Gwiazda neutronowa
Gwiazda neutronowa (pulsar)– gwiazda zdegenerowana powstała w wyniku ewolucji gwiazd o dużych masach (~ 8–10 mas Słońca). Powstają podczas wybuchu supernowej (supernowe typu II lub Ib) lub kolapsu białego karła (supernowa typu Ia) w układach podwójnych. Materia składająca się na gwiazdy neutronowe jest niezwykle gęsta, przy średnicy ~25 km gwiazdy tego typu mają masę ~2 mas Słońca. Łyżeczka materii neutronowej ma masę ok. 6 miliardów ton
Odkrycie
Istnienie gwiazd neutronowych zostało przewidziane teoretycznie w 1938 roku przez Lwa Landau oraz niezależnie w 1939 roku przez Waltera Baade’a i Fritza Zwicky’ego. Zwicky wysunął takie przypuszczenie już w 1934 roku, czyli dwa lata po odkryciu neutronu, wkrótce po eksperymentalnym stwierdzeniu istnienia neutronów we wtórnym promieniowaniu kosmicznym. Odkrycie pulsara przez Antony’ego Hewisha i Jocelyn Bell z Uniwersytetu Cambridge w 1967 roku potwierdziło istnienie gwiazd neutronowych.
Budowa wewnętrzna
Gwiazda neutronowa otoczona jest cienką atmosferą. Wyróżnia się cztery obszary samej gwiazdy:
- skorupa (otoczka) zewnętrzna;
- skorupa wewnętrzna;
- jądro zewnętrzne;
- jądro wewnętrzne.
Materia skorupy zewnętrznej składa się z jonów i elektronów, które są silnie zdegenerowane. W dolnej części tej warstwy, sięgającej kilkuset metrów, gęstości są na tyle wysokie, że występuje wyciek neutronów.
W skorupie wewnętrznej materia zbudowana jest z elektronów, swobodnych neutronów i jąder atomowych bogatych w neutrony. Wraz ze wzrostem gęstości zwiększa się udział swobodnych neutronów, zaś kształt jąder atomowych przestaje być sferyczny. Przy gęstości rzędu 1,5·1014 g/cm3 na dnie skorupy wewnętrznej jądra atomowe znikają, a materia składa się ze swobodnych neutronów, protonów i elektronów. Grubość tej warstwy wynosi około 1 km.
W jądrze gwiazdy materia składa się już przede wszystkim z neutronów, z niewielką domieszką protonów, elektronów i mionów. Granica między jądrem zewnętrznym a wewnętrznym jest umownie określona gęstością około 5,5·1014 g/cm3, powyżej której struktura materii nie jest już dokładnie określona równaniem stanu, wynikającym ze znanych praw fizyki jądrowej. Jądro wewnętrzne występuje w najbardziej masywnych gwiazdach neutronowych, podczas gdy w mało masywnych warstwa ta może nie być obecna.
Rozważa się kilka możliwości składu materii gęstej w wewnętrznym jądrze gwiazdy neutronowej i wynikające stąd równania stanu:
- materia nukleonowa o składzie takim samym jak w jądrze zewnętrznym;
- materia hiperonowa zawierająca domieszkę hiperonów Λ i Σ–;
- kondensaty pionów;
- kondensaty kaonów;
- materia kwarkowa złożona z kwarków u i d oraz kwarków dziwnych s.
Teoretyczne modele budowy gwiazd neutronowych weryfikuje się obserwacyjnie, mając do dyspozycji tzw. krzywe chłodzenia, czyli zmiany temperatury powierzchniowej gwiazdy w funkcji czasu. W początkowym etapie swego życia gwiazda neutronowa chłodzi się dzięki emisji neutrin, zaś tempo ich produkcji silnie zależy od stanu materii w jądrze gwiazdy. Pojemność cieplna wnętrza gwiazdy i emisja neutrin zależy od tego, czy w jądrze występuje nadciekłość. Powierzchnia gwiazdy chłodzi się dzięki emisji fotonów z powierzchni, głównie w zakresie rentgenowskim. Przewodnictwo cieplne na powierzchni gwiazdy i jej temperatura zależą także od obecności pola magnetycznego oraz ewentualnej warstwy materii zaakreowanej z towarzysza, jeśli gwiazda znajduje się w układzie podwójnym.
Inną istotną informację daje wyznaczenia masy gwiazdy, ponieważ maksymalna możliwa masa gwiazdy neutronowej zależy od równania stanu. W ogólności bardzo duża masa gwiazdy, 2-2,5 masy Słońca, wskazuje raczej na obecność w jej wnętrzu materii nukleonowej.
Pulasar, Magnetar są one w rzeczywistości gwiazdami neutronowymi, jednakże o innych właściwościach i trochę innej budowie.
Okres rotacji takiej gwiazdy jest rzędu milisekund. Posiadają także bardzo silne pole magnetyczne, niemal bilion razy silniejsze od słonecznego! Trudności w wykryciu gwiazdy neutronowej wiążą się głównie z jej bardzo małymi rozmiarami. Na szczęście znaczna część gwiazd neutronowych jest pulsarami – obiektami, które emitują impulsy fal radiowych, a także innych rodzajów promieniowania. Pulsar działa jak ogromna antena nadawcza, ponieważ elektrony, które poruszają się w tak potężnym polu magnetycznym emitują wspomniane fale radiowe.