Nevtronska zvezda — definicija, lastnosti in vrste (premer ~11 km)

Nevtronska zvezda je izjemno majhna, a izjemno gosta zvezda , skoraj v celoti sestavljena iz nevtronov. Tipičen polmer nevtronske zvezde je približno 11–12 kilometrov, njena masa je ponavadi med približno 1,1 in 2,3 maso Sonce, najpogosteje okoli 1,4 mase Sonca. Nevtronske zvezde so ostanki masivnih zvezd, katerih jedro je ob koncu življenja eksplodiralo kot supernova.

Sestava in notranja zgradba

Nevtronska zvezda ima večplastno notranjo zgradbo: zunanja kora sestavljena iz zelo gostih, nevtronom bogatih jeder in prostih elektronov, notranja plast pa vsebuje supertekoče nevtrone in supravodljive protone. V globljih predelih jedra so možne eksotične oblike snovi, kot so hiperonii ali celo kvarkno blato; to so odprta vprašanja astrofizike, povezana z neznanim jedrskim enačajem stanja (equation of state).

Velikost, masa in gostota

Če bi vzeli maso našega Sonce (premer okoli 1 392 000 km) in jo stisnili v kroglo z diametrom nekaj deset kilometrov, bi dobili gostoto primerljivo z nevtronsko zvezdo. Ena čajna žlička snovi iz nevtronske zvezde bi imela maso v razponu več milijard ton. Takšna gostota je primerljiva z gostoto jedra atoma.

Magnetizem in gravitacija

Nevtronske zvezde imajo zelo močna magnetna polja: tipične vrednosti segajo od približno 10⁸ do 10¹⁵ gausov, kar je večkrat (10⁸–10¹⁵-krat) močnejše od zemeljskega magnetnega polja. Njihovo gravitacijsko polje na površini je izjemno močno — potisne in upogne prostor-čas ter znaša približno 2×10¹¹-krat več od gravtacije na Zemlji; pobegna hitrost z njihove površine je del hitrosti svetlobe (redko okoli 0,3–0,6 c).

Temperatura in hlajenje

Ob rojstvu so nevtronske zvezde izjemno vroče (notranje temperature lahko dosegajo >10¹¹ K), a se sčasoma hladijo. Površinske temperature opaznih nevtronskih zvezd so običajno v rangu sto tisoč do nekaj milijonov stopinj Kelvina; pogosto se kot značilna vrednost navaja okoli 600.000 K za relativno starejše ali manj aktivne primere, mlajše in akreacijske zvezde pa so lahko veliko vročje.

Rotacija in opazne oblike

Nevtronske zvezde se vrtijo zelo hitro — opazovani periodi se gibljejo od približno 1 milisekunde (0,001 s) do več deset sekund (npr. 30 s). Hitro rotirajoče nevtronske zvezde, ki oddajajo usmerjene snope elektromagnetnega sevanja, imenujemo pulzarji. Drugi posebni tipi so magnetarji (z zelo močnimi magnetnimi polji, ki povzročajo X- in gama-izbruhe) ter binarni pulzarji, kjer nevtronska zvezda kroži okoli spremljevalke in pogosto akrecira snov.

Vrste in pojavne oblike

Pulzarji: radiovno (in tudi X-/gama-) pulzirajoče nevtronske zvezde, model "svetilke".
Magnetarji: nevtronske zvezde z magnetnimi polji 10¹⁴–10¹⁵ G, včasih sproščajo ogromne količine energije v obliki izbruhov.
Millisekundni pulzarji: zelo hitro vrtljivi pulzarji, pogosto reciklirani v binarnih sistemih prek akrecije.
X-ray bursters in akrecijski nevtronski sistemi: akrecija snovi z zvezdnega spremljevalca povzroči termonuklearne izbruhe na površini.
Central compact objects (CCO) in radio-tiha nevtronska zvezda: opažene predvsem v rentgenskem območju brez močnih radijskih pulzov.

Nastanek, združevanje in pomen

Nevtronske zvezde nastanejo pri kolapsu jedra masivnih zvezd in spremljajo jih supernove. Združevanja dveh nevtronskih zvezd v binarnem sistemu proizvedejo gravitacijske valove (LIGO/Virgo) in bogate elektromagnetne signale — primer je dogodek GW170817, ki je povzročil tudi kilonovo, bogato z nastankom težkih elementov (npr. zlata in platine) preko r-procesa.

Opazovanje in raziskovanje

Nevtronske zvezde opazujemo v različnih delih spektra: radijske pri pulzarjih, rentgenske pri vročih površinah ali akrecijskih diskih, gama-izbruhe pri magnetarjih in z gravitacijskimi valovi pri združitvah. Sodobni instrumenti, kot so radioteleskopi, rentgenski observatoriji in detektorji gravitacijskih valov, ter misije, kot je NICER, pripomorejo k omejevanju njihovega polmera in razumevanju jedrskega enačaja stanja.

Odprta vprašanja

Kljub napredku ostaja veliko odprtih vprašanj: točno kakšna je notranja sestava jedra (hiperoni, kvarki?), kakšna omejitev mase velja za nevtronske zvezde (kje se začne črna luknja), in kako natančno poteka magnetna evolucija in akrecija. Opazovanja gravitacijskih valov in natančne meritve mase in polmera bodo v prihodnosti dodatno pojasnile te zadeve.

Nevtronske zvezde predstavljajo naravni laboratorij za ekstremno fiziko — gostoto, magnetizem, gravitacijo in jedrske sile, ki jih ni mogoče doseči na Zemlji.

Zaradi sevanja pulzarja PSR B1509-58, hitro vrteče se nevtronske zvezde, bližnji plin sveti v rentgenskih žarkih (zlato, iz Chandre) in osvetljuje preostali del meglice, ki je tu prikazan v infrardeči svetlobi (modro in rdeče, iz WISE).

Model, ki prikazuje, kako je nevtronska zvezda videti v notranjosti

Zgodovina

Leta 1934 sta Walter Baade in Fritz Zwicky predlagala obstoj nevtronskih zvezd, le leto dni po tem, ko je James Chadwick odkril nevtron.

Pri iskanju izvora supernove so domnevali, da se v eksplozijah supernov navadne zvezde spremenijo v zvezde, sestavljene iz izjemno tesno povezanih nevtronov, ki so jih poimenovali nevtronske zvezde. Baade in Zwicky sta predlagala, da sprostitev gravitacijske vezalne energije nevtronskih zvezd poganja supernovo: "V procesu supernove se masa v razsutem stanju izniči."

Nevtronske zvezde naj bi bile prešibke, da bi jih bilo mogoče zaznati. Do novembra 1967, ko je Franco Pacini (1939-2012) opozoril, da če se nevtronske zvezde vrtijo in imajo velika magnetna polja, se oddajajo elektromagnetni valovi, se je z njimi ukvarjalo le malo ljudi. Radioastronom Antony Hewish in njegov raziskovalni asistent Jocelyn Bell v Cambridgeu sta kmalu zaznala radijske impulze iz zvezd, ki jih danes poznamo kot pulzarje.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je nevtronska zvezda?

O: Nevtronska zvezda je zelo majhna in gosta zvezda, ki je skoraj v celoti sestavljena iz nevtronov. Njen polmer je približno 11-11,5 kilometra, njena masa pa je približno dvakrat večja od mase Sonca.

V: Kako gosta je nevtronska zvezda?

O: Gostota zvezde je podobna gostoti jedra atoma, njeno gravitacijsko polje na površini pa je 2x1011-krat močnejše kot na Zemlji. Če si to predstavljamo, bi lahko vso maso našega Sonca potisnili v kroglo s premerom 19 kilometrov. Ena čajna žlička snovi iz nevtronske zvezde bi tehtala 6 milijard ton.

V: Kako hitro se vrtijo nevtronske zvezde?

O: Nevtronske zvezde se vrtijo zelo hitro, od 0,001 sekunde do 30 sekund.

V: Katere vrste obstajajo?

O: Obstajajo različne vrste, kot so pulzarji, magnetarji in binarni pulzarji, ki oddajajo snope elektromagnetnega sevanja ali imajo močna magnetna polja, ki so od 108 do 1015-krat močnejša od zemeljskih.

V: Kakšno temperaturo imajo običajno?

O: Nevtronske zvezde, ki jih lahko opazujemo, so zelo vroče in imajo običajno temperaturo na površini približno 600 000 K (600 000 stopinj Kelvina).