Weißer Zwerg, Neutronenstern, Schwarzes Loch. Schwerkraft, Allgemeine Relativitätstheorie, Neutronensterne und Schwarze Löcher

Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher sind verschiedene Formen das letzte Stadium der Sternentwicklung. Junge Sterne beziehen ihre Energie aus thermonuklearen Reaktionen, die im Inneren des Sterns ablaufen; Bei diesen Reaktionen wird Wasserstoff in Helium umgewandelt. Nachdem ein bestimmter Anteil an Wasserstoff verbraucht ist, beginnt der resultierende Heliumkern zu schrumpfen. Die weitere Entwicklung eines Sterns hängt von seiner Masse ab, genauer gesagt davon, wie sie sich auf einen bestimmten kritischen Wert bezieht, der als Chandrasekhar-Grenze bezeichnet wird. Wenn die Masse des Sterns unter diesem Wert liegt, stoppt der Druck des entarteten Elektronengases die Kompression (Kollaps) des Heliumkerns, bevor seine Temperatur einen so hohen Wert erreicht, wenn thermonukleare Reaktionen beginnen, bei denen Helium in Kohlenstoff umgewandelt wird . Unterdessen werden die äußeren Schichten des sich entwickelnden Sterns relativ schnell abgeworfen. (Es wird angenommen, dass auf diese Weise planetarische Nebel entstehen.) Ein Weißer Zwerg ist ein Heliumkern, der von einer mehr oder weniger ausgedehnten Wasserstoffhülle umgeben ist.

Bei massereicheren Sternen zieht sich der Heliumkern weiter zusammen, bis das Helium „ausbrennt“. Die bei der Umwandlung von Helium in Kohlenstoff freigesetzte Energie verhindert, dass der Kern weiter kollabiert – allerdings nicht für lange. Nachdem das Helium vollständig verbraucht ist, setzt sich die Kompression des Kerns fort. Die Temperatur steigt wieder an, weitere Kernreaktionen beginnen, die so lange ablaufen, bis die in den Atomkernen gespeicherte Energie erschöpft ist. Zu diesem Zeitpunkt besteht der Kern des Sterns bereits aus reinem Eisen, das die Rolle der nuklearen „Asche“ spielt. Jetzt kann nichts mehr den weiteren Kollaps des Sterns verhindern – er geht weiter, bis die Dichte seiner Materie die Dichte von Atomkernen erreicht. Die starke Kompression der Materie in den zentralen Regionen des Sterns erzeugt eine Explosion von enormer Kraft, wodurch die äußeren Schichten des Sterns mit enormer Geschwindigkeit auseinanderfliegen. Es sind diese Explosionen, die Astronomen mit dem Phänomen der Supernovae assoziieren.

Das Schicksal eines kollabierenden Sternrestes hängt von seiner Masse ab. Wenn die Masse weniger als etwa 2,5 M 0 (die Masse der Sonne) beträgt, ist der Druck aufgrund der „Null“-Bewegung von Neutronen und Protonen groß genug, um eine weitere gravitative Kompression des Sterns zu verhindern. Objekte, deren Materiedichte gleich der Dichte von Atomkernen ist (oder diese sogar übersteigt), werden Neutronensterne genannt. Ihre Eigenschaften wurden erstmals in den 30er Jahren von R. Oppenheimer und G. Volkov untersucht.

Nach Newtons Theorie verringert sich der Radius eines kollabierenden Sterns in endlicher Zeit auf Null, während das Gravitationspotential auf unbestimmte Zeit zunimmt. Einsteins Theorie zeichnet ein anderes Szenario. Die Geschwindigkeit des Photons nimmt ab, je mehr es sich dem Zentrum des Schwarzen Lochs nähert, es entsteht gleich Null. Das bedeutet, dass ein Photon, das in ein Schwarzes Loch fällt, aus der Sicht eines externen Beobachters niemals dessen Zentrum erreichen wird. Da sich Materieteilchen nicht schneller als ein Photon bewegen können, wird der Radius eines Schwarzen Lochs erreicht Grenzwert für unendliche Zeit. Darüber hinaus erfahren die von der Oberfläche des Schwarzen Lochs emittierten Photonen während des Kollaps eine zunehmende Rotverschiebung. Aus der Sicht eines externen Beobachters zieht sich das Objekt, aus dem das Schwarze Loch entsteht, zunächst immer schneller zusammen; dann beginnt sein Radius immer langsamer abzunehmen.

Ohne interne Energiequellen kühlen Neutronensterne und Schwarze Löcher schnell ab. Und da ihre Oberfläche sehr klein ist – nur wenige Dutzend Quadratkilometer – muss man damit rechnen, dass die Helligkeit dieser Objekte äußerst gering ist. Tatsächlich wurde bisher keine Wärmestrahlung von der Oberfläche von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern beobachtet. Einige Neutronensterne sind jedoch starke Quellen nichtthermischer Strahlung. Die Rede ist von den sogenannten Pulsaren, die 1967 von Jocelyn Bell, einer Doktorandin an der Universität Cambridge, entdeckt wurden. Bell untersuchte Radiosignale, die mit Geräten aufgezeichnet wurden, die Anthony Hewish entwickelt hatte, um die Strahlung oszillierender Radioquellen zu untersuchen. Unter den vielen Aufnahmen chaotisch flackernder Quellen fiel ihr eine auf, bei der sich die Ausbrüche mit deutlicher Periodizität wiederholten, obwohl sie in ihrer Intensität variierten. Detailliertere Beobachtungen bestätigten die exakt periodische Natur der Impulse, und bei der Untersuchung anderer Aufzeichnungen wurden zwei weitere Quellen mit denselben Eigenschaften entdeckt. Beobachtungen und theoretische Analysen deuten darauf hin, dass Pulsare schnell rotierende Neutronensterne mit ungewöhnlich starken Magnetfeldern sind. Die pulsierende Natur der Strahlung wird durch einen Strahlenstrahl verursacht, der von „Hot Spots“ auf (oder in der Nähe) der Oberfläche eines rotierenden Neutronensterns austritt. Der detaillierte Mechanismus dieser Strahlung bleibt für Wissenschaftler immer noch ein Rätsel.

Als Teil enger Doppelsternsysteme wurden mehrere Neutronensterne entdeckt. Es sind diese (und keine anderen) Neutronensterne, die starke Quellen für Röntgenstrahlung sind. Stellen wir uns einen nahen Doppelstern vor, dessen eine Komponente ein Riese oder Überriese und die andere ein kompakter Stern ist. Unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes eines kompakten Sterns kann Gas aus der verdünnten Atmosphäre des Riesen ausströmen: Solche Gasströme in engen Doppelsternsystemen, die schon lange durch Methoden der Spektralanalyse entdeckt wurden, haben eine entsprechende theoretische Interpretation erhalten. Wenn der kompakte Stern in einem Doppelsternsystem ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist, können Gasmoleküle, die aus einer anderen Komponente des Systems austreten, auf sehr hohe Energien beschleunigt werden. Durch Kollisionen zwischen Molekülen wird die kinetische Energie von Gas, das auf einen kompakten Stern fällt, schließlich in Wärme und Strahlung umgewandelt. Wie Schätzungen zeigen, erklärt die dabei freigesetzte Energie vollständig die beobachtete Intensität der Röntgenemission von binären Systemen dieses Typs.

In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie nehmen Schwarze Löcher denselben Platz ein wie ultrarelativistische Teilchen in seiner spezielle Theorie Relativität. Aber wenn die Welt der ultrarelativistischen Teilchen – die Hochenergiephysik – voller erstaunlicher Phänomene ist, die eine Rolle spielen wichtige Rolle In der Experimentalphysik und beobachtenden Astronomie sorgen die mit Schwarzen Löchern verbundenen Phänomene immer noch nur für Überraschung. Die Physik Schwarzer Löcher wird irgendwann zu Ergebnissen führen, die für die Kosmologie wichtig sind, doch derzeit ist dieser Wissenschaftszweig größtenteils ein Spielplatz für Theoretiker. Folgt daraus nicht, dass Einsteins Gravitationstheorie uns weniger Informationen über das Universum liefert als Newtons Theorie, obwohl sie dieser theoretisch deutlich überlegen ist? Gar nicht! Im Gegensatz zu Newtons Theorie bildet Einsteins Theorie die Grundlage für ein in sich konsistentes Modell des realen Universums als Ganzes. Diese Theorie enthält viele erstaunliche und überprüfbare Vorhersagen und stellt schließlich einen kausalen Zusammenhang zwischen frei fallenden, nicht rotierenden Referenzen her Rahmen und die Verteilung, sowie die Bewegung der Masse im Kosmosraum.

Im Weltraum passieren viele erstaunliche Dinge, wodurch neue Sterne entstehen, alte verschwinden und schwarze Löcher entstehen. Einer der großartigsten und mysteriöse Phänomene Es kommt zum Gravitationskollaps, der die Entwicklung der Sterne beendet.

Die Sternentwicklung ist der Zyklus von Veränderungen, den ein Stern im Laufe seines Lebens (Millionen oder Milliarden Jahre) durchläuft. Wenn der darin enthaltene Wasserstoff zur Neige geht und sich in Helium verwandelt, entsteht ein Heliumkern, und er selbst beginnt sich in einen Roten Riesen zu verwandeln – einen Stern später Spektralklassen mit hoher Leuchtkraft. Ihre Masse kann das 70-fache der Sonnenmasse betragen. Sehr helle Überriesen werden Hyperriesen genannt. Neben der hohen Helligkeit unterscheiden sie sich kurze Zeit Existenz.

Die Essenz des Zusammenbruchs

Dieses Phänomen gilt als Endpunkt der Entwicklung von Sternen, deren Gewicht mehr als drei Sonnenmassen (das Gewicht der Sonne) beträgt. Diese Größe wird in der Astronomie und Physik verwendet, um das Gewicht anderer kosmischer Körper zu bestimmen. Zum Kollaps kommt es, wenn riesige kosmische Körper mit großer Masse durch Gravitationskräfte sehr schnell komprimiert werden.

Sterne mit einem Gewicht von mehr als drei Sonnenmassen enthalten genügend Material für langanhaltende thermonukleare Reaktionen. Wenn die Substanz aufgebraucht ist, stoppt die thermonukleare Reaktion und die Sterne verlieren ihre mechanische Stabilität. Dies führt dazu, dass sie beginnen, sich mit Überschallgeschwindigkeit zur Mitte hin zu verdichten.

Neutronensterne

Wenn sich Sterne zusammenziehen, entsteht ein innerer Druck. Wenn er mit ausreichender Kraft wächst, um die Gravitationskompression zu stoppen, entsteht ein Neutronenstern.

Ein solcher kosmischer Körper hat eine einfache Struktur. Ein Stern besteht aus einem Kern, der von einer Kruste bedeckt ist, die wiederum aus Elektronen und Atomkernen besteht. Er ist etwa 1 km dick und im Vergleich zu anderen im Weltraum vorkommenden Körpern relativ dünn.

Das Gewicht von Neutronensternen entspricht dem Gewicht der Sonne. Der Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass ihr Radius klein ist – nicht mehr als 20 km. In ihnen interagieren Atomkerne miteinander und bilden so Kernmaterie. Es ist der Druck von seiner Seite, der verhindert, dass sich der Neutronenstern weiter zusammenzieht. Dieser Sterntyp hat eine sehr hohe Rotationsgeschwindigkeit. Sie sind in der Lage, innerhalb einer Sekunde Hunderte von Umdrehungen durchzuführen. Der Geburtsprozess beginnt mit einer Supernova-Explosion, die während des Gravitationskollapses eines Sterns auftritt.

Supernovae

Eine Supernova-Explosion ist ein Phänomen plötzlicher Wechsel Helligkeit des Sterns. Dann beginnt der Stern langsam und allmählich zu verblassen. Damit endet die letzte Phase des Gravitationskollapses. Die gesamte Katastrophe geht mit der Freilassung einher große Menge Energie.

Es ist zu beachten, dass die Bewohner der Erde dieses Phänomen erst im Nachhinein sehen können. Das Licht erreicht unseren Planeten lange nach dem Ausbruch. Dies hat zu Schwierigkeiten bei der Bestimmung der Natur von Supernovae geführt.

Kühlung von Neutronensternen

Nach dem Ende der Gravitationskontraktion, die zur Bildung eines Neutronensterns führte, ist seine Temperatur sehr hoch (viel höher als die Temperatur der Sonne). Der Stern kühlt aufgrund der Neutrinokühlung ab.

Innerhalb weniger Minuten kann ihre Temperatur um das Hundertfache sinken. In den nächsten hundert Jahren – weitere 10 Mal. Nach dem Absinken verlangsamt sich der Abkühlungsprozess deutlich.

Oppenheimer-Volkoff-Grenze

Dieser Indikator spiegelt einerseits das maximal mögliche Gewicht eines Neutronensterns wider, bei dem die Schwerkraft durch Neutronengas kompensiert wird. Dies verhindert, dass der Gravitationskollaps in einem Schwarzen Loch endet. Andererseits ist die sogenannte Oppenheimer-Volkoff-Grenze auch eine untere Schwelle für das Gewicht eines Schwarzen Lochs, das während der Sternentwicklung entstanden ist.

Aufgrund einer Reihe von Ungenauigkeiten ist es schwierig, den genauen Wert dieses Parameters zu bestimmen. Schätzungen zufolge liegt sie jedoch im Bereich von 2,5 bis 3 Sonnenmassen. An dieser Moment Wissenschaftler sagen, dass der schwerste Neutronenstern J0348+0432 ist. Sein Gewicht beträgt mehr als zwei Sonnenmassen. Das leichteste Schwarze Loch wiegt 5-10 Sonnenmassen. Astrophysiker sagen, dass diese Daten experimentell sind und sich nur auf derzeit bekannte Neutronensterne und Schwarze Löcher beziehen und die Möglichkeit der Existenz massereicherer Sterne nahelegen.

Schwarze Löcher

Ein Schwarzes Loch ist eines der erstaunlichsten Phänomene im Weltraum. Es stellt einen Bereich der Raumzeit dar, in dem aufgrund der Anziehungskraft keine Objekte aus ihm entweichen können. Selbst Körper, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen können (einschließlich Lichtquanten selbst), können es nicht verlassen. Vor 1967 wurden Schwarze Löcher „gefrorene Sterne“, „Kollapsare“ und „kollabierte Sterne“ genannt.

Ein Schwarzes Loch hat sein Gegenteil. Man nennt es ein weißes Loch. Wie Sie wissen, ist es unmöglich, aus einem Schwarzen Loch herauszukommen. Was die Weißen betrifft, so kann man sie nicht durchdringen.

Zusätzlich zum Gravitationskollaps kann die Bildung eines Schwarzen Lochs durch einen Kollaps im Zentrum der Galaxie oder im protogalaktischen Auge verursacht werden. Es gibt auch eine Theorie, dass Schwarze Löcher genau wie unser Planet als Folge des Urknalls entstanden sind. Wissenschaftler nennen sie primär.

In unserer Galaxie gibt es ein Schwarzes Loch, das laut Astrophysikern durch den Gravitationskollaps supermassereicher Objekte entstanden ist. Wissenschaftler sagen, dass solche Löcher den Kern vieler Galaxien bilden.

Astronomen in den Vereinigten Staaten vermuten, dass die Größe großer Schwarzer Löcher möglicherweise erheblich unterschätzt wird. Ihre Annahmen basieren auf der Tatsache, dass die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum der M87-Galaxie mindestens betragen muss, damit die Sterne die Geschwindigkeit erreichen, mit der sie sich durch die 50 Millionen Lichtjahre von unserem Planeten entfernte Galaxie M87 bewegen 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Derzeit geht man allgemein davon aus, dass das Gewicht des größten Schwarzen Lochs 3 Milliarden Sonnenmassen beträgt, also mehr als halb so viel.

Synthese von Schwarzen Löchern

Es gibt eine Theorie, dass diese Objekte durch Kernreaktionen entstehen könnten. Wissenschaftler haben ihnen den Namen Quantenschwarzgeschenke gegeben. Ihr minimaler Durchmesser beträgt 10 -18 m und ihre kleinste Masse beträgt 10 -5 g.

Der Large Hadron Collider wurde gebaut, um mikroskopisch kleine Schwarze Löcher zu synthetisieren. Man ging davon aus, dass es mit seiner Hilfe möglich sein würde, ein Schwarzes Loch nicht nur zu synthetisieren, sondern auch zu simulieren Urknall, was es ermöglichen würde, den Entstehungsprozess vieler Weltraumobjekte, einschließlich des Planeten Erde, nachzubilden. Das Experiment scheiterte jedoch, weil die Energie nicht ausreichte, um Schwarze Löcher zu erzeugen.

Die Schwerkraft ist das zugrunde liegende Thema vieler dieser Fragen. Dies ist die bestimmende Kraft im Raum. Sie hält Planeten auf ihren Umlaufbahnen, verbindet Sterne und Galaxien und bestimmt das Schicksal unseres Universums. Die theoretische Beschreibung der Schwerkraft wurde im 17. Jahrhundert von Isaac Newton entwickelt und ist nach wie vor genau genug, um die Flugbahnen von Raumfahrzeugen auf Flügen zum Mars, Jupiter usw. zu berechnen darüber hinaus. Doch nach 1905, als Albert Einstein in seiner speziellen Relativitätstheorie zeigte, dass eine sofortige Informationsübertragung unmöglich sei, erkannten die Physiker, dass Newtons Gesetze nicht mehr ausreichen würden, wenn die Geschwindigkeit der durch die Schwerkraft verursachten Bewegung sich der Lichtgeschwindigkeit näherte. Jedoch, allgemeine Theorie Einsteins Relativitätstheorie (veröffentlicht 1916) beschreibt ziemlich konsistent selbst Situationen, in denen die Schwerkraft extrem stark ist. Die Allgemeine Relativitätstheorie gilt als eine der beiden Säulen der Physik des 20. Jahrhunderts; Die zweite ist die Quantentheorie, eine Ideenrevolution, die unser modernes Verständnis von Atomen und ihren Kernen vorwegnahm. Einsteins intellektuelle Leistung war besonders beeindruckend, weil er im Gegensatz zu den Pionieren der Quantentheorie keinen Anreiz in Form eines experimentellen Problems hatte. Nur 50 Jahre später entdeckten Astronomen Objekte mit einem ausreichend starken Gravitationsfeld, in denen die charakteristischsten und auffälligsten Merkmale von Die Theorie könnte Einstein erscheinen. Anfang der 60er Jahre wurden Objekte mit sehr hoher Leuchtkraft – Quasare – entdeckt. Es schien, dass sie eine noch effizientere Energiequelle als die Kernfusion brauchten, dank der die Sterne leuchten; Der Gravitationskollaps schien die attraktivste Erklärung zu sein. Der amerikanische Theoretiker Thomas Gold drückte die Aufregung aus, die die damaligen Theoretiker erfasste. In einem Nachmittagsvortrag auf der ersten großen Konferenz über das neue Objekt der relativistischen Astrophysik, die 1963 in Dallas stattfand, sagte er: „Relativisten sind mit ihrer anspruchsvollen Arbeit nicht nur eine brillante Zierde der Kultur, sondern sie können auch für die Wissenschaft nützlich sein! Jeder.“ ist glücklich: Relativisten, die das Gefühl haben, dass ihre Arbeit anerkannt wird, dass sie plötzlich zu Experten auf einem Gebiet geworden sind, von dem sie nie wussten, dass es existiert, Astrophysiker, die ihr Tätigkeitsfeld erweitert haben ... Das ist alles sehr schön, hoffen wir, dass es stimmt. „Beobachtungen mit neuen Methoden der Radio- und Röntgenastronomie bestärkten Golds Optimismus. In den 1950er Jahren waren die besten optischen Teleskope der Welt in den Vereinigten Staaten, insbesondere in Kalifornien, konzentriert. Diese Abwanderung aus Europa erfolgte sowohl aus klimatischen als auch aus finanziellen Gründen. Allerdings können sich Radiowellen aus dem Weltraum durch Wolken ausbreiten, sodass sich in Europa und Australien die neue Wissenschaft der Radioastronomie entwickeln könnte, ohne von den Wetterbedingungen beeinflusst zu werden. Einige der stärksten Quellen für Weltraumradiorauschen wurden identifiziert. Einer davon war der Krebsnebel, der sich ausdehnende Überrest einer Supernova-Explosion, die östliche Astronomen im Jahr 1054 beobachteten. Andere Quellen waren entfernte extragalaktische Objekte, von denen wir heute wissen, dass sie Energie in der Nähe riesiger Schwarzer Löcher erzeugten. Diese Entdeckungen waren unerwartet. Die heute recht gut verstandenen physikalischen Prozesse, die für die Emission von Radiowellen verantwortlich sind, wurden nicht vorhergesagt. Die bemerkenswerteste unerwartete Errungenschaft der Radioastronomie war die Entdeckung von Neutronensternen im Jahr 1967 durch Anthony Hewish und Jocelyn Bell. Diese Sterne sind die dichten Überreste, die nach einigen Supernova-Explosionen im Zentrum zurückgeblieben sind. Sie wurden als Pulsare entdeckt: Sie rotieren (manchmal mehrmals pro Sekunde) und senden einen starken Radiowellenstrahl aus, der einmal pro Rotation durch unsere Sichtlinie verläuft. Die Bedeutung von Neutronensternen liegt in ihrem Extrem Physische Verfassung: kolossale Dichten, starke Magnet- und Gravitationsfelder. 1969 wurde im Zentrum des Krebsnebels ein sehr schneller (30 Hz) Pulsar entdeckt. Sorgfältige Beobachtungen zeigten, dass die Frequenz der Impulse allmählich abnahm. Dies wäre natürlich, wenn die Rotationsenergie des Sterns allmählich in einen Partikelwind umgewandelt wird, der den Nebel in blauem Licht leuchten lässt. Interessanterweise ist die Pulsfrequenz des Pulsars – 30 pro Sekunde – so hoch, dass das Auge ihn als konstante Quelle wahrnimmt. Wäre er genauso hell gewesen, hätte sich aber langsamer gedreht – etwa zehnmal pro Sekunde –, wären die bemerkenswerten Eigenschaften des kleinen Sterns möglicherweise schon vor 70 Jahren entdeckt worden. Wie hätte sich die Entwicklung der Physik im 20. Jahrhundert verändert, wenn superdichte Materie in den 1920er Jahren entdeckt worden wäre, bevor Neutronen auf der Erde entdeckt wurden? Obwohl niemand es weiß, ist es sicher, dass die Bedeutung der Astronomie für die Grundlagenphysik schon viel früher erkannt worden wäre. Neutronensterne wurden zufällig entdeckt. Niemand hätte erwartet, dass sie so starke und klare Funkimpulse aussenden würden. Wenn Theoretiker Anfang der 1960er Jahre gefragt worden wären, wie man Neutronensterne am besten entdeckt, hätten die meisten vorgeschlagen, nach Röntgenstrahlen zu suchen. Wenn Neutronensterne in einer viel kleineren Fläche genauso viel Energie aussenden wie normale Sterne, sollten sie tatsächlich heiß genug sein, um Röntgenstrahlen auszusenden. Daher schien es, dass Astronomen, die sich mit Röntgenstrahlung befassen, eine bessere Chance hatten, Neutronensterne zu entdecken. Röntgenstrahlen von kosmischen Objekten werden jedoch absorbiert Erdatmosphäre und kann nur vom Weltraum aus beobachtet werden. Die Röntgenastronomie erhielt ebenso wie die Radioastronomie Impulse aus militärischer Technologie und Erfahrung. Auf diesem Gebiet haben US-Wissenschaftler die Führung übernommen, insbesondere der verstorbene Herbert Friedman und seine Kollegen vom US Naval Research Laboratory. Ihre ersten auf Raketen montierten Röntgendetektoren funktionierten nur wenige Minuten, bevor sie zu Boden fielen. Große Fortschritte machte die Röntgenastronomie in den 1970er Jahren, als die NASA den ersten Röntgensatelliten startete, der über mehrere Jahre hinweg Informationen sammelte. Dieses und viele weitere Projekte zeigten, dass die Röntgenastronomie ein wichtiges neues Fenster ins Universum geöffnet hatte. Röntgenstrahlen werden von ungewöhnlich heißen Gasen und besonders leistungsstarken Quellen emittiert. Daher hebt die Röntgenkarte des Himmels die heißesten und stärksten Objekte im Weltraum hervor. Darunter sind Neutronensterne, in denen eine mindestens so große Masse wie die Sonne in einem Volumen von etwas mehr als 10 Kilometern Durchmesser konzentriert ist. Die auf sie einwirkende Gravitationskraft ist so stark, dass relativistische Korrekturen bis zu 30 % erreichen. Derzeit wird davon ausgegangen, dass einige Überreste von Sternen beim Kollaps die Dichte von Neutronensternen überschreiten und sich in Schwarze Löcher verwandeln können, die Zeit und Raum noch stärker verzerren als Neutronen Sterne. Ein Astronaut, der sich in den Horizont eines Schwarzen Lochs wagt, kann keine Lichtsignale an dieses weiterleiten die Umwelt- als würde der Raum selbst schneller angesaugt, als Licht durch ihn hindurchfließt. Ein externer Beobachter wird nie das endgültige Schicksal des Astronauten erfahren. Es wird ihm so vorkommen, als würde jede Uhr, die hineinfällt, immer langsamer gehen. Der Astronaut wird also sozusagen am Horizont festgehalten und rechtzeitig gestoppt. Die russischen Theoretiker Jakow Seldowitsch und Igor Nowikow, die untersuchten, wie die Zeit um kollabierte Objekte herum verzerrt wird, schlugen Anfang der 1960er Jahre den Begriff „gefrorene Sterne“ vor. Der Begriff „Schwarzes Loch“ wurde 1968 geprägt, als John Wheeler beschrieb, wie „Licht und Partikel, die von außen einfallen, in das Schwarze Loch fallen und nur dessen Masse und Anziehungskraft erhöhen“. Schwarze Löcher sind der letzte Entwicklungszustand von Sternen haben Radien von 10 bis 50 Kilometern. Doch mittlerweile gibt es überzeugende Beweise dafür, dass in den Zentren der meisten Galaxien Schwarze Löcher mit Massen von Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen existieren. Einige von ihnen manifestieren sich als Quasare – Energieklumpen, die heller leuchten als alle Sterne der Galaxien, in denen sie sich befinden, oder als starke Quellen kosmischer Radioemission. Andere, darunter das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, zeigen keine solche Aktivität, beeinflussen aber die Umlaufbahnen von Sternen, die ihnen nahe kommen. Von außen betrachtet sind Schwarze Löcher standardisierte Objekte: Es gibt keine Anzeichen dafür man könnte feststellen, wie ein bestimmtes Schwarzes Loch entstanden ist oder welche Objekte von ihm verschluckt wurden. 1963 entdeckte der Neuseeländer Roy Kerr eine Lösung für Einsteins Gleichungen, die ein kollabiertes rotierendes Objekt beschrieb. Die „Kerr-Lösung“ ist sehr geworden wichtig, als Theoretiker erkannten, dass es die Raumzeit um jedes Schwarze Loch beschreibt. Ein kollabierendes Objekt geht schnell in einen standardisierten Zustand über, der durch nur zwei Zahlen gekennzeichnet ist, die seine Masse und seinen Spin messen. Roger Penrose, der mathematische Physiker, der in den 1960er Jahren vielleicht am meisten zur Wiederbelebung der Relativitätstheorie beigetragen hat, bemerkte: „Es ist etwas ironisch, dass das Bild für das seltsamste und am wenigsten bekannte astrophysikalische Objekt – das Schwarze Loch – in unserer Theorie am vollständigsten ist.“ Die Entdeckung von Schwarzen Löchern ebnete den Weg für die Prüfung der bemerkenswertesten Konsequenzen von Einsteins Theorie. Die Emission solcher Objekte ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass heißes Gas spiralförmig in eine „Schwerkraftgrube“ fällt. Es zeigt einen starken Doppler-Effekt und weist aufgrund des starken Gravitationsfeldes auch eine zusätzliche Rotverschiebung auf. Die spektroskopische Untersuchung dieser Strahlung, insbesondere der Röntgenstrahlung, wird es uns ermöglichen, die Strömung sehr nahe am Schwarzen Loch zu untersuchen und festzustellen, ob die Form des Raums mit den Vorhersagen der Theorie übereinstimmt.

Theoretisch kann sich jeder kosmische Körper in ein Schwarzes Loch verwandeln. Beispielsweise müsste ein Planet wie die Erde auf einen Radius von einigen Millimetern schrumpfen, was in der Praxis natürlich unwahrscheinlich ist. In der neuen Ausgabe mit dem „Enlightener“-Award veröffentlicht T&P einen Auszug aus dem Buch des Physikers Emil Akhmedov „On the Birth and Death of Black Holes“, der erklärt, wie sich Himmelskörper in Schwarze Löcher verwandeln und ob man sie im Schwarzen Loch sehen kann sternenklarer Himmel.

Wie entstehen Schwarze Löcher?

*Wenn eine Kraft einen Himmelskörper auf den seiner Masse entsprechenden Schwarzschildradius komprimiert, dann krümmt er die Raumzeit so stark, dass nicht einmal Licht ihn verlassen kann. Das bedeutet, dass der Körper zu einem Schwarzen Loch wird.

Für einen Stern mit der Masse der Sonne beträgt der Schwarzschildradius beispielsweise etwa drei Kilometer. Vergleichen Sie diesen Wert mit der tatsächlichen Größe der Sonne – 700.000 Kilometer. Gleichzeitig beträgt der Schwarzschild-Radius für einen Planeten mit der Masse der Erde mehrere Millimeter.

[…]Nur die Gravitationskraft ist in der Lage, einen Himmelskörper auf so kleine Größen wie seinen Schwarzschildradius* zu komprimieren, da nur die Gravitationswechselwirkung ausschließlich zur Anziehung führt und mit zunehmender Masse tatsächlich unbegrenzt zunimmt. Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen ist um viele Größenordnungen stärker als die gravitative Wechselwirkung. Es stellt sich jedoch heraus, dass jede elektrische Ladung in der Regel durch eine Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen kompensiert wird. Nichts kann die Gravitationsladung – die Masse – abschirmen.

Ein Planet wie die Erde schrumpft unter seinem eigenen Gewicht nicht auf die entsprechenden Schwarzschild-Dimensionen, weil seine Masse nicht ausreicht, um die elektromagnetische Abstoßung der Kerne, Atome und Moleküle, aus denen er besteht, zu überwinden. Und ein Stern wie die Sonne, der ein viel massereicheres Objekt ist, zieht sich aufgrund des starken gasdynamischen Drucks aufgrund der hohen Temperatur in seinen Tiefen nicht zusammen.

Beachten Sie, dass bei sehr massereichen Sternen mit einer Masse von mehr als hundert Sonnen keine Kompression auftritt, hauptsächlich aufgrund des starken Lichtdrucks. Bei Sternen mit einer Masse von mehr als zweihundert Sonnen reichen weder die Gasdynamik noch der Lichtdruck aus, um die katastrophale Kompression (Kollaps) eines solchen Sterns zu einem Schwarzen Loch zu verhindern. Im Folgenden werden wir jedoch die Entwicklung leichterer Sterne diskutieren.

Licht und hohe Temperatur Sterne sind Produkte thermonuklearer Reaktionen. Diese Reaktion findet statt, weil im Inneren von Sternen genügend Wasserstoff vorhanden ist und die Materie unter dem Druck der gesamten Sternmasse stark komprimiert wird. Eine starke Kompression ermöglicht es, die elektromagnetische Abstoßung identischer Ladungen von Wasserstoffkernen zu überwinden, denn eine thermonukleare Reaktion ist die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern, begleitet von einer großen Energiefreisetzung.

Früher oder später wird die Menge an thermonuklearem Brennstoff (Wasserstoff) stark reduziert, der Lichtdruck wird schwächer und die Temperatur wird sinken. Wenn die Masse des Sterns klein genug ist, wie die der Sonne, durchläuft er die Phase des Roten Riesen und wird zu einem Weißen Zwerg.

Wenn seine Masse groß ist, beginnt der Stern unter seinem eigenen Gewicht zu schrumpfen. Es wird einen Kollaps geben, den wir als Supernova-Explosion betrachten können. Dies ist ein sehr komplexer Prozess, der aus vielen Phasen besteht und dessen Details den Wissenschaftlern noch nicht klar sind, aber vieles ist bereits klar. Das ist zum Beispiel bekannt weiteres Schicksal eines Sterns hängt von seiner Masse im Moment vor dem Kollaps ab. Das Ergebnis einer solchen Kompression kann entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch oder eine Kombination mehrerer solcher Objekte und Weißer Zwerge sein.

„Schwarze Löcher sind das Ergebnis des Zusammenbruchs der meisten schwere Sterne»

Neutronensterne und Weiße Zwerge kollabieren nicht zu Schwarzen Löchern, weil sie nicht genug Masse haben, um den Druck des Neutronen- bzw. Elektronengases zu überwinden. Diese Belastungen sind bedingt Quanteneffekte, wirksam nach sehr starker Kompression. Die Diskussion des Letzteren steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Physik Schwarzer Löcher und würde den Rahmen dieses Buches sprengen.

Befindet sich jedoch beispielsweise ein Neutronenstern in einem Doppelsternsystem, kann er Materie von einem Begleitstern anziehen. In diesem Fall wächst seine Masse und wenn sie einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, kommt es erneut zum Kollaps, diesmal unter Bildung eines Schwarzen Lochs. Die kritische Masse wird aus der Bedingung bestimmt, dass das Neutronengas nicht genügend Druck erzeugt, um eine weitere Kompression zu verhindern.

*Dies ist eine Schätzung. Der genaue Wert des Grenzwerts ist noch nicht bekannt. - Ca. Autor.

Schwarze Löcher sind also das Ergebnis des Zusammenbruchs der schwersten Sterne. Nach modernem Verständnis sollte die Masse des Sternkerns nach dem Ausbrennen des thermonuklearen Brennstoffs mindestens zweieinhalb Sonnenmassen betragen*. Kein uns bekannter Materiezustand ist in der Lage, einen solchen Druck zu erzeugen, der verhindern würde, dass eine so große Masse zu einem Schwarzen Loch komprimiert wird, wenn der gesamte thermonukleare Brennstoff verbrannt wäre. Wir werden die Fakten, die die erwähnte Beschränkung der Masse eines Sterns für die Bildung eines Schwarzen Lochs experimentell bestätigen, etwas später besprechen, wenn wir darüber sprechen, wie Astronomen Schwarze Löcher entdecken. […]

Reis. 7. Missverständnis über den Zusammenbruch im Hinblick auf externer Beobachter wie ein langsamer werdender ewiger Fall, anstatt dass sich ein schwarzer Lochhorizont bildet

Im Zusammenhang mit unserer Diskussion wird es aufschlussreich sein, anhand eines Beispiels an die Verknüpfung verschiedener Ideen und Konzepte in der Wissenschaft zu erinnern. Diese Geschichte kann dem Leser einen Eindruck von der potenziellen Tiefe des diskutierten Themas vermitteln.

Es ist bekannt, dass Galileo als Reaktion auf die Kritik am kopernikanischen System das sogenannte Newtonsche Gesetz der Trägheitsbezugssysteme entwickelte. Die Kritik lautete, dass sich die Erde nicht um die Sonne drehen könne, weil wir sonst nicht auf ihrer Oberfläche bleiben könnten.

Als Antwort argumentierte Galileo, dass sich die Erde durch Trägheit um die Sonne dreht. Aber wir können Trägheitsbewegung nicht von Ruhe unterscheiden, genauso wie wir die Trägheitsbewegung beispielsweise eines Schiffes nicht spüren. Gleichzeitig glaubte er nicht an die Gravitationskräfte zwischen Planeten und Sternen, da er nicht an Fernwirkungen glaubte und er nicht einmal etwas über die Existenz von Feldern wissen konnte. Und eine so abstrakte Erklärung hätte ich damals nicht akzeptiert.

Galileo glaubte, dass Trägheitsbewegungen nur entlang einer idealen Kurve erfolgen können, das heißt, die Erde kann sich nur in einem Kreis oder in einem Kreis bewegen, dessen Mittelpunkt sich wiederum kreisförmig um die Sonne dreht. Das heißt, es kann zu einer Überlappung verschiedener Trägheitsbewegungen kommen. Diese letzte Art von Bewegung kann komplexer gestaltet werden, indem der Komposition noch mehr Kreise hinzugefügt werden. Eine solche Drehung wird als Bewegung entlang von Epizykeln bezeichnet. Es wurde erfunden, um das ptolemäische System mit den beobachteten Positionen der Planeten in Einklang zu bringen.

Übrigens beschrieb das kopernikanische System zum Zeitpunkt seiner Entstehung die beobachteten Phänomene viel schlechter als das ptolemäische System. Da auch Kopernikus nur an die Bewegung in perfekten Kreisen glaubte, stellte sich heraus, dass die Umlaufzentren einiger Planeten außerhalb der Sonne lagen. (Letzteres war einer der Gründe für die Verzögerung von Kopernikus bei der Veröffentlichung seiner Werke. Schließlich glaubte er aus ästhetischen Erwägungen an sein System, und das Vorhandensein seltsamer Verschiebungen von Umlaufzentren jenseits der Sonne passte nicht in diese Überlegungen.)

Es ist aufschlussreich, dass das System des Ptolemäus die beobachteten Daten im Prinzip mit jeder vorgegebenen Genauigkeit beschreiben konnte – es war lediglich erforderlich, die erforderliche Anzahl von Epizykeln hinzuzufügen. Trotz aller logischen Widersprüche in den ursprünglichen Ideen seiner Schöpfer konnte jedoch nur das kopernikanische System zu einer konzeptionellen Revolution unserer Ansichten über die Natur führen – zum Gesetz universelle Schwerkraft, das sowohl die Bewegung von Planeten als auch den Fall eines Apfels auf Newtons Kopf beschreibt, und anschließend zum Konzept eines Feldes.

Daher verneinte Galileo die keplersche Bewegung von Planeten entlang von Ellipsen. Er und Kepler tauschten Briefe aus, die in einem ziemlich gereizten Ton verfasst waren*. Dies trotz ihrer vollen Unterstützung desselben Planetensystems.

Galileo glaubte also, dass sich die Erde durch Trägheit um die Sonne bewegt. Aus Sicht der Newtonschen Mechanik ist dies ein klarer Fehler, da auf der Erde die Gravitationskraft wirkt. Aus Sicht der Allgemeinen Relativitätstheorie muss Galilei jedoch Recht haben: Aufgrund dieser Theorie bewegen sich Körper in einem Gravitationsfeld durch Trägheit, zumindest wenn ihre eigene Schwerkraft vernachlässigt werden kann. Diese Bewegung erfolgt entlang der sogenannten geodätischen Kurve. Im flachen Raum ist es einfach eine gerade Weltlinie, im Fall eines Planeten jedoch Sonnensystem Dies ist eine geodätische Weltlinie, die einer elliptischen Flugbahn und nicht unbedingt einer kreisförmigen entspricht. Leider konnte Galileo dies nicht wissen.

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ist jedoch bekannt, dass Bewegung entlang einer Geodäten nur dann erfolgt, wenn man die Krümmung des Raums durch den sich bewegenden Körper selbst (den Planeten) vernachlässigen und annehmen kann, dass er ausschließlich durch das Gravitationszentrum (die Sonne) gekrümmt wird. . Es stellt sich natürlich die Frage: Hatte Galileo Recht mit der Trägheitsbewegung der Erde um die Sonne? Und obwohl dies keine so wichtige Frage ist, da wir jetzt den Grund kennen, warum Menschen nicht von der Erde fliegen, könnte es etwas mit der geometrischen Beschreibung der Schwerkraft zu tun haben.

Wie kann man ein Schwarzes Loch „sehen“?

[…] Kommen wir nun zu einer Diskussion darüber, wie Schwarze Löcher am Sternenhimmel beobachtet werden. Wenn ein Schwarzes Loch die gesamte Materie, die es umgibt, verzehrt hat, kann es nur noch durch die Verzerrung der Lichtstrahlen entfernter Sterne gesehen werden. Das heißt, wenn es in der Nähe von uns ein Schwarzes Loch in so reiner Form gäbe, dann würden wir ungefähr das sehen, was auf dem Cover abgebildet ist. Aber selbst wenn man auf ein solches Phänomen gestoßen ist, kann man nicht sicher sein, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt und nicht nur um einen massiven, nicht leuchtenden Körper. Es erfordert einige Arbeit, das eine vom anderen zu unterscheiden.

In Wirklichkeit sind Schwarze Löcher jedoch von Wolken umgeben, die Elementarteilchen, Staub, Gase, Meteoriten, Planeten und sogar Sterne enthalten. Daher beobachten Astronomen etwas wie das in Abb. 9. Aber wie kommen sie zu dem Schluss, dass es sich um ein Schwarzes Loch und nicht um eine Art Stern handelt?

Reis. 9. Die Realität ist viel prosaischer und wir müssen Schwarze Löcher beobachten, die von verschiedenen Himmelskörpern, Gasen und Staubwolken umgeben sind

Wählen Sie zunächst einen Bereich einer bestimmten Größe am Sternenhimmel aus, normalerweise in einem Doppelsternsystem oder in einem aktiven galaktischen Kern. Die von ihm ausgehenden Strahlungsspektren bestimmen die Masse und das Verhalten der darin enthaltenen Substanz. Als nächstes wird aufgezeichnet, dass Strahlung von dem betreffenden Objekt ausgeht, etwa von Partikeln, die in ein Gravitationsfeld fallen, und nicht nur von thermonuklearen Reaktionen, die im Inneren von Sternen ablaufen. Die Strahlung, die insbesondere das Ergebnis der gegenseitigen Reibung der auf einen Himmelskörper fallenden Materie ist, enthält viel energiereichere Gammastrahlung als das Ergebnis einer thermonuklearen Reaktion.

„Schwarze Löcher sind von Wolken umgeben, die Elementarteilchen, Staub, Gase, Meteoriten, Planeten und sogar Sterne enthalten.“

Wenn die beobachtete Region klein genug ist, kein Pulsar ist und eine große Masse darin konzentriert ist, kann daraus geschlossen werden, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt. Erstens wird theoretisch vorhergesagt, dass es nach dem Ausbrennen des Fusionsbrennstoffs keinen Materiezustand gibt, der einen Druck erzeugen könnte, der den Kollaps so großer Masse in einem so kleinen Bereich verhindern könnte.

Zweitens dürfte es sich, wie gerade betont, bei den Objekten nicht um Pulsare handeln. Ein Pulsar ist ein Neutronenstern, der im Gegensatz zu einem Schwarzen Loch eine Oberfläche hat und sich wie ein großer Magnet verhält, was zu den subtileren Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung gehört. Magnetfeld als die Ladung. Neutronensterne sind das Ergebnis einer sehr starken Kompression der ursprünglich rotierenden Sterne und rotieren noch schneller, da der Drehimpuls erhalten bleiben muss. Dies führt dazu, dass solche Sterne Magnetfelder erzeugen, die sich im Laufe der Zeit ändern. Letztere sind maßgeblich an der Entstehung der charakteristischen pulsierenden Strahlung beteiligt.

Alle bisher gefundenen Pulsare haben eine Masse von weniger als zweieinhalb Sonnenmassen. Quellen charakteristischer energiereicher Gammastrahlung, deren Masse diesen Grenzwert überschreitet, sind keine Pulsare. Wie man sieht, deckt sich diese Massengrenze mit theoretischen Vorhersagen, die auf den uns bekannten Materiezuständen basieren.

All dies ist zwar keine direkte Beobachtung, aber ein ziemlich überzeugendes Argument dafür, dass Astronomen Schwarze Löcher sehen und nicht etwas anderes. Allerdings ist es eine große Frage, was als direkte Beobachtung angesehen werden kann und was nicht. Schließlich sehen Sie als Leser nicht das Buch selbst, sondern nur das von ihm gestreute Licht. Und erst die Kombination aus taktilen und visuellen Empfindungen überzeugt Sie von der Realität seiner Existenz. Auf die gleiche Weise ziehen Wissenschaftler auf der Grundlage der Gesamtheit der von ihnen beobachteten Daten eine Schlussfolgerung über die Realität der Existenz dieses oder jenes Objekts.

Berechnungen zeigen, dass bei einer Supernova-Explosion mit M ~ 25 M ein dichter Neutronenkern (Neutronenstern) mit einer Masse von ~ 1,6 M zurückbleibt. Bei Sternen mit einer Restmasse M > 1,4 M, die das Supernova-Stadium noch nicht erreicht haben, kann der Druck des entarteten Elektronengases auch die Gravitationskräfte nicht ausgleichen und der Stern wird auf einen Zustand nuklearer Dichte komprimiert. Der Mechanismus dieses Gravitationskollapses ist der gleiche wie bei einer Supernova-Explosion. Der Druck und die Temperatur im Inneren des Sterns erreichen solche Werte, bei denen Elektronen und Protonen scheinbar ineinander und infolge der Reaktion „gepresst“ werden

Nach der Emission von Neutrinos entstehen Neutronen, die ein viel kleineres Phasenvolumen einnehmen als Elektronen. Es entsteht ein sogenannter Neutronenstern, dessen Dichte 10 14 - 10 15 g/cm 3 erreicht. Die charakteristische Größe eines Neutronensterns beträgt 10 – 15 km. In gewissem Sinne ist ein Neutronenstern ein riesiger Atomkern. Eine weitere Gravitationskompression wird durch den Druck der Kernmaterie verhindert, der durch die Wechselwirkung von Neutronen entsteht. Dies ist auch der Entartungsdruck, wie zuvor im Fall eines Weißen Zwergs, aber es ist der Entartungsdruck eines viel dichteren Neutronengases. Dieser Druck kann Massen bis zu 3,2 M halten.
Im Moment des Kollaps erzeugte Neutrinos kühlen den Neutronenstern ziemlich schnell ab. Theoretischen Schätzungen zufolge sinkt seine Temperatur in einer Zeit von ~ 100 s von 10 11 auf 10 9 K. Darüber hinaus nimmt die Abkühlgeschwindigkeit leicht ab. Allerdings ist sie im astronomischen Maßstab recht hoch. In 100 Jahren kommt es zu einem Temperaturabfall von 10 9 auf 10 8 K und in einer Million Jahren auf 10 6 K. Der Nachweis von Neutronensternen mit optischen Methoden ist aufgrund ihrer geringen Größe und niedrigen Temperatur recht schwierig.
1967 entdeckten Hewish und Bell an der Universität Cambridge kosmische Quellen periodischer elektromagnetischer Strahlung – Pulsare. Die Pulswiederholungsperioden der meisten Pulsare liegen im Bereich von 3,3·10 -2 bis 4,3 s. Nach modernen Vorstellungen sind Pulsare rotierende Neutronensterne mit einer Masse von 1 – 3 M und einem Durchmesser von 10 – 20 km. Nur kompakte Objekte mit den Eigenschaften von Neutronensternen können bei solchen Rotationsgeschwindigkeiten ihre Form beibehalten, ohne zu kollabieren. Die Erhaltung des Drehimpulses und des Magnetfeldes während der Entstehung eines Neutronensterns führt zur Entstehung schnell rotierender Pulsare mit einem starken Magnetfeld B ~ 10 12 G.
Es wird angenommen, dass ein Neutronenstern ein Magnetfeld besitzt, dessen Achse nicht mit der Rotationsachse des Sterns übereinstimmt. In diesem Fall gleitet die Strahlung des Sterns (Radiowellen und sichtbares Licht) wie die Strahlen eines Leuchtturms über die Erde. Wenn der Strahl die Erde kreuzt, wird ein Impuls aufgezeichnet. Die Strahlung eines Neutronensterns selbst entsteht dadurch, dass sich geladene Teilchen von der Oberfläche des Sterns entlang magnetischer Feldlinien nach außen bewegen und dabei elektromagnetische Wellen aussenden. Dieser erstmals von Gold vorgeschlagene Mechanismus der Pulsar-Radioemission ist in Abb. dargestellt. 39.

Trifft ein Strahlungsstrahl auf einen Beobachter auf der Erde, erkennt das Radioteleskop kurze Radioemissionsimpulse mit einer Periode, die der Rotationsperiode des Neutronensterns entspricht. Die Form des Pulses kann sehr komplex sein, was durch die Geometrie der Magnetosphäre des Neutronensterns bestimmt wird und für jeden Pulsar charakteristisch ist. Die Rotationsperioden von Pulsaren sind streng konstant und die Genauigkeit der Messung dieser Perioden erreicht 14-stellige Werte.
Derzeit wurden Pulsare entdeckt, die Teil binärer Systeme sind. Wenn der Pulsar die zweite Komponente umkreist, sollten aufgrund des Doppler-Effekts Schwankungen in der Pulsarperiode beobachtet werden. Wenn sich der Pulsar dem Beobachter nähert, verringert sich die aufgezeichnete Periode der Radioimpulse aufgrund des Doppler-Effekts, und wenn sich der Pulsar von uns entfernt, erhöht sich seine Periode. Basierend auf diesem Phänomen wurden Pulsare entdeckt, die Teil von Doppelsternen sind. Für den ersten entdeckten Pulsar PSR 1913 + 16, der Teil eines Doppelsternsystems ist, betrug die Umlaufzeit 7 Stunden 45 Minuten. Die natürliche Umlaufzeit des Pulsars PSR 1913 + 16 beträgt 59 ms.
Die Strahlung des Pulsars soll zu einer Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns führen. Auch dieser Effekt wurde entdeckt. Auch ein Neutronenstern, der Teil eines Doppelsternsystems ist, kann eine Quelle intensiver Röntgenstrahlung sein.
Die Struktur eines Neutronensterns mit einer Masse von 1,4 M und einem Radius von 16 km ist in Abb. dargestellt. 40.

I ist eine dünne äußere Schicht aus dicht gepackten Atomen. In den Regionen II und III sind die Kerne in Form eines kubisch raumzentrierten Gitters angeordnet. Region IV besteht hauptsächlich aus Neutronen. In der Region V kann Materie aus Pionen und Hyperonen bestehen und den hadronischen Kern eines Neutronensterns bilden. Bestimmte Details des Aufbaus eines Neutronensterns werden derzeit geklärt.
Die Entstehung von Neutronensternen ist nicht immer eine Folge einer Supernova-Explosion. Ein weiterer möglicher Mechanismus für die Entstehung von Neutronensternen während der Entwicklung von Weißen Zwergen in nahen Doppelsternsystemen. Der Materiefluss vom Begleitstern zum Weißen Zwerg erhöht allmählich die Masse des Weißen Zwergs und bei Erreichen einer kritischen Masse (Chandrasekhar-Grenze) verwandelt sich der Weiße Zwerg in einen Neutronenstern. Wenn der Materiefluss nach der Entstehung eines Neutronensterns weitergeht, kann seine Masse erheblich zunehmen und er kann sich infolge eines Gravitationskollapses in ein Schwarzes Loch verwandeln. Dies entspricht dem sogenannten „stillen“ Zusammenbruch.
Auch kompakte Doppelsterne können als Quellen für Röntgenstrahlung auftreten. Es entsteht auch durch die Ansammlung von Materie, die von einem „normalen“ Stern zu einem kompakteren Stern fällt. Wenn Materie auf einem Neutronenstern mit B > 10 10 G anlagert, fällt die Materie in den Bereich der Magnetpole. Röntgenstrahlung wird durch ihre Rotation um ihre Achse moduliert. Solche Quellen werden Röntgenpulsare genannt.
Es gibt Röntgenquellen (Burster genannt), bei denen periodisch im Abstand von mehreren Stunden bis zu einem Tag Strahlungsausbrüche auftreten. Die charakteristische Anstiegszeit des Bursts beträgt 1 Sekunde. Die Burst-Dauer beträgt 3 bis 10 Sekunden. Die Intensität im Moment des Ausbruchs kann 2 – 3 Größenordnungen höher sein als die Leuchtkraft im Ruhezustand. Derzeit sind mehrere hundert solcher Quellen bekannt. Es wird angenommen, dass die Strahlungsausbrüche durch thermonukleare Explosionen von Materie entstehen, die sich infolge der Akkretion auf der Oberfläche eines Neutronensterns angesammelt hat.
Es ist bekannt, dass bei kleinen Abständen zwischen Nukleonen (< 0.3·10 -13 см) ядерные силы притяжения сменяются силами оттал-кивания, т. е. противодействие ядерного вещества на малых расстояниях сжимающей силе тяготения увеличивается. Если плотность вещества в центре нейтронной звезды превышает ядерную плотность ρ яд и достигает 10 15 г/см 3 , то в центре звезды наряду с нуклонами и электронами образуются также мезоны, гипероны и другие более массивные частицы. Исследования поведения вещества при плотностях, превышающих ядерную плотность, в настоящее время находятся в начальной стадии и имеется много нерешенных проблем. Расчеты показывают, что при плотностях вещества ρ >ρ vergiften solche Prozesse wie das Auftreten von Pionenkondensat, den Übergang neutronisierter Materie in einen festen kristallinen Zustand und die Bildung von Hyperon- und Quark-Gluon-Plasma. Die Bildung supraflüssiger und supraleitender Zustände von Neutronenmaterie ist möglich.
In Übereinstimmung mit modernen Vorstellungen über das Verhalten von Materie bei Dichten, die 10 2 - 10 3 mal höher sind als die Kerndichte (nämlich bei solchen Dichten). wir reden über, wenn die innere Struktur eines Neutronensterns diskutiert wird), bilden sich im Inneren des Sterns nahe der Stabilitätsgrenze Atomkerne. Ein tieferes Verständnis kann erreicht werden, indem der Zustand der Materie in Abhängigkeit von Dichte, Temperatur und Stabilität der Kernmaterie bei exotischen Verhältnissen der Anzahl der Protonen zur Anzahl der Neutronen im Kern untersucht wird n p / n n , unter Berücksichtigung schwacher Prozesse, an denen Neutrinos beteiligt sind . Derzeit besteht praktisch die einzige Möglichkeit, Materie mit höheren Dichten als Kerndichten zu untersuchen, in Kernreaktionen zwischen Schwerionen. Allerdings liefern experimentelle Daten zu Kollisionen schwerer Ionen immer noch unzureichende Informationen, da die erreichbaren Werte von n p / n n sowohl für den Zielkern als auch für den einfallenden beschleunigten Kern gering sind (~ 1 – 0,7).
Genaue Messungen der Perioden von Radiopulsaren haben gezeigt, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns allmählich verlangsamt. Dies ist auf den Übergang zurückzuführen kinetische Energie Rotation des Sterns in die Energie von Pulsarstrahlung und Neutrino-Emission. Kleine abrupte Änderungen in den Perioden von Radiopulsaren werden durch die Anhäufung von Spannungen in der Oberflächenschicht des Neutronensterns erklärt, begleitet von „Rissen“ und „Brüchen“, was zu einer Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Sterns führt. Die beobachteten Zeiteigenschaften von Radiopulsaren enthalten Informationen über die Eigenschaften der „Kruste“ des Neutronensterns, die physikalischen Bedingungen in seinem Inneren und die Supraflüssigkeit der Neutronenmaterie. IN In letzter Zeit Es wurde eine beträchtliche Anzahl von Radiopulsaren mit Perioden von weniger als 10 ms entdeckt. Dies erfordert eine Klärung der Vorstellungen über die in Neutronensternen ablaufenden Prozesse.
Ein weiteres Problem ist die Untersuchung von Neutrinoprozessen in Neutronensternen. Die Neutrino-Emission ist einer der Mechanismen, durch die ein Neutronenstern innerhalb von 10 5 bis 10 6 Jahren nach seiner Entstehung Energie verliert.