Neutroncsillag alatt egy rendkívül kompakt, gyorsan forgó csillagot értünk, amely gyakorlatilag neutronokból áll. Ezek a maradványok általában egy nagy tömegű csillag szupernóvaként bekövetkező összeomlása után jönnek létre: a külső rétegek kilökődnek, a mag pedig olyan sűrűre tömörödik, hogy a protonok és elektronok egymással egyesülnek, neutront alkotva.

Alapvető jellemzők

A neutroncsillagok rendkívül sűrű objektumok: tipikus rádiuszuk mindössze körülbelül 11–11,5 kilométer sugarúak, miközben Tömegük elérheti a Nap tömegének nagyjából kétszeresét – vagyis egy csillag, amelynek tömege közel van a Napénak, a teljes anyaga egy kis gömbbe sűrítve fér el. Emiatt ezek a legkisebb és legsűrűbb ismert csillagok az Univerzumban.

A sűrűség nagyságrendi összehasonlításához gondoljunk arra, hogy ha a Napunk teljes tömegét olyan méretre zsugorítanánk, hogy egy ~19 km átmérőjű gömböt töltsön meg, akkor a belső anyag sűrűsége hasonló volna a neutroncsillagokéhoz. Egyetlen teáskanálnyi anyag ebből a csillagból milliárdnyi tonnákat nyomna.

Belső szerkezet

A neutroncsillag belső szerkezete réteges. A külső kéregben még megtalálhatók atommagok és elektronszárazság, majd mélyebben egyre neutronsűrűbb rétegek következnek. A belső rétegekben az anyag sűrűsége megközelíti az atommagét; a magban egzotikus részecskék (pl. hiperonok), vagy akár kvarkanyag megjelenése is lehetséges, ez azonban a sűrű anyagra vonatkozó egyenletek (EOS) függvénye és jelenleg kutatás tárgya.

Gravitáció és mágneses tér

A felszíni gravitációs mező rendkívül erős: tipikusan a Földi érték többszörösét jelenti — a felszíni gravitáció akár 2×1011-szerese lehet a Földénél, azaz a súlyérzet óriási lenne. A neutroncsillagoknak erős mágneses terük van is; a dipólusmezők tipikus nagyságrendje nagyjából 108–1015-ször erősebb, mint a Földé, és ez a mágneses tér fontos szerepet játszik a sugárzáskibocsátásban és a környező anyag viselkedésében.

Forgás, pulzárok és kettős rendszerek

A neutroncsillagok gyakran nagyon gyorsan forognak: a megfigyelt periódusok 0,001 másodperctől akár 30 másodpercig terjednek. A leggyorsabbak, az ún. millisecond pulzárok, másodperc töredéke alatt fordulnak meg. Ha a forgási tengely és a mágneses tengely nincsenek egybe, a sugárzás egy fénykútszerű mintázatot hoz létre: ennek periodikus be-/kikapcsolása okozza a tőlük érkező, igen pontos rádió-, röntgen- vagy gamma-impulzusokat—ezeket nevezzük Pulzárokként elektromágneses sugárzást kibocsátó objektumoknak.

Kettős rendszerekben egy neutroncsillag és egy társ (másik neutroncsillag, fehér törpe vagy csillag) kölcsönhatása gravitációs hullámokat és anyagátadást eredményezhet. Két neutroncsillag összeolvadása robbanásszerű eseményt (kilonovákat) és erős gravitációs hullámjelet hoz létre; az ilyen események fontos helyet foglalnak el a nehéz elemek (r-procesz) kialakulásának magyarázatában.

Magnetárok

Bizonyos neutroncsillagok különösen erős mágneses térrel rendelkeznek: ezeket magnetároknak nevezik. A kettős pulzárok és a magnetárok közötti eltérés abban rejlik, hogy a magnetárok mágneses energiája uralja a csillag külső rétegeit, ami időnként hirtelen energiafelszabadulásokhoz, röntgen- vagy gamma-kitörésekhez (soft gamma repeater, anomalous X-ray pulsar jelenségek) és "csillagszakadásokhoz" (starquakes) vezet.

Hőmérséklet és hűlés

Újonnan keletkezett neutroncsillagok belső hőmérséklete rendkívül magas lehet (akár ~1011 K), de gyorsan hűlnek neutrínók kibocsátásával. A megfigyelhető, felszíni hőmérsékletű neutroncsillagok általában sokkal hidegebbek: a megfigyelések szerint a felszíni hőmérsékletük jellemzően körülbelül Hőmérsékletük 600000 K nagyságrendű lehet, bár fiatalabb példányok ennél jóval melegebbek is lehetnek.

Megfigyelés és tudományos jelentőség

  • A neutroncsillagokat rádió-, röntgen- és gamma-tartományban figyelik meg; pulzusidejük rendkívül stabil, ezért precíz időmérésekre (időmérés, navigáció, tesztek általános relativitáselmélettel szemben) alkalmasak.
  • Kettős neutroncsillag-rendszerek és azok összeolvadásai fontos forrásai a gravitációs hullámoknak; az ilyen események megfigyelése (pl. GW170817) új ablakot nyitott az asztrofizikára és a nukleoszintézis kutatására.
  • Neutroncsillagok belső anyagának vizsgálata teszteli a sűrű anyagra vonatkozó fizikai törvényeket és az atommagok viselkedését rendkívüli körülmények között (az ún. egyenlet állapotának meghatározása).

Összefoglalás

A neutroncsillagok kis méretű, de rendkívül tömör objektumok: a Nap tömegéhez hasonló anyag egy mindössze néhány tíz kilométer átmérőjű térfogatban. Erős gravitációs és mágneses tereik, gyors forgásuk és változatos sugárzási mechanizmusaik miatt alapvető szerepet játszanak az asztrofizikában és a modern gravitációs- illetve részecskefizikai kutatásokban.