Суперобъекты - Страница 12

III. Эволюция нейтронных звезд

Астрофизические проявления нейтронных звезд, – т. е. то, какими мы их видим, – зависят от многих параметров: масса, скорость, период вращения, температура, магнитное поле, свойства вещества вокруг… Эволюция нейтронной звезды – это изменение ключевых параметров. Мы обсудим основные из них.

Вращение

У любого объекта есть предельная скорость вращения. Например, скорость вращения на земном экваторе составляет примерно полкилометра в секунду. Если мы начнем раскручивать нашу планету все быстрее и быстрее, то в конце концов она начнет разрушаться. Скорость вращения на экваторе Солнца примерно в 10 раз больше, чем на экваторе Земли. Если Солнце заставить вращаться в сотни раз быстрее, то вещество начнет истекать с солнечного экватора. Это приведет к замедлению вращения. Возникает предельный период. Нельзя заставить Солнце вращаться с периодом около часа. Нейтронные звезды могут вращаться очень быстро, потому что они компактные и плотные. Для них предельный период составляет менее одной тысячной доли секунды. Это соответствует скорости примерно 1/5 от скорости света! Дальше даже такие компактные объекты начинают истекать.

Нейтронные звезды могут иметь очень короткий период вращения, в том числе близкий к предельному, уже при своем рождении или приобретать его в ходе эволюции (раскручиваясь в двойных системах за счет аккреции вещества со второй звезды). Анализ данных наблюдений показывает, что практически все эти компактные объекты при рождении имеют периоды существенно менее одной секунды. Такую особенность легко объяснить. Нейтронная звезда появляется на свет в результате коллапса ядра звезды. Его размеры уменьшаются в тысячи раз. Все знают, что если вращающийся объект сжимается, то скорость вращения увеличивается. Простые оценки показывают, что звездное ядро в результате коллапса может легко раскрутиться до периода в доли секунды.

Вращение может быть настолько быстрым, что на какое-то время предотвратит образование черной дыры. Масса компактного объекта может быть большой, но превращение в черную дыру определяется плотностью в центре. Быстрое вращение понижает эту плотность. Поэтому какое-то время, пока новорожденный объект имеет короткий период, окончательный коллапс не происходит. Лишь спустя какое-то время, обреченная нейтронная звезда схлопнется. Такие, как говорят, метастабильные объекты называют супрамассивными нейтронными звездами. Теоретики любят привлекать их там, где им хочется сделать двухстадийный коллапс с дополнительным энерговыделением в промежутке (источником энергии служит вращение супрамассивного объекта).

Быстровращающаяся нейтронная звезда, замедляясь, может сколлапсировать в черную дыру из-за роста центральной плотности. По мере торможения вращения в центре растет плотность, и вещество может начать переходить в новую фазу. Область новой фазы, т. е. состоящая уже из других частиц, будет расти. Этот процесс может завершиться коллапсом.

В течение своей жизни нейтронная звезда может и замедлять свое вращение, и ускорять (но, конечно, не быстрее предельного). Для ускорения необходимо какое-то внешнее воздействие, а замедление может происходить и без участия внешних объектов. История нейтронной звезды обычно начинается с замедления.

Нейтронная звезда чаще всего рождается как радиопульсар. Даже если сам механизм радиоизлучения по какой-то причине оказывается подавленным (как, например, в центральных компактных объектах в остатках сверхновых), замедление вращения одиночной нейтронной звезды происходит примерно по одинаковому сценарию. У нас есть быстровращающийся «шарик» с магнитным полем. Такой объект должен излучать электромагнитные волны и ускорять заряженные частицы. В приложении к нейтронным звездам впервые на это указал Франко Пачини в 1967 году (т. е. прямо перед открытием радиопульсаров, хотя сам феномен пульсара не был предсказан). На излучение волн и ускорение частиц нужна энергия. Она берется из вращения, т. е. наш «шарик» будет замедляться. Время, затрачиваемое на один оборот, будет увеличиваться.

Энергия уносится потоком волн и частиц. Интенсивность излучения зависит от частоты вращения и величины магнитного поля. По мере замедления вращения энергии будет излучаться все меньше. Это означает, что будет падать давление, оказываемое дующим от нейтронной звезды «ветром» на внешнюю среду. Вначале давление обычно достаточно велико, поэтому пульсар «не знает» о том, что вокруг не пустота. Но со временем присутствие вещества будет все заметнее. Оно стремится подобраться поближе к нейтронной звезде. Это стремление связано как с давлением самого вещества (оно, во-первых, определяется температурой и плотностью вещества, а во-вторых, есть «лобовое давление», связанное со скоростью вещества относительно нейтронной звезды), так и с гравитацией. Если вещество вошло в область гравитационного влияния нейтронной звезды, то она сама начнет «натягивать» его на себя. В конце концов, ветер волн и частиц не сможет сопротивляться внешнему давлению, и вещество начнет проникать в магнитосферу. Это выключает не только пульсарный механизм (обычно он перестает работать еще раньше), но и весь процесс генерации ветра релятивистских частиц. Замедлившись до критического значения периода вращения, нейтронная звезда переходит на следующую эволюционную стадию.