Neutron csillagok a Tudomány számára
70 évvel ezelőtt elképzelhető, hogy a neutroncsillagok próbára teszik a fizika törvényeit. Kezdjük azonban megérteni a működésüket, és megvizsgálni a belső szerkezetüket.
Eredetileg egy részecske
Minden megváltozott 1967-ben, amikor Jocelyn Bell és Antony Hewish felfedezett egy új típusú csillagot - egy pulzárt -, amely nagyon szabályos rádió sugárzást bocsát ki. Hamarosan megértették, hogy a pulzár egy forgó neutroncsillag, hatalmas mágneses mezővel, amely éjszaka jeladóként végigsöpört a kozmoszon. A következő évben egy analóg pulzár, a bt 0531 + 21, felfedezése a Rák-ködön belül, vagyis a kínai csillagászok által 1054-ben megfigyelt szupernóva maradványai megerősítették Baade és Zwicky hipotézisét, miszerint neutroncsillagok képződnek ezekben a csillagrobbanásokban . Az ötletet tovább erősítette az a tény, hogy 1987 februárjában egy tucat neutrínót észleltek a Nagy Magellán Felhő sn 1987 szupernóva alatt. Ezek a neutrínók bizonyítják, hogy a szupernóva kiindulópontjában lévő csillag anyagát "neutronizálták": a protonok és az elektronok kombinálódva neutronokat és neutrínókat kaptak a béta-radioaktivitást okozóval ellentétes nukleáris reakciónak megfelelően (lásd 6. ábra). ).
Ma már több mint 1300 pulzort ismerünk. Az ilyen formában megfigyelhető neutroncsillagok (azok, akiknek nyalábja rendszeresen végigsöpri a látóvonalunkat) stabil amplitúdójú impulzusokat bocsátanak ki, jelezve, hogy a jelek kibocsátása összefügg a forrás forgásával. Ezenkívül ezen puffadások gyakorisága az idő múlásával lassan csökken.
Arra következtetünk, hogy a pulzár lelassul: energiát veszít, mert a kibocsátott jelek kis mennyiséget elvesznek belőle. A leggyorsabban ismert pulzár, a psr b 1937 + 21, 1,56 milliszekundum periódusú. Ilyen sebességgel azonban az Egyenlítőnél a centrifugális erő nagyobb lenne, mint a gravitáció, és az anyag elszakadna, ha az 1937 + 21 psr sűrűsége nem lenne nagyobb, mint az atommagoké! Ez az eredmény megerősíti, hogy ez egy csillag, amely makroszkópos méretű gigantikus "magban" összenyomott neutronokból áll. Ezenkívül úgy gondolják, hogy a rádióhullámokat a csillag forgása által okozott intenzív mágneses mező generálja. A megfigyelt lassulás lehetővé teszi a jelek által elvitt energia és így a tér intenzitásának becslését. Így a rákos pulzár területe a földi mágneses térhez képest több száz millió tesla nagyságrendű, 10–5 tesla nagyságrendű, és a laboratóriumban előállított 100 tesla mező.
A Baade és Zwicky által javasolt modell nagyon egyszerűen megmagyarázza a neutroncsillagokat kísérő magas forgási frekvenciákat és intenzív mágneses teret. Valójában minden normális csillag önmagán forog, és ha sokkal lassabban jár, mint a pulzár, ezt kompenzálja az a tény, hogy méretük legalább 100 000-szer nagyobb: mint egy korcsolyázó, aki felgyorsítja forgását, amikor karjait közelebb hozza a test, a csillagok összeesésével csodálatos forgási sebességet érnek el. Hasonlóképpen, a csillag mágneses tere erősen felerősödik az összeomlás során.
Oppenheimer és Volkoff relativitáson alapuló számításai azt mutatták, hogy létezik egy maximális tömeg - amely Newton elméletében nem jelenik meg -, amelyen túl a neutroncsillagok fekete lyukakká omlanak össze. Valójában a nyomás a csillagban tárolt mechanikai energia egyik formája. Az energia azonban egyenértékű a tömeggel, és gravitációs mezőt generál. Így egy bizonyos küszöbön túl a nyomásnövekedés kontraproduktívvá válik: a nyomás nem állhat szembe a gravitációs erővel, amelyet maga generál, és az objektumnak helyrehozhatatlanul össze kell esnie. Egy ilyen maximális tömeg megléte nagyon fontos, mert korlátozza a neutroncsillagokat alkotó anyag lehetséges viselkedését. Amint láttuk, a neutroncsillagok forgási sebességének is van határa, és a mágneses mezőjükre analóg maximumot határoztak meg (amikor a mágneses nyomás meghaladja az anyag nyomását, a csillag instabillá válik).
Az állapotegyenlet
A felszínen, ahol a nyomás nulla, szabad neutronok nem léteznek (a béta-reakciók miatt), és az anyag vasból áll, amely a periódusos rendszer legstabilabb eleme, szilárd fém formájában, vagyis kompakt kristályrácsot szabad elektrontenger vesz körül. Ennek a fémes kéregnek a felülete nagyon sima a gravitáció elsöprő intenzitása miatt, és egyetlen „hegy” sem haladhatja meg a néhány milliméteres magasságot! A kéreg néhány száz méter mélyre nyúlik, és a sűrűség gyorsan növekszik.
A sűrűség növekedésével az elektronok elkezdenek megközelíteni a protonokat, és a gyenge magkölcsönhatás "hatósugarán belülre kerülnek": egyre gyakrabban egyesülnek a magok protonjaival neutronokat alkotva. A magok neutronokkal gazdagodnak, amikor süllyedünk. Végül a sűrűség olyanná válik, hogy a neutronok elkezdenek "kiszivárogni" a magokból.
Itt kezdődik a belső kéreg, ahol a sűrűség nagysága a magsűrűség ezredrészének felel meg, egy-két kilométer vastagságig. Átmeneti réteget képez a neutronokban gazdag atommagokból álló kristályos rész és a béta egyensúlyban lévő neutronok, protonok és elektronok alkotta folyadék (a neutronfolyadék) között. Ez az átmenet az olasz ételeket idéző geometriai változások révén történik. Mindenekelőtt folyadékgömbök jelennek meg a kristály közepén. Nagyobb mélységben ezek a gömbök összeomlanak és összefognak, így neutronfolyadék „spagettit” alkotnak. Ezek a spagettik viszont egy "lasagna" struktúrában állnak össze, ahol a folyékony síkok váltakozva keresztezik az atommagokat kristályos formában. A lasagna addig sűrűsödik és sűrűsödik, amíg el nem foglalja azt a teljes térfogatot, amelyen belül néhány kristálybuborék végül eltűnik a magsűrűség elérésekor (lásd az 5. ábrát).