Спросите Итана: как вращение влияет на форму пульсаров?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/01/06/ask-ethan-how-does-spinning-affect-the-shape-of-pulsars/
  • Перевод

Нейтронная звезда – одна из наиболее плотных форм материи Вселенной, но её массе есть верхний предел. Если его превзойти, нейтронная звезда схлопнется в чёрную дыру

Во Вселенной есть мало неподвижных объектов; практически все известные нам тела вращаются. Каждая луна, планета, звезда из известных нам, вращается вокруг своей оси, поэтому в нашей физической реальности не бывает идеальных сфер. Объект, находящийся в гидростатическом равновесии, при вращении раздувается по экватору и сжимается с полюсов. Наша Земля, благодаря одному обороту в сутки, вдоль экваториальной оси на 42 км длиннее, чем по полярной, а существуют объекты, вращающиеся гораздо быстрее. А что насчёт наиболее быстро вращающихся объектов? Наш читатель спрашивает:
Некоторые пульсары вращаются удивительно быстро. Насколько сильно это искажает их форму, и не сбрасывают ли они из-за этого материю – или их гравитация её удерживает?
Существуют ограничения на скорость вращения объектов, и хотя пульсары исключением не являются, некоторые из них можно назвать воистину исключительными.


Пульсар в Парусах, как и все пульсары, представляет собой пример останков нейтронной звезды. Газ и материя довольно часто окружают пульсары, и они являются источниками топлива для пульсирующего поведения этих нейтронных звёзд.

Пульсары, или вращающиеся нейтронные звёзды, обладают одними из самых невероятных свойств среди всех объектов Вселенной. Они появляются после сверхновой, когда ядро схлопывается до состояния твёрдого шара из нейтронов, превышающего по массе Солнце, однако в диаметре имеющего всего несколько километров. Это наиболее плотная форма материи из известных. И хотя их называют нейтронными звёздами, они состоят из нейтронов всего на 90%, поэтому при вращении заряженные частицы, имеющиеся у них, очень быстро двигаются и создают сильное магнитное поле. Когда окружающие их частицы попадают в это поле, они ускоряются, и появляется релятивистская струя, или джет, исходящий с полюсов нейтронной звезды. И когда один из этих полюсов указывает в нашу сторону, мы видим «импульс» пульсара.


У пульсара, состоящего из нейтронов, имеется внешняя оболочка из протонов и нейтронов, создающих чрезвычайно сильное магнитное поле, в триллион раз превышающее таковое на поверхности Солнца. Отметьте, что ось вращения и магнитная ось немного не совпадают.

Большая часть существующих нейтронных звёзд не выглядит для нас пульсарами, поскольку большинство из них не повёрнуты так, чтобы ось вращения совпадала с линией видимости. Возможно, что все нейтронные звёзды являются пульсарами, но нам видны импульсы только небольшой их доли. Тем не менее, даже у наблюдаемых пульсаров существует огромный разброс в количестве оборотов.


На изображении ядра крабовидной туманности – молодой и массивной звезды, погибшей недавно в потрясающем взрыве сверхновой – можно увидеть характерные волны, порождённые пульсирующей и быстро вращающейся нейтронной звездой, пульсаром. Этот молодой пульсар возрастом всего в 1000 лет, вращающийся 30 раз в секунду, является типичным представителем обычных пульсаров.

Обычные пульсары, к которым принадлежит большинство молодых пульсаров, тратят на полный оборот от нескольких сотых долей секунды до нескольких секунд, а более старые, миллисекундные пульсары, вращаются гораздо быстрее. Самый быстрый из известных пульсаров вращается 766 раз в секунду, а самый медленный, обнаруженный в центре сверхновой 2000-летней давности RCW 103, совершает оборот за невероятные 6,7 часа.


Очень медленно вращающаяся нейтронная звезда в ядре остатков сверхновой RCW 103 является также и магнетаром. В 2016 году новые данные, полученные с разных спутников, подтвердили, что это самая медленно вращающаяся нейтронная звезда из всех известных

Пару лет назад по сети гуляла некорректная история о том, что медленно вращающаяся звезда оказалась наиболее близким к сфере объектом из известных человечеству. Навряд ли! Солнце очень близко к идеальной сфере, и в плоскости экватора всего на 10 км превышает диаметр по оси между полюсами (то есть, отличается от идеальной сферы на 0,0007%), а недавно открытая звезда KIC 11145123 более чем в два раза превышает Солнце по размеру, но разница по экватору и полюсам у неё составляет всего 3 км.


У самой медленной из известных нам вращающихся звёзд, Kepler/KIC 1145123, диаметры по полюсам и экватору отличаются всего на 0,0002%. Однако нейтронные звёзды могут быть гораздо ровнее.

Однако, хотя отличие всего на 0,0002% от идеальной сферы – неплохой результат, все эти рекорды бьёт самая медленная из всех вращающихся нейтронных звёзд, известная, как 1E 1613. Её диаметр составляет порядка 20 км, и разница между экваториальным и полярным радиусами не превышает радиуса протона: это меньше одной триллионной от 1%. Конечно, если мы можем быть уверены в том, что форму нейтронной звезды определяет её динамика вращения.

Но, возможно, на самом деле это не так, а правильность этого утверждения играет огромную роль при изучении другой стороны монеты – самых быстро вращающихся нейтронных звёзд.


Нейтронная звезда маленькая и тусклая, но она очень горячая и очень долго остывает. Если бы мы могли наблюдать за ней и видеть её свечение, то увидели бы, как она сияет в миллионы раз дольше текущего возраста Вселенной.

У нейтронных звёзд невероятно сильное магнитное поле – у обычной нейтронной звезды его интенсивность составляет 100 млрд гаусс, а у магнетаров, обладающих наиболее сильным магнитным полем, она находится в промежутке от 100 трлн до 1 квадриллиона гаусс. Для сравнения, интенсивность магнитного поля Земли примерно равна 0,6 Гс. И если вращение пытается сплющить нейтронную звезду и привести её к форме сжатого сфероида, то магнитные поля действуют в обратную сторону, вытягивая нейтронную звезду вдоль оси вращения в дынеобразную форму, известную, как вытянутый сфероид.


Сжатый и вытянутый сфероиды

Из-за ограничений гравитационных волн мы уверены, что нейтронные звёзды отходят от своей формы, обусловленной вращением, не более, чем на 10-100 см, что означает, что они идеально круглые с точностью до 0,0001%. Но на самом деле деформации должны быть ещё меньше. Самая быстро вращающаяся нейтронная звезда имеет частоту вращения 766 Гц, или период обращения в 0,0013 с.

И хотя существует множество способов расчёта сплющивания даже для самых быстрых нейтронных звёзд (без общепринятого уравнения), даже эта невероятная скорость, из-за которой поверхность на экваторе движется со скоростью порядка 16% от скорости света, приведёт к сплющиванию всего на 0,0000001%, плюс-минус пару порядков. И это даже не приближается к скорости убегания – всё, что находится на поверхности нейтронной звезды, останется там.


Перед самым слиянием две нейтронные звезды не просто испускают гравитационные волны, но и порождают катастрофический взрыв, отзывающийся по всему электромагнитному спектру, а также поток тяжёлых элементов, находящихся ближе к самому концу периодической таблицы.

После слияния двух нейтронных звёзд может получиться наиболее экстремальный пример вращающейся нейтронной звезды, образовавшейся в результате слияния. Согласно нашим стандартным теориям, эти нейтронные звёзды должны схлопнуться в чёрную дыру при превышении определённого порога массы: примерно в 2,5 раз превышающей солнечную. Но если эти нейтронные звёзды быстро вращались, то некоторое время они могут оставаться нейтронной звездой, пока достаточно энергии не будет испущено в виде гравитационных волн, и они не достигнут состояния критической нестабильности. Такой процесс может увеличить максимальную массу нейтронной звезды, по крайней мере, временно, на 10-20%.

И мы считаем, что именно это и произошло во время наблюдавшегося нами слияния двух нейтронных звёзд.



С какой же скоростью вращалась нейтронная звезда после слияния? Насколько исказилась её форма? Какие гравитационные волны испускают получившиеся в результате слияния нейтронные звёзды?

Для получения ответа необходимо совместить изучение событий, происходящих с участием масс из различных диапазонов: общая масса не превышает 2,5 солнечных (должна получиться стабильная нейтронная звезда), масса от 2,5 до 3 солнечных (как при том событии, что мы наблюдали, когда временно существующая нейтронная звезда превращается в чёрную дыру), масса больше 3 солнечных (когда сразу получается чёрная дыра), и прибавить к этому измерение световых сигналов. Также мы можем узнать больше, обнаружив фазу сближения по спирали как можно раньше, и заранее направив телескопы в сторону предполагаемого источника. И со входом в строй LIGO/Virgo и других детекторов гравитационных волн, а также с повышением их чувствительности, нам удаётся это всё лучше и лучше.


Слияние двух нейтронных звёзд в представлении художника. Двойные системы нейтронных звёзд тоже постепенно сближаются по спирали и сливаются, но самая близкая из найденных нами пар не сольётся ещё почти 100 млн лет. До тех пор LIGO, скорее всего, найдёт множество других кандидатов.

До тех пор знайте, что нейтронные звёзды, несмотря на их быстрое вращение, чрезвычайно твёрдые благодаря своей непревзойдённой плотности. Даже с такими сильными магнитными полями и релятивистскими скоростями вращения, как у них, они представляют собой более идеальные сферы, чем всё, что мы могли найти на макроскопических масштабах во Вселенной. Если только отдельные частицы не окажутся более идеальными сферами (а это может случиться), медленно вращающиеся нейтронные звёзды со слабыми магнитными полями останутся лучшими кандидатами на наиболее сферические объекты из появившихся естественным путём. Долгоживущая стабильная нейтронная звезда со временем будет лишь медленно уменьшать скорость вращения. И всё, что находится на её поверхности, останется там.
Поделиться публикацией
Комментарии 23
    +1
    Разве у нас есть возможность измерить форму звезд настолько точно, кроме как посчитать теоретически?
      0
      Для ближайшей звезды (Солнца) — есть. Его уже всячески измерили с очень большой точностью.

      На основе этих экспериментальных данных проверили теорию и модели и убедились в их достаточной точности. Для других звезд считают уже из теории и наблюдаемых параметров.

      Для нейтронных звезд прямой экспериментальной проверки теории как дает Солнце для обычных звезд пока нет. Но со временем их даст гравитационная астрономия.
      Для очень массивных, компактных и быстро вращающихся объектов, таких как нейтронные звезды любые отклонения их формы от идеальной будут порождать гравитационные волны. Причем параметры этих волн однозначно определяются характеристиками вращающегося объекта.

      Пока таких волн не удалось зарегистрировать. Но это как раз согласуется с имеющимися теоретическими моделями физики нейтронных звезд: теория говорит, что они должны быть очень близки к идеальным сферам несмотря на быстрое вращение и текущей чувствительности гравитационных детекторов недостаточно для регистрации таких слабых грав. волн.

      Когда грав. детекторы начнут «чувствовать» ближайшие к нам пульсары — можно будет проверить насколько хорошо имеющаяся теория работает для подобных экстремальных состоянии материи как в нейтронных звездах.
        0
        Насколько я понял, детектируемая по грав. волнам величина падет как 1/r. То есть если так мы видели с расстояния порядка 1 миллиард световых лет колебания, которые дошли как искажение метрики 10^-22. Для условной пропорции берем, что на расстоянии 3 км от места столкновения искажение метрики было 0.1.
        Сейчас прикину — правильно ли я посчитал. Расстояние беру порядка 10^9*3*10^12 км = 3*10^21 км. Тут прикидка величин сходится.
        Теперь условно считаем, что мы пробуем на расстоянии около 1000 св. лет зафиксировать колебания от нейтронной звезды. Опять прикидываем, что это около
        10^3*3*10^12 км = 3*10^15 км.
        Если мы опять надеемся зафиксировать лишь искажение мощностью 10^-22, значит на расстоянии 3 км от источника грав. волны должны иметь искажение
        10^-22*10^15 = 10^-7.
        Теперь осталось понять — какое колебание объема НЗ может создать такое искажение метрики на расстоянии 3 км от места колебания. Просто в качестве бреда — взять метрику Шварцшильда вокруг НЗ и сказать, что масса НЗ внезапно выросла.
          0
          Да, амплитуда волн падает как 1/R, а энергия и мощность как и у всех волн как 1/R^2

          Я не знаю как для НЗ посчитать правильно. Для 2х тел вращающихся вокруг общего центра еще приблизительно посчитать могу, а для слегка деформированного тела не знаю как правильно считается.

          Если бы это были просто точечные «выпуклости» (бугорки) на поверхности — то можно было бы прикинуть рассматривая их как 2 отдельных тела соответствующей массы вращающихся вокруг общего центра на расстоянии равном радиусу НЗ. Т.к. основную сферическую часть НЗ можно не учитывать. Но тут не точечные деформации, а просто небольшое отклонение от сферической формы, где «дефектная» масса размазана по всей поверхности тела.

          По рассчетам — 1 млрд. св. лет это ближе к 10^22 км. Разегистрированные на Земле искажения метрики были на пике где-то 10^-21. Порядки все-равно сходятся, т.к. экстремальные искажения метрики были на большем расстоянии от источника — в тех же случаях первых регистраций сливались довольно большие черные дыры, там размер самих ЧД по несколько десятков км в диаметре каждая, т.е. порядка 100 км от центра масс это только искаженный горизонт событий сливающихся ЧД.

          И по вращающимся НЗ есть «хак» позволяющий значительно повысить точность — в отличии от слияний, которые скоротечны (от долей секунды до десятков секунд примерно) вращающаяся НЗ дает постоянные гравитационные волны с практически не меняющейся частотой и в течении очень длительного времени (тысячи лет как минимум).

          За счет этого применив хороший мат анализ и большие вычислительные мощности «вытащить» из шума полезный сигнал, который намного слабее чувствительности детектора.
          Где-то на 2-4 порядка можно увеличить чувствительность при использовании данных с тех же детекторов.
          Сейчас уже где-то до 10^-24 источники постоянных грав. волн прощупаны на типовых для вращающихся НЗ частотах. Чем больше данных накопится и чем больше выч. мощностей вложить, тем выше будет чувствительность поиска источников подобных волн.

          Можно кстати в этом и лично поучаствовать (предоставив выч. мощности):
          Einstein@Home

          einsteinathome.org

          Там как раз последние год-полтора идет поиск полстоянных грав. волн от НЗ.
          У меня часть мощностей под это выделена.
            0
            Когда будет 3 детектора — будет наверное проще отделять сигнал от шума. Видим пересечение 3 половинок гиперболоидов (конечно с учетом погрешностей на величину разницы расстояний, но может там будут световые миллисекунды только). Если сигнала на 3м детекторе нет 43 мс — наверное флуктуация вышла.
      0
      а более старые, миллисекундные пульсары, вращаются гораздо быстрее

      Долгоживущая стабильная нейтронная звезда со временем будет лишь медленно уменьшать скорость вращения

      Так всё-таки, она вертится они замедляются или ускоряются?
        0
        Скорее всего ускоряется, пока на неё что-то падает. А вот дальше сложно сказать. Свободное вращение вроде не тратит энергию.
          0

          Учитывая, что звезда вращается в галактике, пронизанной магнитными и гравитационными полями, об них она и должна тормозиться.

          0
          Разгоняя окружающее вещество магнитным полем — тормозится.
          А вот падающее на неё вещество наоборот её разгоняет.
          И что сильнее — как получится.
            0
            Только вот подстава — веещство не обязано падать с моментом импульса таким, какой именно разгонит пульсар, а не затормозит его.
            А ещё есть гипотеза, что момент импульса могут уносить грав. волны, как поток частиц со спином 2. Для этого нужно представить «джеты» гравитонов вдоль оси вращения и узнать проекцию спина, которая в них преобладает.
              0
              Ну да, 50:50 что аккреционный диск закрутится в правильную сторону.
              Вдоль оси вращения импульс унести не получится, а поперёк диск равномерный и не излучает.
                0
                Да не импульс унести, а момент импульса. Падающее вещество должно его как-то потерять. Это может быть потеря энергии вращающегося диска (скажем ЭМ излучение), а я придумал, что ещё гравитны учитывать нужно. Момент импульса направлен именно вдоль оси вращения частицы, значит нам нужно преобладание фотонов и гравитонов со спином «вверх» (относительно оси вращения) над частицами со спином «вниз» в исходящем из системы потоке.
                Но у нас будет преимущественное направление падающего потока вещества, если это просто случай системы «компактный объект + не очень маленькая звезда». Там по крайней мере можно надеятся, что за время много меньше периода вращения звезды и БК/НЗ в двойной системе (скажем 15и часов) направление прилета вещества на звезду будет постоянным.
                0
                веещство не обязано падать с моментом импульса таким, какой именно разгонит пульсар
                Обязано. И вещество и пульсар образовались из одного облака, значит и направление вращения у них совпадает.
                  0
                  Есть звезда с протопланетным диском, у которой его внутренняя честь вращается в одну сторону, а внешняя — в другую.
                  Так что редкие случаи ещё не невозможность встретить.
                    0
                    Нужно считать. Так как основной вариант падения вещества на компактный объект действительно образование этого объекта в двойных системах, то наверное там будет момент импульса в нужном направлении. Можно было бы подумать о тройных системах — как в смысле «компактный объект + пара», так и в смысле «компактный объект как части пары». В таких системах возможны свои особенности, но учесть в модели сохранение момента импульса всей системы «3 звезды + газ» будет сложнее.
              +3
              они состоят из нейтронов всего на 90%

              Довольно интересный оборот речи.
                0
                А как обстоят дела со сферичностью у горизонта событий черных дыр?
                Ведь они тоже вращаються? вроде во вселенной очень трудно найти объект который не вращается?
                И какая форма у сингулярности вращающейся черной дыры? точки или 1 мерное кольцо?
                  0
                  Горизонт событий — это чисто расчётный радиус, физической материи на нём нет
                  0
                  Но если эти нейтронные звёзды быстро вращались, то некоторое время они могут оставаться нейтронной звездой, пока достаточно энергии не будет испущено в виде гравитационных волн, и они не достигнут состояния критической нестабильности. Такой процесс может увеличить максимальную массу нейтронной звезды, по крайней мере, временно, на 10-20%.

                  Поясните, пожалуйста, этот момент. Как это — «временно увеличить максимальную массу»? «Отодвинуть вверх» предел массы, до которой она ещё не ЧД? Т.е. быстро вращающаяся НЗ в какой-то момент потеряет достаточно скорости и может ВНЕЗАПНО стать чёрной дырой? И куда тогда денется её магнитное поле?
                    0
                    Силе гравитации противодействует сила давления (как-то описываем «нейтронное» ядро для звезды массой больше максимальной для БК) и центробежная сила. Для центробежной силы нужна кинетическая энергия. Гравитационные волны — способ потерять эту энергию. Правда я не знаю, насколько заметными будут гравитационные волны именно от НЗ массой 2.75..3 солнечных.
                    Ага, речь именно о слиянии нейтронных звезд. Там конечно будет большая энергия вращения у этого тела и заметный квадрупольный момент. Испускание слабых гравитационных волн я предполагаю даже от «гидродинамической» эволюции такой «двойной капли».
                    0

                    ЧВФ
                    «У пульсара, имеется внешняя оболочка из протонов, создающих (при вращении) чрезвычайно сильное магнитное поле, в триллион раз превышающее таковое на поверхности Солнца» — Почему же протоны (без электронов) не разлетаются?
                    У нас в S_теории предложена другая модель образования мощного магнитного поля НЗ (пульсаров, магнетаров) в виде регулярной структуры «упаковки» нейтронов. Все нейтроны имеют собственные дипольные и магнитные моменты. При определенной «укладке» нейтронов (определяемой их э/м моментами) их магнитные моменты складываются и образуют мощное магнитное поле НЗ.

                      0
                      Протоны на пульсаре безусловно есть, и чем ближе к поверхности — тем больше. Вперемешку с электронами.
                      А «регулярная упаковка» барионов тоже вполне может иметь место.
                      0
                      black_semargl — Браво!

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое