Neutroncsillag: definíció, tulajdonságok, pulzárok és magnetárok
Fedezd fel a neutroncsillagok titkait: definíció, sűrűség, forgás, pulzárok és magnetárok — lenyűgöző adatok és magyarázatok egy cikkben.
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.
A PSR B1509-58 pulzár, egy gyorsan forgó neutroncsillag sugárzása a közeli gázokat röntgensugárban izzóvá teszi (arany, Chandra), és megvilágítja a köd többi részét, itt infravörösben látható (kék és piros, WISE).
Egy modell, amely megmutatja, hogyan nézne ki egy neutroncsillag belülről.
Történelem
1934-ben Walter Baade és Fritz Zwicky felvetette a neutroncsillagok létezését, mindössze egy évvel azután, hogy James Chadwick felfedezte a neutront.
A szupernóva eredetét kutatva felvetették, hogy a szupernóva-robbanásokban a közönséges csillagok olyan csillagokká alakulnak át, amelyek rendkívül sűrűn elhelyezkedő neutronokból állnak, ezeket nevezték el neutroncsillagoknak. Baade és Zwicky felvetette, hogy a neutroncsillagok gravitációs kötési energiájának felszabadulása hajtja a szupernóvát: "A szupernóvafolyamatban tömeges tömeg megsemmisül".
A neutroncsillagokról azt gondolták, hogy túl halványak ahhoz, hogy észlelhetőek legyenek. Kevés munkát végeztek velük 1967 novemberéig, amikor Franco Pacini (1939-2012) rámutatott, hogy ha a neutroncsillagok forognak és nagy mágneses mezővel rendelkeznek, akkor elektromágneses hullámokat bocsátanak ki. Antony Hewish rádiócsillagász és kutatóasszisztense, Jocelyn Bell Cambridge-ben hamarosan rádióimpulzusokat észlelt a csillagokból, amelyeket ma pulzároknak neveznek.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a neutroncsillag?
V: A neutroncsillag egy nagyon kicsi és sűrű csillag, amely szinte teljes egészében neutronokból áll. Sugara körülbelül 11-11,5 kilométer, tömege pedig körülbelül kétszerese a Napénak.
K: Milyen sűrű egy neutroncsillag?
V: A csillag sűrűsége olyan, mint egy atommagé, gravitációs mezeje a felszínen 2x1011-szer erősebb, mint a Földön. Hogy ezt szemléletessé tegyük, a Napunk összes tömegét egy 19 kilométer átmérőjű gömbbe lehetne belenyomni. Egy teáskanálnyi anyag a neutroncsillagból 6 milliárd tonna súlyú lenne.
K: Milyen gyorsan forognak a neutroncsillagok?
V: A neutroncsillagok nagyon gyorsan forognak, 0,001 másodperctől akár 30 másodpercig is elfordulhatnak.
K: Milyen típusok léteznek?
V: Vannak különböző típusok, mint például pulzárok, magnetárok és kettős pulzárok, amelyek elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, vagy erős mágneses mezővel rendelkeznek, amely 108 és 1015-ször erősebb, mint a Földön lévő mágneses mező.
K: Milyen hőmérsékletűek jellemzően?
V: A megfigyelhető neutroncsillagok nagyon forróak, és jellemzően 600000 K (600000 Kelvin-fok) körüli felszíni hőmérsékletűek.
Keres