Gwiazdy neutronowe, pulsary i magnetary cz. I

Jak wiadomo jednym z możliwych, końcowych etapów ewolucji gwiazd mogą być tak zwane gwiazdy neutronowe. Są to obiekty będące ostatnim stadium ewolucji dość masywnych gwiazd, które kończą swoje życie w spektakularnej implozji, którą nazywamy wybuchem gwiazdy supernowej typu II. W wyniku eksplozji mogą powstać pierwiastki cięższe od żelaza oraz tajemniczy twór zwany gwiazdą neutronową. Jak przebiega taki proces i czym jest gwiazda neutronowa?



Z chwilą ustania reakcji termojądrowych w jądrze masywnej gwiazdy siła grawitacji jej jądra powoduje jego zapadanie się. Po prostu ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego nie jest w stanie zapobiec kolapsowi. Samo jądro ulega gwałtownej neutronizacji - elektrony są wbijane do wnętrza protonów, które w reakcji p(e,ν)n przekształcają się neutrony, emitowane są również neutrina, które jako pierwsze opuszczają ginącą gwiazdę i pełnią rolę zwiastunów zagłady jako, że mogą być wykryte w detektorach jako pierwsze. Fotony ulegające rozproszeniom docierają nieco później. Neutrony należą do fermionów czyli cząstek o spinie połówkowym (dokładnie 1/2) zatem podlegają zakazowi Pauliego. Przy dostatecznie dużej gęstości materia neutronowa jądra ulega degeneracji tworząc zdegenerowany gaz fermionowy.  Cechą tego gazu jest to, że jego ciśnienie nie zależy od temperatury ale od gęstości. Oznacza to, iż istnieje możliwość aby ciśnienie zdegenerowanego gazu neutronowego wraz ze wzrostem gęstości zrównoważyło siłę grawitacji. Jest to możliwe gdy masa jądra jest  w zakresie od 1.5 do 3 mas Słońca (granica Tolmana–Oppenheimera–Volkoffa). Gdy jest większa los gwiazdy jest jeszcze bardziej ponury - stanie się kolapsarem czyli czarną dziurą.

W rezultacie zapadania się jądra zostaje z niego niewielki obiekt o średnicy około 20km i gęstości osiągającej gęstości jądrowe do jest 10¹⁷kg/m³ - łepek od szpilki ważyłby około 160 000 ton, prawie tyle co półtora lotniskowca. Prędkość ucieczki z takiego obiektu wynosi około 40% prędkości światła. Początkowa temperatura gwiazdy neutronowej, bo tak nazywamy taki obiekt, jest rzędu 10¹²K, jednak z powodu emisji neutrin szybko spada do "rozsądnej" granicy miliona stopni Kelvina. Na powierzchni następuje krystalizacja materii neutronowej i tworzy się cienka (1.5km) skorupa składająca się prawdopodobnie z krystalicznego żelaza. Co znajduje się pod nią to czyste spekulacje. Prawdopodobnie jest to superciekła i nadprzewodząca mieszanina neutronów,protonów i elektronów. Jeszcze głębiej może istnieć materia "dziwna" składająca się z kwarków s i gluonów, które w występujących tam warunkach mogą być cząsteczkami trwałymi. Ale to czysta spekulacja.

Hipotetyczna budowa GN.

Pojawia się tutaj pewien paradoks. Opisany proces nosi nazwę wybuchu supernowej II typu a jak dotychczas nic nie wspominałem o wybuchu. Okazuje się, że tak na prawdę wybuch nie jest wybuchem! Wybuchają supernowe typu Ia. A co się dzieje w naszym przypadku? Otóż, w momencie gwałtownego zapadnięcia się jądra gwiazdy cały proces trwa bardzo krótko, jądro zapada się prędkością 70 000 km/s (0.23c). Dopiero po pewnym czasie (rzędu sekund) zewnętrzne warstwy zaczynają spadać na powstałą gwiazdę neutronową nabierając prędkości, która osiąga w ciągu 1/4s wartości rzędu 0.3c. Cała ta masa uderza w skorupę gwiazdy neutronowej i się od niej odbija. Tworzy się wsteczna fala uderzeniowa rozrywająca w strzępy otoczkę gwiazdy i odrzucająca jej resztki w przestrzeń kosmiczną. Wyzwalana jest też olbrzymia ilość energii rzędu 10⁴⁶J. Emitowana w formie neutrin i promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fali. Supernowa może przez krótki czas przewyższać jasnością całą galaktykę. Tworzy się także mgławica.

Mgławica Kraba (M1). Tyle pozostało z gwiazdy, która eksplodowała w 1054 roku. W jej centrum znajduje się gwiazda neutronowa (pulsar) PSR B0531+21.

W kolejnym wpisie zajmę się tematem pulsarów.