W 1933 roku na zjeździe American Physical Society została ogłoszona koncepcja istnienia gwiazd neutronowych. Ogłosili ją dwaj naukowcy – Niemiec Walter Baade i Szwajcar Fritz Zwicky.
W 1938 roku rosyjski fizyk, Lew Dawidowicz Landau, opracował teorię powstawania gwiazd neutronowych. Naukowcy podejrzewali, że w procesie powstawania supernowej masa gwiazdy jest w znacznym stopniu unicestwiana, a jej pozostałości zapadają się do niewielkiego obiektu. Obiekt ów miał być zbyt mały i słaby, aby można było go wykryć. Jednak w 1967 roku Antony Hewish i Jocelyn Bell odkryli pulsar, tym samym potwierdzając istnienie gwiazd neutronowych.
Naukowcy odkryli, iż gwiazdy neutronowe wirują i w związku z tym wytwarzają duże pola magnetyczne. W takim razie powinny też emitować fale elektromagnetyczne.
Czym jest gwiazda neutronowa?
Gwiazda neutronowa jest gwiazdą zdegenerowaną. Oznacza to, że w swoim wnętrzu zawiera materię zdegenerowaną , w której ciśnienie i inne własności fizyczne są determinowane prawami mechaniki kwantowej.
Materia, z której zbudowana jest gwiazda neutronowa jest niewyobrażalnie wręcz gęsta. Gwiazdy tego typu, o średnicy mierzącej zaledwie około 25 kilometrów, mają masę zbliżoną do masy dwóch Słońc. Nie ma we Wszechświecie nic równie gęstego jak materia, która tworzy gwiazdy neutronowe. Gęstość i siła grawitacji panujące w owej materii są niebotycznie wielkie.
Gwiazda neutronowa składa się z czterech obszarów:
- skorupy zewnętrznej (jej materia złożona jest z silnie zdegenerowanych jonów i elektronów. Gęstości w dolnej części tej warstwy, sięgającej kilkuset metrów, są tak wysokie, że pojawia się wyciek neutronów)
- skorupy wewnętrznej (tu materia składa się z elektronów, swobodnych neutronów i jąder atomowych. Grubość tej warstwy to około 1 km)
- jądra zewnętrznego (tu materia zbudowana jest głównie z neutronów i w mniejszej ilości z protonów, mionów i elektronów)
- jądra wewnętrznego (występuje w najbardziej masywnych gwiazdach neutronowych).
Umownie granica między jądrem zewnętrznym a wewnętrznym jest określona gęstością około 5,5 * 1014 g/cm3. Powyżej tej gęstości struktura materii nie jest już dokładnie określona równaniem stanu wynikającym ze znanych praw fizyki jądrowej.
Gwiazda protoneutronowa to młoda, gorąca gwiazda neutronowa. Taka gwiazda może w jądrze pochłaniać neutrina, dla których Ziemia jest niemal przezroczysta. W efekcie zwiększa się ciśnienie i rozmiar gwiazdy, ale także zmniejsza się degeneracja jej materii.
Tę równowagę destabilizuje ucieczka neutrin z gwiazdy , która mogłaby prowadzić do wybuchu supernowej, gdyby nie fakt, że nie ma tam niezdegenerowanej materii napędzającej falę uderzeniową.
Jak powstaje gwiazda neutronowa?
Gwiazda neutronowa powstaje w późnym stadium ewolucji gwiazdy w efekcie wybuchu gwiazdy, czyli supernowej. Gwiazda o masie większej niż 10 mas Słońca, wytwarza rdzeń dorównujący wielkością Ziemi, w którym nie mogą już zachodzić reakcje syntezy jądrowej. Elektrony poruszające się wówczas z ogromną prędkością łączą się z protonami, w wyniku czego powstają neutrony.
Rdzeń zapada się i zamienia w gwiazdę neutronową. Część wyzwolonej energii zostaje przekazana materii, która otacza rdzeń i z prędkością kilkunastu tysięcy kilometrów na sekundę rozbiega się w przestrzeni kosmicznej. Z daleka zjawisko jest widoczne jako gwałtowny rozbłysk gwiazdy i jest określane mianem supernowej II typu.
Najcięższa gwiazda neutronowa
Nosi łatwą do zapamiętania nazwę, J0740 + 6620 i pomimo tego, że jest kulą o średnicy wynoszącej jedynie 20 – 30 kilometrów, to ma masę 2,17 razy większą niż Słońce. Największa gwiazda neutronowa została odkryta przez naukowców z University of Virginia w 2019 roku.
To szybko wirujący pulsar, który znajduje się mniej więcej 4600 lat świetlnych od Ziemi. Skompresowany do wielkości kostki cukru, ważyłby na Ziemi 100 milionów ton. Prawdopodobnie jest to granica tego, jak zwartym i masywnym może stać się pojedynczy obiekt bez zapadnięcia się w czarną dziurę. Jak powiedziała o gwiazdach neutronowych Thankful Cromartie, współautorka odkrycia – Te obiekty, o wielkości miast są w zasadzie gigantycznymi jądrami atomowymi. Są tak masywne, że ich wnętrza nabierają wyjątkowych właściwości. Znalezienie maksymalnej masy, na którą pozwala fizyka i przyroda, może nam wiele powiedzieć o tym niedostępnym królestwie astrofizyki. – Z kolei inny naukowiec z zespołu badawczego, Scott Ransom wyjaśnia – Gwiazdy neutronowe mają punkt krytyczny, w którym ich gęstości wewnętrzne stają się tak ekstremalne, że siła grawitacji przytłacza nawet zdolność neutronów do przeciwdziałania dalszemu zapadaniu się. Każda masywna gwiazda neutronowa, którą znajdujemy, przybliża nas do zidentyfikowania tego punktu krytycznego i pomaga nam zrozumieć fizykę materii przy tych oszałamiających gęstościach.
Gwieździe towarzyszy inna gwiazda – biały karzeł. Dzięki niej naukowcy obliczyli masę najcięższej gwiazdy neutronowej. Posłużyli się przy tym zjawiskiem zwanym „opóźnieniem Shapiro”, czyli opóźnieniem sygnału radiowego pod wpływem grawitacji. Analizując odkształcenia sygnałów radiowych pulsara spowodowane grawitacją białego karła naukowcy obliczyli masę karła, a znając ją mogli również obliczyć masę samego pulsara.
Gwiazda neutronowa a Ziemia
Zaskakujących informacji dostarczyło odkrycie naukowców z Uniwersytetu Columbii. Okazuje się że do powstania Ziemi mogło się przyczynić zderzenie gwiazd neutronowych.
Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych, mające miejsce 4,6 miliarda lat temu, zostało przez amerykańskich astrofizyków zidentyfikowane jako źródło części materii. Zresztą eksplozje gwiazd we Wszechświecie nie jest niczym wyjątkowym. Według astronomów mają miejsce średnio co sekundę. Gdyby kosmos nie był tak ogromny, ogromne wiązki śmiertelnego promieniowania wydzielane podczas wybuchu mogłyby zniszczyć całkowicie warstwę ozonową Ziemi. Ziemska atmosfera zostałaby naruszona, co skutkowałoby wyginięciem życia.na Ziemi.
Według badaczy meteoryty powstałe we wczesnym Układzie Słonecznym posiadają dużą ilość radioaktywnych izotopów. Kiedy izotopy ulegają rozpadowi można ocenić, kiedy powstały.
Naukowcy twierdzą, że w tym kosmicznym zderzeniu powstało 0,3 % najcięższych pierwiastków na Ziemi, takich jak złoto, uran czy platyna.
Gwiazdy neutronowe: ciekawostki
- Zaobserwowane po raz pierwszy 17 sierpnia 2017 roku fale grawitacyjne GW170817 oraz towarzyszący im rozbłysk gamma GRB 170817 A były efektem zderzenia się dwóch gwiazd neutronowych w galaktyce NGC 4993. Odkrycie było kolejnym potwierdzeniem istnienia fal grawitacyjnych, które też pozwoliły określić masę powstałego obiektu – wynosi ona około 2,7 razy więcej niż masa Słońca. W związku z tym pojawiło się pytanie – czym ów obiekt jest. Czy najbardziej masywną gwiazdą neutronową, czy też najmniej masywną czarną dziurą. Choć początkowe badania pozwalały sądzić, że to czarna dziura, to późniejsze dowiodły, iż powstały twór jest prawdopodobnie pierwszym w historii odkrytym „supermagnetycznym magnetarem”, czyli jednym z rodzajów gwiazdy neutronowej. Nie jest jednak wykluczone, że za jakiś czas magnetar stanie się czarną dziurą. Być może już tak się stało.
- Pulsary zawdzięczają swoją nazwę podwójnym wiązkom fal radiowych, które emitują ze swoich biegunów magnetycznych. Wiązki te przemierzają przestrzeń, obracając się setki razy na sekundę. Astronomowie wykorzystują pulsary jako kosmiczny odpowiednik zegarów atomowych, ponieważ pulsary wirują z ogromną prędkością i regularnością. Dzięki tak precyzyjnemu mierzeniu czasu naukowcy mogą badać naturę czasoprzestrzeni i mierzyć masy obiektów gwiezdnych.
- Najbardziej znanym pulsarem jest pulsar w Mgławicy Kraba. W centrum tej mgławicy znajduje się ultra gęsta gwiazda neutronowa, rotująca 30 razy na sekundę. Gwiazda ta, wydziela energię, która odpowiada energii wysyłanej przez mgławicę Kraba. Wybuch supernowej, który utworzył tę mgławicę i pulsar, został dostrzeżony w 1054. Niebo w nocy było jasne przez kilka kolejnych dni. Wiemy o tym dzięki relacjom z wielu ówczesnych kronik.