Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Для описания свойств нейтронных звезд необходимо применение квантовой теории и общей теории относительности.

Недра компактных объектов состоят из вещества высокой плотности, в центрах нейтронных звезд в некоторых моделях она может превосходить ядерную плотность в 10–15 раз. Исследование такого вещества в лабораторных условиях невозможно, поэтому астрофизические данные по компактным объектам являются ценным источником информации для ядерной физики.

Наблюдательные проявления известных одиночных нейтронных звезд связаны с гравитационной энергией (аккреция), вращательной энергией (радиопульсары), тепловой энергией (остывающие нейтронные звезды) или энергией магнитного поля (магнитары).

В случае аккреции вещество соседа по двойной системе или газ из межзвездной среды гравитационно захватывается нейтронной звездой, разгоняется в поле тяготения до высокой скорости, а затем в аккреционном потоке или непосредственно при взаимодействии с поверхностью значительная часть кинетической энергии излучается (в основном в рентгеновском диапазоне).

В случае радиопульсаров быстрое вращение нейтронной звезды (известные радиопульсары имеют периоды вращения от миллисекунды до 10 секунд) с сильным магнитным полем приводит к ускорению частиц и генерации электромагнитного излучения.

В случае остывающих нейтронных звезд мы наблюдаем тепловое излучение молодой (до нескольких сотен тысяч лет) нейтронной звезды с температурой поверхности от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов градусов. В основном такие источники наблюдаются в мягком рентгеновском диапазоне (энергии квантов от десятков до сотен электронвольт). Но у некоторых тепловое излучение обнаружено также в оптическом диапазоне спектра.

Наконец, магнитары, согласно принятой в настоящее время модели, высвечивают в регулярном или вспышечном режиме энергию, запасенную в очень сильном магнитном поле (можно также говорить об энергии мощных электрических токов, текущих в коре нейтронной звезды и создающих магнитное поле). Во время гигантских вспышек светимость магнитара может превосходить полное энерговыделение всех звезд галактики вместе взятых. Магнитары были открыты в 1979 г., в первую очередь благодаря работе группы Евгения Мазеца в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе.

Нейтронные звезды были теоретически предсказаны в работах Вальтера Бааде и Фрица Цвикки (Fritz Zwicky), а также Льва Ландау еще в 1930-е гг., однако вплоть до настоящего времени в физике нейтронных звезд существует ряд принципиальных нерешенных вопросов. Внутреннее строение этих компактных объектов остается проблемой, что вызвано недостаточным пониманием свойств вещества при плотности, в несколько раз превосходящей ядерную.

В ранних моделях предполагалось, что компактные звезды в основном (до 90 % по массе) должны состоять из нейтронов – отсюда и историческое название, которое часто применяется ко всему классу объектов. Последующие исследования показали, что существует много различных возможностей для внутреннего строения компактных объектов. Несмотря на существенные усилия теоретиков и наблюдателей, до сих пор не известно, какая из них реализуется в природе.

В структуре нейтронной звезды выделяют кору (внутреннюю и внешнюю) и ядро (внутреннее и внешнее). Внешняя кора имеет толщину порядка нескольких сотен метров и состоит в основном из ионов элементов группы железа и вырожденных электронов. Кроме самых наружных слоев, внешняя кора твердая, поскольку ионы благодаря сильному электростатическому взаимодействию между заряженными частицами формируют так называемую кулоновскую решетку. Во внутренней коре (толщиной около километра), где возможно существование сильно обогащенных нейтронами ядер элементов, начинается процесс формирования так называемых нейтронных капель. При столь высокой плотности свободные (не входящие в ядра) нейтроны оказываются устойчивыми. Доля свободных нейтронов растет с увеличением плотности вглубь коры. Нейтроны во внутренней коре могут находиться в сверхтекучем состоянии.

Свойства внутреннего ядра нейтронных звезд известны крайне плохо. Существует ряд гипотез о поведении вещества при сверхвысокой плотности, например такого как кварковое вещество.

Внешнее ядро имеет размер несколько километров. Его свойства относительно хорошо понятны. Плотность составляет от 0,5 до 2 ядерных плотностей (ядерная плотность – около 3 × 10¹⁴ г/см³). Вещество в основном состоит из нейтронов, протонов, электронов и мюонов. Протоны там могут находиться в сверхтекучем (сверхпроводящем) состоянии.