Ewolucja WszechświataWykład 9

Gwiazdy neutronowe

Gwiazda w końcowym etapie swojej ewolucji, zbudowana ze zdegenerowanych neutronów.

Obiekt o rozmiarach rzędu 10 - 20 km, masie zbliżonej do masy Słońca.

Stan gwiazdy można porównać do stanu podstawowego atomu. Neutrony zajmują najniższe poziomy energetyczne i one określają rozmiary gwiazdy, podobnie jak elektrony zajmujące najniższe stany energetyczne w atomie określają jego wielkość.

Istnienie gwiazd neutronowych zostało przewidziane teoretycznie w 1938 r. (L. Landau), a pierwszych obserwacji dokonano w 1967 r. (odkrycie pulsara przez J. Bell i A. Hewisha).

Gęstość materii we wnętrzu gwiazdy neutronowej rośnie od kilku g/cm-3 na powierzchni do ~ 1015 g/cm-3 w jej centrum. Ogromna siła grawitacji powoduje, że już na głębokości kilku metrów gęstość materii przekracza 106 g/cm-3.

Gwiazdy neutronowe

Gwiazda neutronowa rodzi się jako obiekt bardzo gorący, o temperaturze wnętrza T ~ 1011 K

Szybko stygnie – już po roku temperatura spada do T ~ 109 K

Gwiazdy neutronowe powstają w wyniku zapadania grawitacyjnego centralnych rdzeni masywnych gwiazd (M > 8 mas Słońca), poprzedzającego wybuch supernowej.

Mogą również powstawać w wyniku zapadania grawitacyjnego akreujących materię białych karłów.

Gwiazdy neutronowe

Często gwiazdy neutronowe występują w układach podwójnych. Gaz z pobliskiego sąsiada może opadać na gwiazdę neutronową, przyciągany przez jej silne pole grawitacyjne. Gaz opada po spirali w środku, której znajduje się gwiazda neutronowa. Podczas opadania gaz tworzy dysk akrecyjny.

Akrecja na gwiazdę neutronową. Materia opadająca na gwiazdę w okolicach biegunów wytwarza duże ilości energii. W przestrzeń zostaje wysłane silne promieniowanie X. Świat Nauki, styczeń 1994

Gwiazdy neutronowe

Centaur X-3. Rentgenowski układ podwójny gwiazdy neutronowej i błękitnej gwiazdy o masie 10 - 40 mas Słońca. Świat Nauki, styczeń 1994

Gwiazdy neutronowe

W czasie kurczenia jądra zostaje zachowany moment pędu.

Wielokrotne zmniejszenie promienia powoduje znaczny wzrost prędkości rotacji.

Gwiazdy neutronowe

Ilustracja zachowania momentu pędu

Kliknij na obrazek

Gwiazdy neutronowe

Jądra znajdujące się w najbardziej zewnętrznej warstwie gwiazdy nie ulegają rozpadowi, lecz tworzą rodzaj skorupy krystalicznej materii jądrowej, utrzymującej materię gwiazdy w równowadze.

Odkrycie pulsarówW 1967 w Instytucie Astronomii Uniwersytetu w Cambridge prof. Hewish zajmował się błyskami źródeł promieniowania radiowego.

Doktorantka Hewisha, Jocellyn Bell, zarejestrowała szybkozmienne źródło pulsujące z niezwykle precyzyjnym okresem powtarzalności:

T = 1.27376349759 s

Okres zmian zbyt mały,aby wytłumaczyć pulsacje przez efekt zaćmieniowy w układzie podwójnym lub oscylacje gwiazdy.

Tak szybki obrót mogła wytrzymać tylko hipotetyczna supergęsta gwiazda neutronowa o promieniu około 10 km.

Rozwiązanie:Rotacja małej gwiazdy ze źródłem promieniowania znajdującym się na jej powierzchni.

Niebawem odkryto następne o okresie T=0.033 s

Pierwsze pulsary były opatrywane inicjałami LGM (od Little Green Man).

Odkrycie pulsarów

Początkowo podejrzewano związek pulsarów z pozaziemskimi cywilizacjami – blokada informacyjna zarządzona przez władze Brytyjskiej Marynarki Królewskiej.

Dopiero stwierdzenie systematycznego wydłużenia się okresu obaliło hipotezę cywilizacji pozaziemskiej.

Inicjały LGM zostały zastąpione przez PSR (od Pulsating Radio Source)

Dzisiaj znamy ponad 700 pulsarów, obserwowanych w paśmie radiowym, a także optycznym, rentgenowskim i wysokoenergetycznym gamma.

Promieniowanie pulsarów

W czasie grawitacyjnego zapadania gwiazdy zachowywany jest strumień pola magnetycznego. Ponieważ zapadająca się gwiazda neutronowa zmniejsza rozmiar około milion razy, jej pole powierzchni zmniejsza się 1012 razy. Tak więc gwiazdy neutronowe obdarzone są gigantycznymi polami magnetycznymi.

Promieniowanie pulsarów

Kształt impulsów podobny dla wszystkich długości fal, wskazuje, że źródło emisji jest w jednym miejscu gwiazdy.

Skorupa (crust) to jądra żelaza tworzące siatkę krystaliczną. Swobodne elektrony w skorupie krążą wokół linii pola magnetycznego, emitując skolimowaną wiązkę fal w zakresie od rentgenowskich do radiowych.

Promieniowanie pulsarów

Wiązka promieniowania wiruje wokół osi obrotu gwiazdy – efekt latarni morskiej.

Bieguny magnetyczne zwykle nie leżą na osi rotacji.

Wiele gwiazd neutronowych nie obserwujemy w postaci pulsarów, ponieważ ich wiązki radiowe nigdy nie trafiają w Ziemię.

Promieniowanie pulsarów

Prędkość kątowa maleje, a okres obrotu wydłuża się w tempie T/T = 10-15.

Wypromieniowanie energii odbywa się kosztem energii kinetycznej ruchu obrotowego pulsara.

Systematyczne wzrastanie okresu czasami zakłóca nagłe zmniejszenie jego wartości.

Glicz, czyli trzęsienie gwiazdy

Promieniowanie pulsarów

Glicz - nagłe skrócenie okresu rotacyjnego spowodowane gwałtowanym zmniejszeniem momentu bezwładności.

Nadciekłe jądro gwiazdy neutronowej, które w wyniku szybkiej rotacji jest eliptyczne, otoczone jest krystaliczna skorupą.

Promieniowanie pulsarów

Pulsar systematycznie spowalnia swoją rotację

Zmniejsza się eliptyczność jądra i krystaliczna skorupa traci podtrzymujące ją podłoże.

Skorupa co jakiś czas pęka, załamuje się i opada na jądro.

Promień gwiazdy neutronowej maleje ze wzrostem masy

Maleje moment bezwładności i wzrasta prędkość kątowa

Przyspieszeniu okresu o jedną milionową część odpowiada zmniejszeniu się pulsara o jedną dziesiątą milimetra. Gdyby pulsara powiększyć do wielkości Ziemi, oznaczało by to, że w wyniku trzęsienia Ziemi jej powierzchnia nagle opadłaby wszędzie o jeden metr.

Pulsary

Prędkości pulsarów są znacznie większe niż prędkości gwiazd. Nierzadko dochodzą do kilkuset kilometrów na sekundę, czasami przekraczając barierę 1000 km/s.

Zasada zachowania momentu pędu nie tłumaczy tak szybkiego ruchu obrotowego pulsarów.

Rachunki wykazują, że w ten sposób można uzyskać okresy rotacyjne rzędu 10 sekund

Problemy do wyjaśnienia:

Dlaczego pulsar tak szybko wiruje?

Co nadało mu tak wielką prędkość?

Podczas wybuchu supernowej, który poprzedza uformowanie gwiazdy neutronowej (pulsara), uwalniają się neutrina.

Strumień neutrin unoszący znaczne ilości energii, pędu i momentu pędu emitowany jest zazwyczaj niesymetrycznie.

Pulsary

„Silnik odrzutowy” neutrin nadaje gwieździe wielkie prędkości liniowe i kątowe.

Gwiazda neutronowa na zdjęciu z teleskopu Hubble’a odległa od Ziemi o 400 lat świetlnych. Temperatura powierzchni: 700 000 K

nep

Pulsary

Artystyczna wizja dwóch pulsarów oddalonych od nas o 2000 lat świetlnych: PSR J0737-3039A i PSR J0737-3039B. Oba pulsary okrążają się nawzajem.

Odkrycie dwugwiezdnego systemu, oznaczonego PSR J0737-3039B, zostało ogłoszone w 2003 roku przez międzynarodowy zespół naukowców z Włoch, Australii, Wielkiej Brytanii i USA.

Jedyna znana para grawitacyjnie związanych pulsarów.

Układy planeterne wokół pulsarów

Najsłynniejszym jego odkryciem jest układ planetarny wokół pulsara PSR 1957+12

Pulsar ten wykazywał regularne odstępstwa mierzonych czasów impulsów od czasów przewidywanych dla tego pulsara.

Sławny polski radioastronom Aleksander Wolszczan odkrył wiele pulsarów.

Odstępstwa te dały się wyjaśnić istnieniem co najmniej trzech ciał o masach planetarnych orbitujących wokół tego pulsara.

Układy planeterne wokół pulsarów

Porównanie rozmiarów i odległości Słońca i jego trzech pierwszych planet z rozmiarami i odległościami pulsara PSR 1957+12 i trzema planetami odkrytymi przez Wolszczana.

Uwaga! Rozmiary i odległości nie są w jednakowej skali.

Struktura gwiazdy neutronowej

Powierzchnia

Bardzo cienka atmosfera (kilka centymetrów grubości).

Zjonizowany gaz jest skompresowany do wielkiej gęstości 103 g/cm3

Temperatura powierzchni wynosi około 107 K.

Atmosfera może występować w stanie ciekłym lub stałym.

Struktura gwiazdy neutronowej

Zewnętrzna skorupa

Z wierzchu głównie jądra żelaza 56Fe, głębiej – cięższe jądra aż do Z = 40, A = 120

Przy gęstości 106 g/cm3 elektrony przechodzą w stan degeneracji – przewodnictwo elektryczne i cieplne jest olbrzymie, ponieważ swobodne elektrony mogą przebywać duże odległości bez oddziaływań.

Powierzchnia jest twarda i gładka – najwyższe góry nie przekraczają mikrometra.

Struktura gwiazdy neutronowej

Neutrony tworzą skomplikowane struktury - gęstość jest mniejsza niż normalna gęstość jądrowa.

Jednorodna materia

Bardzo gęsta materia hadronowa – gęstość znacznie przewyższa normalną gęstość jądrową.

Struktura gwiazdy neutronowej

Rozkład nukleonów w materii jądrowej przy malejącej gęstości przewidziany przez model teoretyczny (0 – gęstość jądrowa).Czerwone – protony, białe - neutrony

Przy niższej gęstości tworzą się skomplikowane struktury.

Struktura gwiazdy neutronowej

Wewnętrzna skorupa i zewnętrzna część jądra

Przy gęstości 41011 g/cm3 neutrony wypływają z jąder. Łączą się w pary o spinie całkowitym 1 (bozony), które tworzą nadciekłą ciecz neutronową.

Przy tych gęstościach neutrony formują egzotyczne obiekty, jak:

gęstość

„pulpety”„spagetti”„lazanie”„ser szwajcarski”

Jednocześnie nieliczne protony i neutrony łączą się w pary Coopera (bozony), tworząc nadprzewodnik.

Wewnętrzna część jądra

Struktura gwiazdy neutronowej

Przy gęstości przewyższającej 2 lub 3 krotnie gęstość jądrową 3x1014 gm/cm3 prawdopodobnie neutrony rozpadają się, tworząc plazmę kwarkowo-gluonową.

Struktura gwiazdy

neutronowej

Gwiazda kwarkowa

W 2002 znaleziono gwiazdę neutronową o promieniu poniżej 11km i masie 1,75 masy Słońca.

Ten wynik jest niezgodny z wcześniejszymi rozważaniami teoretycznymi. Według teorii gwiazda powinna być dużo lżejsza.

Tak duża masa i małe rozmiary oznaczają wielką gęstość, przy której neutrony rozpadają się na plazmę kwarkowo-gluonową

Hipotetyczna gwiazda kwarkowa to gigantyczna cząstka o średnicy od kilku do kilkunastu km.

Gwiazda kwarkowa

Porównanie teoretycznych rozmiarów gwiazd kwarkowych i neutronowych z rozmiarami znalezionego pulsara.

     W teorii kwarkowa materia powinna składać się z trzech typów kwarków: dolnego d i górnego u (tworzą naszą ziemską materię) oraz dziwnego s.

Kwarki dziwne są we wnętrzu gwiazdy kwarkowej trwałe, ponieważ zakaz Pauliego nie pozwala na pojawienie się produktów ich rozpadów (nie ma dla nich miejsca w przestrzeni fazowej).

Stabilność strangeletów

ddud

du

du u u

ud

Nukleony

d

uu

uuu ud

dd

d

d

Plazma kwarkowo-gluonowa (QM)

uu

uu

d

dd

d

s

sss

Strenglet (SQM)

E/B|N

< E/B|QM

E/B|QM

> E/B|SQM

E/B|N

> E/B|SQM

??

Strangelety – fragmenty materii zawierającej kwarki dziwne

E/B – energia wiązania na barion

Powstawanie strangletów

ssu

ud

d

u~d

u~d

~u d

~u d

~sd

~sus

s

~su

u

u

u

~ud

d d

d

~d

~d

~s~u

du

s

s

uu

dd

-

-

+

+K+

K-

Po przekroczeniu granicznej gęstości i temperatury powstaje plazma kwarkowo-gluonowa.

stranglet

wyprowadzka anty-dziwności

zimny obojętny masywny

Częściowa hadronizacja – powstają piony i kaony Emitowane cząstki

unoszą energię – temperatura obniża się.

Gwiazda dziwna

Kwarki u, d i s są we wnętrzu gwiazdy kwarkowej wymieszane w proporcji mniej więcej 1:1:1.

Gwiazda dziwna

Aby w gwieździe neutronowej powstała materia kwarkowa gęstość materii w jądrze gwiazdy musi przekroczyć krytyczną wartość.

Jeśli pojawi się niewielka ilość materii zawierająca kwarki s (strenglet), natychmiast powiększa się kosztem sąsiednich neutronów – samopodtrzymujący się proces.

Może do tego dojść, gdy na gwiazdę neutronową opada materia z jej otoczenia i masa gwiazdy rośnie.

Wzrost masy powoduje zwiększenie grawitacji i kontrakcję gwiazdy, co zwiększa jej gęstość.

Gwiazda z dziwnej materii kwarkowej nie rozpadła by się nawet gdyby przestała działać grawitacja – spajają ją oddziaływania silne.

Pulsary

Dzięki wysiłkom profesorów Wolszczana, Kusa, Demiańskiego i Gila, radioteleskop toruński został wyposażony w tzw. Maszynę Pulsarową, czyli urządzenie pozwalające na obserwację pulsarów

Polski wkład w badaniach pulsarów

W Toruniu zbudowany został, jeden z najwyższych w Europie, 32-metrowy radioteleskop w Katedrze Radioastronomii Uniwersytetu Toruńskiego.

Supernowe

Znamy dwa typy supernowych:

Typ Ia Typ II

Jaśniejsze (jaśniejsze od Słońca 2,5 miliarda razy)

Ciemniejsze (jaśniejsze od Słońca miliard razy)

Jasność maleje w sposób regularny

Jasność maleje chaotycznie

Wodór występuje w dużych ilościach

Brak wodoru w ich składzie

Występują najczęściej w ramionach galaktyk spiralnych

Występują bardziej powszechnie: w galaktykach spiralnych (zarówno w centrum jak i w ramionach) i w galaktykach eliptycznych

Supernowe I typu

Brak wodoru i duże ilości pierwiastków takich, jak węgiel, tlen, czy neon.

Gwiazdy stare, w których wypalił się wodór.

Wybuchy supernowych I typu to eksplozje białych karłów.

Pojedynczy biały karzeł po wielu miliardach lat ostygnie do postaci czarnego karła.

Co dzieje się z białym karłem w układzie podwójnym z inną gwiazdą?

Biały karzeł –pozostałość po ewolucji gwiazdy podobnej do Słońca. Składa się z jąder węgla i tlenu, a ciśnienie zdegenerowanego gazu elektronów równoważy grawitację.

Supernowe I typu

Spływający gaz tworzy dysk akrecyjny, powiększając masę białego karła i powodując jego kontrakcję.

Gdy gwiazdy są odpowiednio blisko siebie, materia z większego partnera będzie mogła przepływać na białego karła.

Gdy masa przekroczy 1,44 masy Słońca (granica Chandrasekhara) rosnąca temperatura zapoczątkuje reakcję termojądrową, syntezę węgla i tlenu w cięższe pierwiastki.

Reakcja termojądrowa przebiega gwałtownie powodując wybuch.

Z białego karła nie zostaje żadna pozostałość – cała materia rozprasza się w przestrzeni, wzbogacając Wszechświat w ciężkie pierwiastki.

Wybuch supernowej I typu

Nukleosynteza zachodzi w cienkiej warstwie na powierzcni bąbla wypełnionego wypalonym materiałem.

Symulacja komputerowa (Friedrich Röpke and Wolfgang Hillebrandt)

Reakcja przesuwa się w kierunku powierzchni gwiazdy.

Wybuch supernowej I typu Symulacja komputerowa (Friedrich Röpke and Wolfgang Hillebrandt)

Wewnątrz bąbla jest wypalony gorący materiał, na zewnątrz zimne, gęste paliwo. Stan nierównowagi prowadzi do powstawania wirów i turbulencji.

Końcowa faza eksplozji. Większa część gwiazdy wypaliła się i gwałtownie wybucha.

Biały karzeł przed wybuchem

Wybuch supernowej I typu Symulacja komputerowa (Friedrich Röpke and Wolfgang Hillebrandt)

Film przedstawiający symulację komputerową wybuchu białego karła. Kolory pokazują zmieniającą się prędkość propagacji płomienia. Na górze kadru zmieniająca się skala.

Kliknij

Znajomość całkowitej energii wyzwalanej w wybuchu pozwala wykorzystać supernowe Ia do wyznaczania odległości we Wszechświecie. (Świece standardowe)

Wybuch zaczyna się zawsze , gdy masa gwiazdy osiągnie wartość 1,44 masy Słońca.

Supernowe II typu

Supernowa II typu jest końcowym etapem ewolucji gwiazd o masach większych niż 3 masy Słońca.

Po wypaleniu paliwa jądrowego wewnątrz superolbrzyma tworzy się nieściśliwe jądro - gwiazda neutronowa.

Opadające na jądro zewnętrzne warstwy gwiazdy, gwałtownie odbijąją się i następuje eksplozja.

W czasie wybuchu wydziela się tyle energii, że możliwa staje się nukleosynteza ciężkich jąder (cięższych od żelaza).

Brak zadawalających modeli tego procesu.

Po wybuchu pozostaje gwiazda neutronowa (pulsar) lub czarna dziura.

Eksplozja powoduje wysłanie fali uderzeniowej, która przemierza przestrzeń kosmiczną z prędkością 8 milionów km/h.

Supernowe II typu

Mgławica Krab stworzona z pozostałości po supernowej z 1054 roku. Opisana przez chińskich astronomów jako nagle pojawiające się jasne światło, widziane w gwiazdozbiorze Byka, intensywnie jasne przez długi czas, widzialne nawet w ciągu dnia.

W centrum mgławicy odkryto pulsara, obracającego się z częstotliwością 30 razy na sekundę.

Supernowe II typu

Wizualne zmiany w wyglądzie tej supernowej zaobserwowano ciągu dekady: Na lewym zdjęciu zrobionym w 1994 przez HST silny podmuch wiatru wyniósł pierścień gazu na odległość162 milionów km. Na obrazie z 1998 centralna gwiazda uległa zmianom. Pojawiły się też nowe dżety. Supernowa ta jest silnym źródłem promieniowania X, UV i fal radiowych

W lutym 1987 odkryto najjaśniejszą supernową od 500 lat SN1987A (leżącą w Wielkim Obłoku Magellana). 167000 lat temu gwiazda po kolapsie jądra eksplodowała w ciągu kilku sekund.

Supernowe II typu

8 października 1604 roku Kepler zaobserwował w Wężowniku wybuch gwiazdy supernowej. Prezentowane zdjęcie przedstawia pozostałość po niej.

Supernowe II typu

Zdjęcie ukazuje w centrum jarzącą się biel o rozmiarze około 3 lat świetlnych stworzoną przez wysokoenergetyczne cząsteczki pochodzące z szybko rotującej gwiazdy neutronowej lub pulsara. Otaczająca biały obszar powłoka gorącego gazu ma średnicę 40 lat świetlnych co wskazuje na postępującą falę uderzeniową powstałą po wybuchu supernowej.

Gwiezda delta-Cephei w konstelacji Cefeusza była pierwszą odkrytą gwiazdą zmienną tego typu.

Cefeidy - rzadkie i bardzo jasne gwiazdy o regularnych zmianach blasku.

W 1912 r. astronom - Henrietta Leavitt zaobserwowała 20 gwiazd zmiennych - cefeid w Małym Obłoku Magellana.

Relacja pomiędzy jasnością rzeczywistą, a okresem pulsacji cefeid:

Jaśniejsze cefeidy mają dłuższe okresy zmienności.

Gwiazdy zmienne

Cefeidy – świece standardowe.

Gwiazdy zmienne

Gwiazdy zmienne - pulsujące jasne olbrzymy i nadolbrzymy przeważnie typów widmowych F i G

Gwiazdy zmienne

Za regularne zmiany rozmiarów, a co za tym idzie - temperatury i jasności gwiazd - odpowiedzialna jest warstwa jonizacji helu.

Strumień fotonów płynący z jądra nie może przedostać się przez warstwę zjonizowanego helu.

Naruszona równowaga pomiędzy grawitacją a ciśnieniem promieniowania.

Gwiazda rozszerza się (b), aż do chwili, gdy wskutek ekspansji gęstość materii zmaleje tak, że fotony swobodnie przepłyną.

Grawitacja przeważa i gwiazda kurczy się (a).

(a) (b)

Cykl powtarza się.

Gwiazdy zmienne J

asn

ość

ab

so

lutn

a

Ekspansja Ekspansja Kontrakcja Kontrakcja

Największa objętość

Największa objętość

Najmniejsza objętość

Dni

Klasyczne cefeidy

•Dzięki dużej jasności absolutnej (-2 do -6 mag.), stosunkowo dużej amplitudzie zmian blasku oraz dobrze określonej zależności okres–jasność absolutna, zmienne te odgrywają kluczową rolę w wyznaczaniu odległości galaktyk.

•Duże amplitudy zmian blasku rzędu 1–2 mag., choć zdarzają się i amplitudy znacznie mniejsze, około 0,1 mag.

•Najczęściej spotykane okresy zawierają się w przedziale od 3 do 30 dni.

Gwiazdy młode - należą do gwiazd I populacji (większość cefeid obserwujemy blisko płaszczyzny Galaktyki).

Gwiazdy zmienne typu W Virginis

Podobne do cefeid okresy i amplitudy zmian jasności, ale inny kształt krzywych zmian blasku (z garbami).

Należą do starej populacji gwiazd (dawna nazwa – cefeidy II populacji).

Występują w dużych odległościach od płaszczyzny Galaktyki, a także w gromadach kulistych.

Gwiazdy typu RR Lyrae

Okresy zawierają się w większości w przedziale 0,2–1 dnia

Cefeidy krótkookresowe.

Rozkład przestrzenny oraz częsta obecność w gromadach kulistych dowodzą przynależności do populacji II.

Zależność okres – jasność absolutna dla klasycznych cefeid (gwiazdy I populacji) i gwiazd typu W Virginis i RR Lyrae (gwiazdy II populacji).

Gwiazdy zmienne

Nachylenie zależności dla gwiazd typu W Virginis jest mniejsze niż dla cefeid, a jasności absolutne są dla tych samych okresów o 1–2 mag. słabsze.

Gwiazdy typu W Virginis