш и н стве случаев не сущ ествую т и н е н аходятся в двой н ой
звездн ой систем е. В этом см ы сле радиоп ульсары — оди н очн ы е н ей трон н ы е звезды .
П оэтом у ф и зика рен тген овских пульсаров и ради оп ульсаров долж н а бы ть различн ой .
П реж де всего ради оп ульсарам н есвойственна аккрец и я, т. е. перетекан и е вещ ества от
обы чн ой звезды -ком пан ьона к нейтрон н ой звезде радиоп ульсара.
П реж де чем ф и лософ ски ан али зи ровать ради оп ульсары , необходим о ещ е раз
верн уться к строен и ю и структуре ней трон ной звезды , ибо только глубокое и ясное
представлен ие о строен и и и структуре ее даст нам возм ож ность п он ять и объясни ть
те ф и зически е п роц ессы и явлени я, которы е нам и н аблю даю тся в экспери м енте.
П реж де всего м ы н аблю даем ради ои злучени е в разли чн ы х ди ап азонах, начи н ая с
длин н оволн ового диап азон а и до гам м а-ди апазон а (гам м а-ф отонов). И в этом случае
м ы и дем от наблю ден и я через и н терп ретац и ю наблю даем ы х дан н ы х, строя
различны е предп олож ен и я, вы дви гая и деи, и на основе их и спользовани я строи м
адекватную м одель объекта и сследован и я: если эта м одель верн а, то она м ож ет стать
теори ей, объясн яю щ ей п олностью наблю даем ое (ри с. 2.11).
Н а этой условной и упрощ ен н ой схем е м ы ви дим следую щ ие м ом енты :
1. В ц елом н ейтрон н ая звезда ради оп ульсаров состои т из пяти структурн ы х
слоев: во-п ервы х, н а сам ой вн еш н ей поверхности радиопульсара находи тся
м агнитосф ера, которая состои т и з сильного м агни тного п оля и электри чески
заряж ен н ы х частиц — электронов вы соки х эн ергий. М агн и тосф ера, как сф ера очен ь
си льного м агн и тного п ол я, сила которого п ревы ш ает в 10
12
и 10
13
раз средн ее
м агнитн ое п оле наш его С олнц а, образован а в п роц ессе п ревращ ени я обы чной звезды
в нейтрон н ую звезду п ри си льном гравитационном сж атии , т. е. сверхвы соких
давлени ях и сверхвы соких тем п ературах, перестраи ваю щ и х строен и е и структуру
вещ ества обы чн ой звезды и сж им аю щ их это вещ ество до сверхп лотн ого вещ ества
ней трон н ой звезды .
Т аки м образом , м агнитосф ера н а поверхности ней трон н ой звезды -пульсара
образован а п ри ги ган тском сж атии сил тяготени я. П оэтом у м агнитосф ера н а
пульсаре — это н е просто сф ера м агн и тн ого п оля и электрически заряж енн ы х части ц ,
а является экстрем альной м агн и тосф ерой, образованной в результате действи я
экстрем альны х астроф и зических условий — ги гантского сж ати я, давлени я и
тем ператур. П оэтом у соверш енно прав Д . А . К ирж н и ц , когда он сильное (точнее,
сверхсильное) м агн и тное поле относит к экстрем альны м астроф изически м услови ям
наряду со сж атием , ги ган тски м и давлени ем и тем пературой , которы е «растворяю т»,
разруш аю т вещ ество, его строен и е и структуру, сози дая н овое сверхп лотное
ней трон н ое вещ ество в нейтрон н ой звезде.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
237
237
Р и с. 2.11. С хем а сеч ен и я стр оен и я и стр ук тур ы н ей тр он н ой звезды
р ади оп ул ь сар ов
Э та экстрем альная м агн и тосф ера окруж ает ней трон н ую звезду пульсаров и
вм есте с нею он а вращ ается с той ж е частотой вращ ения, с какой вращ ается сам
пульсар. П оэтом у м агнитосф ера определяет п ериод радиоизлучения, которы й нам
посы лает и м п ульсы через каж дую (в средн ем ) секунду: период и злучени я
ради ои злучени я ради ои м п ульсов соответствует частоте вращ ен и я м агни тосф еры
вм есте с сам и м п ульсаром . Э то — п ервое.
2. А второе состои т в том , что пульсар им еет два слоя твердой структуры —
слой твердой ж елезн ой коры и слой кри сталли ческой реш етчатой структуры : это те
структурны е слои, которы е н е подвергали сь ней трон и зац и и из-за недостаточн ой
си лы сж и м аю щ ей ся м ассы в проц ессе образовани я обы чн ой звезды в нейтрон н ую
(если м асса обы чн ой звезды бы ла бы больш е 3 M
⊙
(10, 20, 30 M
⊙
и т. д.), то ни каких
тверды х слоев — ни ж елезн ы х, н и кри сталлически х — н е бы ло бы и н е м огло бы ть:
си ла сж ати я все разруш и ла бы , в том чи сле и н ейтрон н ое вещ ество. Т огда м ы и м ели
бы н е н ейтронн ую звезду, а черную ды ру.
П очем у при рассм отрен и и м агн и тосф еры п ульсара так важ н о сущ ествовани е во
внеш ней оболочке п ульсара двух слоев тверды х кор? Ф акти чески эти два слоя
тверды х кор — те, которы е н е п одвергли сь н ейтрон и зац и и : он и в ц елом содерж ат
атом арн ую м атери ю (вещ ество), откуда си льное электрическое п оле черпает
вы сокоэнергети чески е электроны , которы е в м агнитосф ере дви ж утся п о круговой
орбите в си льн ом м агнитн ом поле с ускорен и ем : дви ж ени е эти х
вы сокоэнергети чески х электронов в си льном м агни тном поле м агни тосф еры —
релятиви стское со скоростью света и с ускорен и ем . И м ен н о поэтом у эти
вы сокоэнергети чески е электрон ы являю тся источн и ком ради ои злучени я, ко торое м ы
наблю даем в эксп ери м ен те: радиоизлучен и е — си н хронн ое излучен и е. С и н хротроны
— м ощ ны е ускорители вы сокоэн ергети чески х заряж ен н ы х час-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
238
238
ти ц , п реж де всего электрон ов. О ни движ утся с больш и м и скоростям и , сравни м ы м и
со скоростью света, и в сильном м агни тном п оле ускоряю тся эти м п олем : такие
части ц ы -электроны и злучаю т электром агн и тны е волн ы во всех сп ектрах.
И так, м ы види м , что нейтрон н ы е звезды радиоп ульсаров — н е член ы двойн ой
звездн ой си стем ы , а один очн ы е, и этим определяю тся и х ф изика и астроф и зи ка:
ради оп ульсары — оди н очн ы е н ейтрон н ы е звезды , н а п оверхн ости которы х, т. е. в
м агнитосф ере, разы гры ваю тся н еи стовы е ф изические проц ессы , оп ределяю щ ие
наблю даем ое нам и свечени е электром агн и тны х волн в различны х диап азон ах.
М агнитосф ера, органи чески связан н ая с ради оп ульсаром и вращ аю щ аяся вм есте
с н ейтрон н ой звездой с той ж е частотой , что эта звезда, является м ощ ны м
источн и ком электром агн и тны х волн в разны х ди апазонах.
П оэтом у ради оп ульсары в п ри н ц и п и альном отнош ени и отли чаю тся от
ней трон н ы х звезд барстеров и рентген овских пульсаров: источн и ком ради ои злучени я
являю тся н е тепловы е п роцессы (тепло, н агрев, черн отельное и злучени е), а
нетепловое, нечернотельное и злучен и е электром агн и тны х волн в результате
взаи м одействия м агнитосф еры и ней тронной звезды ради о п ульсаров в целом .
3. Т рети й м ом ен т п роблем ы взаим одействия м еж ду м агни тосф ерой и
ней трон н ой звездой -пульсаром , которы й м ы хотим п одчеркнуть, состои т в более
глубоком ф и лософ ском осм ы слени и данн ой п роблем ы . С этой ц елью ещ е раз
необходим а реконструкц и я строен и я и структуры ней трон н ой звезды . К ак м ы
отм етили , ней трон н ая звезда в ц елом состои т и з следую щ их слоев:
1. Т вердая кора, состоящ ая из двух тверды х слоев (т. е. ж елезны х и кристалли чески х
реш етчаты х): по сущ еству эта твердая кора образовалась в результате того, что он а
не п одверглась нейтрон и зац и и .
2. Н а п оверхности этой твердой коры нейтрон н ой звезды -пульсара образовалась
м ощ н ая м агни тосф ера одноврем енн о вм есте с образован и ем сам ой н ейтронной
звезды п од си льнейш им гравитационн ы м сж ати ем . П оэтом у эта м агнитосф ера
ней трон н ой звезды -ради опульсара, м ощ ность силы которой превосходи т в 10
12
-
10
13
раз среднее м агн и тное поле наш его С олнца, является экстрем альны м
условием образовани я экстрем альны х астроф и зически х ф ен ом енов, преж де всего
электром агн и тн ы х волн вы сокой частоты , т. е. ф отонов вы соких эн ергий.
3. П од твердой корой н аходи тся цен тральн ы й и главны й слой н ейтрон н ого вещ ества
в ж и дкой сф ере: п лотн ость этого ней трон ного вещ ества сравн им а и бли зка к
плотности ядерной м атери и — 10
15
г/см
3
. П оэтом у это н ейтрон ное вещ ество в
ж и дкой сф ере — экстрем альное сверхп лотн ое вещ ество, образованн ое в
результате дей ствия всех ком понен тов экстрем альны х услови й — сж атия
экстрем альной силы тяготени я, вы соких давлен и й и вы соких тем п ератур, а такж е
си льного м агнитн ого поля, си ловы е линии которого прони зы ваю т всю м ассу
вещ ества, в том чи сле и н ейтрон н ого вещ ества.
И так, м ы всю ней трон н ую звезду-п ульсар расчлени ли на три части :
1) твердая кора;
2) м агни тосф ера, н аходящ аяся н а поверхн ости этой твердой коры ;
3) цен тральн ая часть ней трон н ой звезды — н ей тронное вещ ество, заклю ченное в
твердую кору как бы в панц и рь.
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
239
239
П очем у м ы столько вни м ани я уделяем твердой коре нейтрон н ой звезды -
ради оп ульсара? П отом у что эта твердая кора состои т в целом и з атом арн ой м атери и ,
откуда си льны е электри чески е поля черп аю т («вы ры ваю т») и отры ваю т электроны
вы соких энерги й , которы е в м агнитосф ере движ утся п о круговой орби те п од
си льнейш им м агн и тны м полем . П оэтом у это движ ени е электронов вы соких энерги й
— дви ж ен и е с ускорени ем , скорость которого бли зка к скорости света: они излучаю т
электром агн и тн ы е волн ы вы сокой частоты и ли, на кван товом язы ке, ф отон ы вы соки х
энерги й , которы е в свою очередь п ри дви ж ении в си льном м агни тном поле
порож даю т п ары электронов и пози трон ов. А эти электрон ы и позитрон ы п ри
прохож ден и и в си льном м агн и тном п оле, анн и гилируя, превращ аю тся вн овь в
ф отон ы вы соки х эн ерги й и т. д.
И м енн о этот каскад взаим оп ревращ ен и я и взаи м оп орож дени я в м агн и тосф ере
представляет собой и сточн и к электром агн и тного излучени я н ейтронной звезды -
ради оп ульсара. П оэтом у роль и зн ачим ость твердой коры как атом арн ой м атери и ,
откуда си льны е электри чески е поля черпаю т электрон ы вы соких энергий , вели ки для
происходящ их в м агни тосф ере п роцессов взаим одействия частиц: отры в
электри ческим и си лам и электронов от атом арной твердой коры возм ож ен и
осущ естви м п отом у, что н а п оверхн ости н ейтрон н ой звезды электри чески е си лы
си льнее си л тяготени я сверхп лотн ого н ей трон н ого вещ ества. Е сли бы силы тяготения
бы ли си льнее электрических и м агнитн ы х сил на п оверхн ости н ей трон н ой звезды , то
вся атом арная м атери я твердой ее коры подверглась бы ней трон и зац и и , а м ож ет
бы ть, вся ней трон н ая звезда п ревратилась бы в результате коллап са в черную ды ру.
П оэтом у н ей трон н ая звезда оди н очн ого п ульсара в ц елом состоит и з трех слоев
строени я:
1) м агни тосф ера;
2) атом арн ая м атери я;
3) ней трон н ая м атери я.
И з этих трех ком понентов н ей тронной звезды оди ночн ого п ульсара
определяю щ ая роль при н адлеж и т ней трон н ой м атерии , п лотн ость которой сравни м а
с п лотн остью ядерн ой м атери и : ф актически ней трон н ая м атери я и есть ядерная
м атерия. О н а — адронная м атерия, поэтом у н ейтрон н ая звезда оди н очного пульсара
м ож ет вращ аться и вращ ается со скоростью света. К осм и чески е ком п актны е
объекты , состоящ ие из атом арной м атери и (даж е белы е карлики ), н е вы держ али бы
скорости вращ ения н ейтрон н ой звезды -пульсара: они рассы п али сь бы п ри таком
вращ ен и и н а отдельны е куски , части , элем ен ты . П лотность белы х карли ков
составляет, как нам и уж е отм ечалось, 10
9
кг/м
3
, т. е. 1 О О О т/см
3
, и они такж е
рассы п али сь бы на части при вращ ени и со скоростью вращ ен и я нейтрон н ой звезды
одиночного пульсара.
В ц елом м ож н о отм етить, что ней трон н ая звезда — это преж де всего н ейтрон н ая
(т. е. адрон н ая) м атери я п лю с атом арн ая м атери я, которая н е подверглась
ней трон и заци и . Г лавн ая при чи н а этого обстоятельства заклю чается в том , что
превращ ение обы чн ой звезды в ней тронную определяется м ассой в пределах от 1,4
M
⊙
до 2 и ли 3 M
⊙
, н о н е больш е: если м асса обы чн ой звезды будет больш е 3 M
⊙
(10,
20, 30 и т. д. M
⊙
), то неи збеж но и неотвратим о п ревращ ени е обы чн ой звезды в
черн ую ды ру, в которой исчезн ут н е только атом арная, но и н ейтрон н ая (т. е. вся
адрон н ая) м атерия. С ледовательно, в черной ды ре коллапс п ревращ ает и атом арн ую ,
и адронную м атери ю в си н гулярность.
С и н гулярн ость — это клю чевая и стерж н евая проблем а ф и лософ ии В селенн ой в
наш ей работе. П оэтом у он а будет п редм етом наш его ф и лософ ского исследовани я
поз-
Я н ко С л ава (Б и бл и отека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru
Х ван М акси м П етро ви ч. Н еи стовая В сел ен н ая: О т Б о льш о го взры ва до ускор ен н ого
ра сш и рен и я , о т квар ков до суп ер стр ун . — М .: Л Е Н А Н Д , 2 0 0 6 . — 40 8 с.
240
240
ж е. А сейчас м ы подведем итоги наш его рассм отрен и я проблем эволю ции звезд —
бар-стеров, рен тгеновски х пульсаров и радиопульсаров как всех н ей трон н ы х звезд,
им ею щ их во вн еш н и х оболочках поверхн ости твердую кору как слой атом арн ой
м атерии, где разы гры ваю тся все ф ундам ентальны е ф изические процессы , связанны е
с источн и ком п орож дени я электром агн и тны х волн , н аблю даем ы х нам и в виде
всп ы ш ек барстеров, рентгеновского излучен и я у п ульсаров и дл инноволнового
излучени я ради оим п ульсов.
У барстеров и сточни ком их м ощ ны х и коротких вспы ш ек служ и т нагрев
поверхности н ейтрон н ой звезды -барстера в результате п аден и я аккреци он н ого
потока вещ ества звезды -ком п ан ьон а на п оверхн ость н ейтрон н ой звезды , а такж е
терм оядерн ы е вспы ш ки , которы е образую тся в слое аккрец и рую щ его вещ ества в
результате создан и я экстрем ального услови я для начала терм оядерн ы х реакци й
превращ ения водорода в гели й , гели я — в углерод, а углерода — в ки слород и т. д.
Значит, источн и ком коротки х и апери оди ческих всп ы ш ек барстеров как
ней трон н ы х звезд является нагрев и х п оверхн ости как слоя атом арной м атерии ,
излучаю щ его электром агнитны е волны в виде всп ы ш ек барстеров. И м ен н о на осн ове
осм ы слени я двух ф ундам ен тальн ы х и дей — и деи аккрец и и и конц еп ц и и
терм оядерн ого син теза — удалось учен ы м создать строй н ую теори ю о вспы ш ках
барстеров как н ейтрон н ы х звезд, которы е нам и н аблю даю тся. Т аков слож н ы й и
трудны й п уть н аучн ого п ознан и я, которы й движ ется от н аблю даем ы х ф ен ом енов (т.
е. вспы ш ек) через и н терпретацию и х, строя различн ы е ф и зи ко-м атем ати чески е
м одели и вы двигая и деи, кон ц епц и и , к п остроен и ю более и ли м енее
удовлетворительн ой теори и , даю щ ей нам научное (т. е. причинное) объяснени е
наблю даем ы х ф ен ом ен ов (т. е. вспы ш ек барстеров) и п он и м ани е и х в и х п ри чи н н ом
еди н стве: теори я — ц елостное п редставлен и е о н аблю даем ы х явлени ях на осн ове
причин н ого их сущ ествовани я в пространственн о -врем ен н ом течении. П оэтом у так
важ но следую щ ее:
1. Б арстер как н ейтрон н ая звезда в больш и н стве случаев является член ом двойн ой
звездн ой си стем ы . П оэтом у его ф еном ены как п роявлени я его ф ундам ен тальн ой
сущ ности связаны с аккреци ей как захватом гравитаци он н ы м и силам и тяготения
вещ ества звезды -ком пан ьона.
2. В се сущ ествен н ы е ф и зические п роц ессы п роявлени я свойств барстеров
происходят н а п оверхн ости н ейтрон н ы х звезд, т. е. в твердой коре атом арн ой
м атерии: и злучен и е электром агни тны х волн связан о с этой твердой корой как
слоем атом арн ой м атери и .
3. Э то н и в коем случае не озн ачает и не м ож ет озн ачать, что скры тая за этой твердой
корой атом арной м атерии м атерия как ядерн ая (т. е. адрон н ая) м атери я не и грает
никакой роли в проявлен и и слоя атом арн ой м атерии .
Н а сам ом деле н ей трон н ая звезда есть единое целое ядерн ой и атом арной
м атерии: частота вращ ения н ейтрон н ой звезды определяется сверхплотны м
ней трон н ы м вещ еством , т. е. ядерн ой плотностью адрон н ой м атерии. Н и оди н
косм ически й ком пактны й объект, кром е нейтрон н ой звезды , не м ож ет вращ аться со
скоростью , близкой к скорости света, и, следовательно, н е м ож ет им еть таки е
короткие (т. е. сли ш ком м алы е) пери оды излучени я им п ульсов (в средн ем 1 с). К ак
м ы уж е отм ети ли, рекордсм еном -п ульсаром является п ульсар, обн аруж енны й в 1982
г. в созвезди и Л и си чки, п ери од и злучен и я им п ульсов которого составляет 0,00155 с,
т. е. 1,55 м с, т. е. м и лли ардн ую долю секунды . Д аж е белы е карли ки распадутся и
рассы п лю тся п ри частоте вращ ени я ней трон н ы х звезд, н е говоря уж е об обы чны х
звездах — карли ках или ги гантах.