Айзък Азимов
Гравитационната гибел на вселената (26) (Колапсиращата вселена или историята на черните дупки)

Свойства на неутронните звезди

Астрономите все още не са наясно с подробностите по структурата и състава на неутронните звезди. Възможно е на самата повърхност да има тънък слой обикновено вещество, съставен предимно от желязо. Възможно е да съществува даже и газообразна атмосфера от желязо с дебелина вероятно около половин сантиметър. Има също така заредени частици като електрони и атомни ядра, които се задържат от свръхинтензивното магнитно поле на неутронната звезда. Точно тези електрони се изхвърлят от магнитните полюси и генерират импулсите, които улавяме на Земята.

Под тази най-външна обвивка от нормално вещество се намира кора от добре уплътнени железни ядра, които имат характеристики на „твърдо тяло“ независимо от това, че температурата на тази кора е милиони градуси. Външният край на кората има плътност само 100 000 g/cm³, но тя бързо се увеличава с дълбочината.

Тази твърда повърхност с якост около милиард милиарда пъти по-голяма от якостта на стоманата и с „планини“, високи вероятно не повече от един сантиметър, непрекъснато се пренарежда, за да достигне по-компактна форма. Това пренареждане предизвиква приплъзванията, които намаляват слабо периода на въртене.

С увеличаването на плътността под кората атомните ядра не могат да запазят своята цялост и веществото се превръща изцяло в неутрони. Близо до малкото звездно ядро може би има море от още по-масивни частици, наречени хиперони^[1].

Една важна характеристика на неутронната звезда е нейната маса. През 1975 година за първи път беше определена масата на неутронна звезда. Въпросната звезда бе Vela X-1 и нейната маса се оказа 1,5 пъти по-голяма от слънчевата. Този факт сам по себе си е много интересен, тъй като тази маса е малко над границата на Чандрасекар. Нито едно бяло джудже не може да бъде толкова масивно. (Трябва да си припомним, че теоретично е възможно да съществуват също и неутронни звезди, чиято маса е значително под границата на Чандрасекар.)

Масата на Vela X-1 може да се определи, тъй като тази неутронна зона е част от двойна система. Нейният спътник е масивна звезда от главната последователност, която има маса, 30 пъти по-голяма от слънчевата. Несъмнено двойните системи, ако са достатъчно масивни, могат да си прехвърлят вещество една на друга при разширяването на всяка от звездите на двойката. Най-накрая се образува двойка неутронни звезди по същия начин, както двойка по-малко масивни звезди образуват две бели джуджета.

Вероятно първоначално Vela X-1 е била по-ярката звезда в двойната система, но преди 15 000 години, когато тя се е взривила като свръхнова, нейният спътник е успял да улови около една хилядна от изхвърленото вещество и е увеличил масата и яркостта си, като по този начин е съкратил живота си върху главната последователност. Може да се очаква, че след около един милион години или даже по-скоро спътникът на Vela X-1 сам ще се превърне в свръхнова и тогава може би там ще има две неутронни звезди, които ще се въртят около своя общ гравитационен център. Фактът, че една неутронна звезда може да бъде част от двойна система, както е при Vela X-1, показва, че когато една звезда в двойна система се взривява като свръхнова, другата може да оцелее.

Обмяната на вещество между двойката звезди при разширяването първо на едната, после на другата довежда до превръщането на гравитационната енергия в излъчване — по-специално в случаите, когато двойната система включва бяло джудже или неутронна звезда със силно магнитно поле. До 40% от масата на веществото може по този начин да се превърне в енергия — това превишава повече от 100 пъти количеството маса, което се превръща в енергия при ядрения синтез. Този процес обяснява голямата светимост на новите и свръхновите звезди.

Нека сега да разгледаме някои от гравитационните свойства на неутронната звезда, като вземем за пример звезда с маса колкото слънчевата, но с диаметър само 1/100 000 от този на Слънцето. Такава неутронна звезда трябва да има диаметър 14 km и средна плътност 1 400 000 000 000 000 g/cm³.

Ако се върнем пак към Слънцето, то гравитацията на повърхността му е 28 пъти по-голяма от земната. Следователно човек, който тежи 70 килограма на повърхността на Земята, на слънчевата повърхност (нека приемем, че Слънцето има повърхност в земния смисъл и че човекът би оцелял след един такъв опит) ще тежи почти 2000 kg.

Сега, ако си представим едно тяло с определена маса, което постепенно се свива и става все по-малко, то всеки обект на повърхността му ще се приближава все повече и повече към центъра му. Според закона на Нютон за гравитацията повърхностното привличане (приемаме, че масата на тялото остава същата) се изменя обратнопропорционално^[2] на квадрата на диаметъра.

И така, ако свием една звезда от 1/2 от първоначалния й диаметър, то повърхностната й гравитация е 2 X 2 или 4 пъти по-голяма от първоначалната. Ако свием звездата от 1/6 от първоначалния й диаметър, тогава повърхностната й гравитация е 6 X 6 или 36 пъти по-голяма от първоначалната и т.н.

Сириус B, който има диаметър 1/30 от диаметъра на Слънцето, и маса почти колкото слънчевата, трябва да има повърхностна гравитация 30 X 30, или 900 пъти по-голяма от тази на Слънцето. Нашият въображаем 70-килограмов човек, който може да оцелее след какъвто и да е експеримент, би тежал на повърхността на Сириус B 1 800 000 kg.

Неутронна звезда с масата на Слънцето и диаметър 14 km (или 1/100 000 от слънчевия) трябва да има повърхностна гравитация 100 000 X 100 000, или 10 000 000 000 пъти по-голяма от слънчевата повърхностна гравитация. Нашият 70-килограмов човек би тежал там 20 трилиона kg.

А какво става с периодите на въртене?

Нашата Земя, която има обиколка 40 000 km, се завърта около оста си за едно денонощие. Това означава, че една точка от земния екватор, която описва по-голяма окръжност в сравнение с останалите точки от земната повърхност, обикаля около Земята с постоянна скорост близо половин километър в секунда. Тази скорост намалява постепенно с увеличаването на разстоянието от екватора, било то на север или на юг от него, докато не стане нула на полюсите.

Скоростта на въртене създава центробежен ефект, който се стреми да противодействува на гравитационното привличане. Този центробежен ефект се увеличава със скоростта на въртене, така че той е нула на полюсите и нараства с приближаването към екватора, достигайки там максимума си. Центробежният ефект се стреми да изтласка веществото навън от центъра на въртене, Най-силно е неговото действие на екватора, така че можем да говорим за екваториална изпъкналост. Тя не е голяма. Екваториалният диаметър (разстоянието от една точка на екватора до противоположната й точка през центъра на Земята) е с 43 километра по-дълъг от полярния диаметър (който преминава от единия полюс до другия), т.е. екваториалният диаметър е приблизително с около 1/300 част по-голям от полярния и това число е мярка за сплеснатостта на Земята.

Нека сега да разгледаме Юпитер. Юпитер — най-голямата планета — има екваториална обиколка 449 000 km и се завърта около оста си за 9,85 часа. Следователно всяка точка от екватора на тази планета се движи със скорост 12,7 km/s, т.е. над 25 пъти по-бързо от точките на земния екватор.

Независимо че гравитацията на Юпитер е по-голяма, огромната скорост на въртене на планетата заедно с това, че нейното вещество е съставено от по-леки и по-малко компактни елементи в сравнение със земното вещество, довеждат до по-голяма сплеснатост на Юпитер. Екваториалният му диаметър е с 8700 километра по-дълъг от полярния. Неговата сплеснатост е 1/16.^[3]

За сравнение Слънцето има обиколка 4 363 000 km и се завърта около оста си за 25,04 денонощия. Следователно една точка от слънчевия екватор се движи със скорост около 2 километра в секунда. Това е скорост, 4 пъти по-голяма от тази на точка от земния екватор и само 1/6 от скоростта на точка от екватора на Юпитер. Съчетанието от относително малката скорост на въртене на Слънцето и неговата огромна повърхностна гравитация не дава възможност да се измери сплеснатостта му. Поради това ние можем да твърдим, че Слънцето е идеална сфера.

Ние не знаем какъв е периодът на въртене на Сириус B, както и на което и да е бяло джудже, но от периода на пулсация на пулсарите можем да заключим, че една типична неутронна звезда трябва да се завърта за около 1 секунда. Ако нашата неутронна звезда с диаметър 14 km има период на въртене 1 s, тогава всяка точка от нейния екватор ще се движи със скорост около 44 km/s.

Това е скорост 3,5 пъти по-голяма от скоростта на точка от екватора на Юпитер, 21,8 пъти по-голяма от скоростта на точка от слънчевия екватор и 95 пъти по-голяма от скоростта на точка от земния екватор. Въпреки това, имайки предвид огромния интензитет на гравитационното поле на неутронната звезда, можем да бъдем сигурни, че нейната скорост на въртене, колкото и да е голяма по стандартите на Слънчевата система, няма да е достатъчна, за да премести каквото и да е вещество срещу гравитацията посредством центробежния ефект. Така или иначе, неутронната звезда трябва да е идеална сфера. Ние сме също съвсем сигурни, че и бялото джудже е една идеална сфера.

Ако центробежната сила не е в състояние да премести веществото на белите джуджета и неутронните звезди на забележимо разстояние срещу гравитацията, можем да направим извода, че скоростта на избягване от такива тела трябва да е наистина голяма и ще бъдем прави.

Скоростта на избягване се променя обратнопропорционално на квадратния корен от диаметъра (при предположение, че масата не се променя). И така, ако една звезда се свие до 1/36 от първоначалния си диаметър, тогава скоростта на избягване ще се увеличи 6 пъти (тъй като 6 е корен квадратен от 36).

Ако продължим тези разсъждения, ще видим, че Сириус B, чиято маса е равна на слънчевата и диаметърът му е 1/30 от слънчевия, трябва да има скорост на избягване 5,5 пъти по-голяма от тази на Слънцето. Тъй като скоростта на избягване от повърхността на Слънцето е 617 km/s, то тази скорост за Сириус B трябва да е 3400 km/s.

От друга страна, нашата неутронна звезда с маса колкото слънчевата, но с диаметър само 1/100 000 от неговия трябва да има скорост на избягване от повърхността си 316 пъти по-голяма от тази на Слънцето, което е корен квадратен от 100 000. Скоростта на избягване от неутронната звезда трябва да е равна на 617 X 316, или почти 200 000 km/s.

Тези стойности на скоростите на избягване са много важни за нас, тъй като представляват нов километричен камък по нашия път към черните дупки. Нека тогава да ги представим в таблица 12.

За обекти, изградени от нормално вещество, скоростта на избягване в сравнение със скоростта на светлината е незабележимо малка. Дори за Слънцето тази скорост е само 1/500 от скоростта на светлината. При белите джуджета тя е вече 1/100 от нея и самата светлина губи забележимо количество енергия, когато се излъчва в пространството. Точно тази загуба на енергия, изразила се в малкото червено отместване в спектъра на Сириус B, дала възможност на Адамс да определи, че звездата е много плътна.

Неутронната звезда има скорост на избягване около 2/3 от тази на светлината и айнщайновото отместване ще бъде много по-голямо. Ние наблюдаваме рентгеновото излъчване на неутронните звезди и ако гравитационният ефект не беше толкова голям, рентгеновите вълни, които идват до нас, биха били далеч по-къси, отколкото са в действителност. Що се отнася до по-дълговълновото излъчване като видимата светлина и още по-дългите микровълни, голяма част от това излъчване не би съществувало без ефектите, които удължават вълните в гравитационното поле на неутронните звезди.