Что мы знаем, и что хотим узнать о нейтронных звездах Сергей Попов (ГАИШ МГУ)

Рождение Нейтронные звезды рождаются в результате взрыва ядра массивной звезды в конце ее эволюции. Это называют сверхновой. На месте взрыва остается компактный объект – например, нейтронная звезда и т.н. остаток взрыва сверхновой – расширяющаяся туманность. Внутри туманности может существовать плерион. Эта часть туманности видна из-за накачки энергии нейтронной звездой Крабовидная туманность – плерион. Внутри находится один из самых известных радиопульсаров.

Нейтронные звезды Радиус 10 км Масса 1-2 солнечной Плотность порядка ядерной Сильные магнитные поля

Нейтронные звезды – экстремальные источники Сверхсильные магнитные поля (больше швингеровского) Сильная гравитация (радиус порядка 3-4 шварцшильдовских) Сверхплотное вещество (в центре плотность в несколько раз выше ядерной)

Как наблюдаем радиопульсары рентгеновские источники в двойных системах - рентгеновские пульсары - барстеры - другие типы … магнитары - аномальные рентгеновские пульсары - источники мягких повторяющихся гамма-всплесков одиночные остывающие нейтронные звезды - компактные источники в остатках сверхновых - Великолепная семерка - Геминга и похожие источники вспыхивающие радиоисточники (RRATs) гамма-источники

Чем важны Инструменты для физиков и астрофизиков - радиопульсары – тесты теорий гравитации - регистрация гравитационных волн - точное время Теория поведения вещества при высокой плотности – квантовая хромодинамика Процессы в сильном магнитном поле

Тесты теорий гравитации Необходимы проверки в разных режимах. Наиболее сильные тесты связаны с наблюдением поведения материи вблизи нейтронных звезд и черных дыр. кривизна Потенциал

Диски вокруг черных дыр: взгляд со стороны Диск при наблюдении издалека Слева: не вращающаяся ЧД Справа: вращающаяся ЧД Температура диска

Линии железа от дисков Измерения внутреннего радиуса диска дают верхнюю оценку радиуса НЗ Ser X-1

Новый зоопарк нейтронных звезд В последние 10 лет стало ясно, что нейтронные звезды могут рождаться очень разными, совсем непохожими на обычные радиопульсары типа Краба. o Компактные рентгеновские источники в остатках сверхновых o Аномальные рентгенов. пульсары o Источники мягких повторяющихся гамма-всплесков o Великолепная семерка o Гамма источники o Транзиентные радиоисточники... … но остается вопрос: почему разные???

Магнитары dE/dt > dE rot /dt По определению: расходуется энергия магнитного поля НЗ P-Pdot Прямые измерения магн. поля (циклотронные линии) Магнитные поля –10 15 Гс

Исторические заметки 05 Марта Эксперимент Конус. Венера-11,12 (Мазец и др. Vedrenne и др.) Событие в БМО. SGR Флюэнс: около эрг/см 2 Мазец и др. 1979

Гигантская вспышка источника МПГ 27 декабря 2004 гигантская вспышка SGR была зарегистрирована множеством спутников: Swift, RHESSI, Konus- Wind, Coronas-F, Integral, HEND, … В 100 раз ярче, чем все предыдущие! Palmer et al. astro-ph/

Integral RHESSI CORONAS-FCORONAS-F

27 Дек 2004 Гигантская вспышка SGR Импульс 0.2 сек Флюэнс 1 эрг/см 2 E(имп)= эрг L(имп)= эрг/с Длинный «хвост» (400 с) P=7.65 с E(хвост) эрг Расстояние 15 кпк

Осцилляции в «хвосте» «Дрожание» поверхности нейтронной звезды? Колебания в магнитосфере?

Пульсарное излучение Механизм пульсарного излучения до конца не ясен. Интересны процессы в сильном поле.

Процессы в сильном поле В сильном магнитном поле могут эффективно идти процессы, которые в слабых полях маловероятны или невозможны. «Сильное» поле – это более ~ Гс. Фотон может распадаться на два. Кроме того, даже фотоны с низкой энергией могут порождать электрон-позитронные пары.

Фазовая диаграмма Разные участки фазовой диаграммы можно исследовать с помощью ускорителей, с помощью расчетов на суперкомпьютерах, и с помощью наблюдений компактных объектов. Все эти виды исследования не дублируют, а дополняют друг друга.

Ускорители

Спутники

Нейтронные звезды «с разных точек зрения» Обычные нейтронные звезды Пионный конденсат Каонный конденсат Странные звезды Гиперонные звезды Гибридные звезды Как же устроено вещество при очень высокой плотности и «низкой» температуре?

Столкновения ядер атомов золота Может быть все-таки можно что-то выяснить в лаборатории?

Экспериментальные результаты, их сравнение с теорией и НЗ 1 Mev/fm 3 = Pa Вещество нейтронных звезд не похоже на вещество сталкивающихся ядер. Асимметрия (нейтронов намного больше, чем протонов)

Астрофизические измерения Масса Радиус Красное смещение (M/R) Температура Момент инерции Гравитационная и барионная массы Предельное вращ. В двойных, особенно с радиопульсарами. В будущем – и по линзированию. У одиночных остывающих НЗ, у барстеров в двойных, у двойных с QPO. По наблюдениям спектральных линий Одиночные остывающие НЗ и некоторые двойные (прогрев коры) По радиопульсарам (в будущем) В системах из двух нейтронных звезд, если будут хорошие данные по звездам. Миллисекундные пульсары

R=2GM/c 2 P=ρ R~3GM/c 2 ω=ωKω=ωK R =R(1-2GM/Rc 2 ) -1/2

Белые карлики Нейтронные звезды Бурые калики, Планеты Максимальная масса НЗ Минимальная масса НЗ Максимальная масса БК c Массы нейтронных звезд и белых карликов

Масса PSR J Наиболее точные значения. Это очень тесная система, где наблюдается два радиопульсара.

Двойной пульсар J Мы видим систему почти с ребра.

Остывание нейтронных звезд Фотонное охлаждение Нейтринное охлаждение

Основные нейтринные процессы

Остывание одиночных нейтронных звезд Теоретические модели можно сравнивать с данными наблюдений одиночных нейтронных звезд: источников в остатках сверхновых радиопульсаров Великолепной семерки и тд.

Нейтронные звезды в двойных. Aql X-1

Глубокий прогрев коры и остывание ν γ γ γ γ γ Аккреция приводит к глубокому прогреву коры за счет неравновесных ядерных реакций. После прекращения аккреции тепло переносится внутрь и излучается нейтрино тепло медленно переносится наружу и излучается фотонами. Остывание происходит на масштабе лет (установление баланса между корой и ядром). Достижение исходного состояния происходит за ~ лет ρ~ г/см 3

Сравнение теории остывания транзиентов с наблюдениями

Странное вещество и страпельки Кварковое вещество – «самодостаточно». Для его устойчивости не нужна гравитация. Т.е., могут существовать как странные звезды, Так и маленькие комочки, капельки. Страпельки могут встречаться в космических лучах. Это будут частицы с большой массой, но с зарядом относительно небольшим.

Странная кварковая эпидемия Если в недрах компактных объектов есть кварковое вещество, то после слияний оно будет выбрасываться. Далее, страпельки могут попадать в другие нейтронные звезды, превращая их в кварковые…

Слияние нейтронных звезд

Гравитационные волны (подробнее см. «Вокруг света» N2 2007) Предсказаны Общей теорией относительности. Возникают при слиянии нейтронных звезд и черных дыр. А также при вращении нейтронных звезд и при эволюции тесных двойных звезд.

Детекторы гравитационных волн Первый детектор Вебера Эксперимент LIGO

Сверхтекучесть в нейтронных звездах В коре и ядре нейтронной звезды могут существовать сверхтекучие нейтроны. В ядре также могут быть сверхтекучие протоны, что приводит к сверхпроводимости. Сверхтекучесть влияет на: тепловые свойства нейтронных звезд (остывание, излучение нейтрино) динамические свойства нейтронных звезд (вращение, глитчи) свойства магнитного поля (магнитные трубки)

Вихри в сверхтекущей жидкости В сверхтекучей жидкости возникают две фазы. Одна из них не испытывает трения. Вращение сверхтекучей жидкости также «двухфазно». Жидкость разбивается на невращающуюся фазу и квантованные вихри. Быстрее вращение – больше вихрей.

Глитчи К проводящей части коры приложен тормозящий момент Вращение сверхтекущей жидкости в коре не жестко привязано к вращению самой коры. Когда разница в частоте достигает критического значения, то вся система вихрей резко перестраивается. Происходит глитч – сбой периода. Кора резко ускоряется. магнитное поле

Глитчи радиопульсаров Мы всегда «видим» проводящую часть коры. Перестройка системы вихрей в коре приводит к видимому ускорению вращения «видимой» коры. Глитчи наблюдаются и в рентгеновском диапазоне. Например, у магнитаров.

Магнитные трубки Из-за сверхпроводимости магнитное поле оказывается разбитым на трубки. Протонные трубки должны взаимодействовать с нейтронными вихрями. Вращение звезды связано с нейтронными вихрями. В итоге, эволюция вращения приводит к эволюции магнитного поля, т.к. изменение структуры нейтронных вихрей ведет к изменению структуры магнитного поля.

Эволюция вращения и поля Движение нейтронных вихрей тянет за собой магнитные трубки.

Изменение конфигурации поля В процессе замедления или ускорения вращения может сильно измениться конфигурация магнитного поля.

Магнитовращательная эволюция ЭжекторПропеллер Аккретор Георотатор Нейтронные звезды рождаются Эжекторами. Затем они замедляют свое вращение, превращаясь в Пропеллера, а затем в Аккреторы или Георотаторы.

Эжектор и Пропеллер На стадии Эжектора поток частиц и эм волн выметает вещество за все характерные радиусы. На стадии Пропеллера вещество пытается упасть на поверхность НЗ, но ему мешает быстро вращающееся магнитное поле.

Аккретор и Георотатор На стадии Аккретора вещество может выпадать на поверхность. На стадии Георотатора вещество не чувствует гравитацию НЗ и обтекает магнитосферу, как поток солнечного ветра обтекает магнитосферу Земли.

Одиночные Аккреторы RGRG Аккреция турбулентной среды Потенциально одиночная нейтронная звезда может начать аккрецировать вещество с темпом тонн в секунду. Тогда это будет источник со светимостью солнечной. Но не все так просто. Увидеть одиночные аккреторы очень важно, т.к. это способ узнать, как эволюционируют одиночные нейтронные звезды на большом масштабе времени.

Затухание магнитного поля Магнитное поле поддерживается токами. Токи в коре должны затухать. Это активно идет, когда кора горячая. Поэтому поле затухает у молодых НЗ (особенное, если поле большое)Б или у аккрецирующих НЗ. Миллисекундные пульсары имеют слабые поля именно из-за затухания, стимулированного аккрецией. Магнитары диссипируют энергию магнитного поля. Но что происходит с полями одиночных НЗ на временах порядка миллиардов лет мы не знаем совсем!

Эволюция двойных

Откуда берется кик? Ω Сейчас есть уверенность, что кик связан или со взрывом сверхновой, или с эволюцией протонейтронной звезды в первые минуты жизни компактного объекта. Асимметрия взрыва Асимметричное излучение нейтрино

Что знаем? Есть много примеров того, что астрономические наблюдения оказываются незаменимым методом проверки и изучения физических законов. Теории гравитации Вещество в экстремальных условиях Очень высокие энергии Очень редкие процессы Большие масштабы Пока прогресс во многих областях возможен только с использованием данных о наблюдениях небесных объектов. Особое место тут занимают нейтронные звезды.

Что хотим узнать Как излучают радиопульсары? Откуда берется кик? Затухает ли магнитное поле у одиночных НЗ? Каково уравнение состояния НЗ? Прецессируют ли нейтронные звезды и почему? Почему НЗ рождаются разными? Существуют ли странные звезды? Как возникают гигантские вспышки магнитаров? Почему происходят глитчи?

Что хотим открыть и измерить? Одиночные Аккреторы Измерить массу и радиус Нейтронные звезды на стадии Пропеллера Явные примеры прецессии Странные звезды Слияния нейтронных звезд

Что почитать 1.Астрономия и физика. «Русский Репортер» Поиск гравитационных волн. Вокруг света Нейтронные звезды. Элементы.ру Магнитары. Элементы.ру sergepolar.livejournal.com