Gwiazdy neutronowe, pulsary i magnetary cz. II

W poprzednim poście opisałem mechanizm wybuchu supernowej typu II prowadzący do powstania gwiazdy neutronowej. Omówiłem też kilka jej podstawowych cech. Okazuje się jednak, że gwiazdy neutronowe to bardzo szczególne obiekty.


Jak wiemy gwiazda z,  której powstała gwiazda neutronowa, była rotującą kulą plazmy. Oznacza to, że posiadała pewien moment pędu. Z drugiej strony wiemy, że w fizyce funkcjonuje zasada zachowania momentu pędu co prowadzi do wniosku, iż momenty pędu gwiazdy przed zniszczeniem i gwiazdy neutronowej muszą być takie same.  Możemy to zapisać jako.
$$L=I\omega$$
gdzie ω to prędkość kątowa rotacji gwiazdy, I - moment bezwładności kuli (traktujemy jako przybliżenie)
$$I=\frac{2}{5}Mr^2$$
Na mocy zasady zachowania momentu pędu można zapisać równość
$$L_1=L_2$$
$$I_1\omega_1= I_2\omega_2$$
Wykonując proste rachunki możemy wyznaczyć okres rotacji gwiazdy neutronowej.
$$T_2=\left ( \frac{r_2}{r_1} \right )^2T_1$$
Otrzymany wynik sugeruje, że okres rotacji gwiazdy neutronowej jest rzędu milisekund. Proste obliczenia prowadzą też do wyniku, że prędkość liniowa na równiku gwiazdy jest rzędu kilku procent prędkości światła !

Innym aspektem w krajobrazie gwiazdy neutronowej jest pole magnetyczne. Każda gwiazda posiada pewne pole magnetyczne powstające dzięki efektowi dynama w rotującej, naładowanej plazmie. Polega to z grubsza na tym, że strumienie plazmy rotujące z powierzchnią i wnętrzem  gwiazdy można traktować jak swoistego rodzaju pętle prądu elektrycznego, a jak wiemy płynący prąd elektryczny jest źródłem pola magnetycznego. Przykładowo pole magnetyczne Słońca jest 12 000 razy silniejsze od pola magnetycznego Ziemi i ma średnią wartość 4.8T. Dla porównania typowy magnes neodymowy wytwarza pole rzędu 1T. Co to oznacza? Otóż podczas zapadania się jądra gwiazdy pole magnetyczne na powierzchni gwałtownie rośnie. Jest to związane z tym, że strumień pole magnetycznego musi być stały.
$$\Phi =\oint _S BdS=const$$
$$B_1 \pi r_1^2=B_2\pi r_2^2$$
$$B_2=\left ( \frac{r_1}{r_2} \right )^2B_1$$
Oznacza to, że Słońce stając się gwiazdą neutronową miało by pole magnetyczne rzędu 10⁹T. Wartość kolosalna, choć warto ndamienić, że istnieją obiekty o polu magnetycznym dwa rzędy wielkości silniejszym. Nazywamy je magnetarami.

No właśnie. W zasadzie wyróżniamy dwa typy gwiazd neutronowych o identycznym mechanizmie powstania ale diametralnie różniące się właściwościami. Są to wspomniane wyżej magnetary i pulsary, Pulsary są to typowe gwiazdy neutronowe mające tą cechę, że rotując wysyłają w przestrzeń strumienie energii ze swoich biegunów. Energia ta powstaje z energii kinetycznej ruchu obrotowego i oddziaływania pola magnetycznego na zasadzie generowania promieniowania synchrotronowego  i jest emitowana w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego - od promieni X do promieniowania radiowego. Emisja następuje w postaci wąskich wiązek z biegunów. Wiązki te omiatają przestrzeń w regularnych odstępach czasu, który jest rzędu milisekund do sekund. Obecnie znamy ponad 1900 pulsarów.

Na skutek emisji energii prędkość rotacji pulsara maleje, temperatura spada. Ostatnim etapem ewolucji takiego tworu jest ciemny, zimny obiekt. "Kropla" materii neutronowej, stanowiąca coś w rodzaju gigantycznego jądra atomowego.

W 1992 roku Aleksander Wolszczan i Dale Frail odkryli planety krążące wokół pulsara PSR 1257+12 (Lich) w gwiazdozbiorze Panny, obecnie (2015) znane jest 7 pulsarów okrążanych przez planety.

Magnetary też są gwiazdami neutronowymi. Jednak różnią się one od typowych pulsarów. Cechą wyróżniającą jest bardzo silne pole magnetyczne rzędu 10¹¹T - 10¹²T, olbrzymia temperatura powierzchni rzędu 18 milionów stopni oraz stosunkowo długi okres rotacji 8-10s. Istotną różnicą jest też to, że magnetary emitują ciągły strumień promieniowania rentgenowskiego o znacznej mocy, która nie może być tylko wynikiem zamiany energii rotacyjnej na energię  promieniowania. W grę musi też wchodzić energia pola magnetycznego. Co więcej, z racji, iż emisja promieniowania jest duża stosunkowo szybko (10 000 lat) pole magnetyczne magnetara drastycznie się zmniejsza. Prowadzi to do przebudowy skorupy gwiazdy neutronowe i jej odkształcania oraz pękania. Takie zjawisko nazywamy "trzęsieniem gwiazdy". Prowadzi ono do powstania powtarzalnych źródeł miękkich promieni gamma (SGR) jednych z najbardziej energetycznych procesów we  Wszechświecie. Obecnie znamy 23 potwierdzone magnetary. Sześć dalszych czeka na potwierdzenie.

27 grudnia 2004 roku do Ziemi dotarło promieniowanie pochodzące z ogromnej eksplozji, która miała miejsce na powierzchni magnetara SGR 1806-20. W zakresie fal gamma rozbłysk był jaśniejszy niż Księżyc w pełni, a jego absolutna jasność odpowiadała magnitudo −29 magnitudo. W historii astronomii nie zaobserwowano silniejszego źródła promieniowania gamma znajdującego się poza Układem Słonecznym. Uderzenie radiacji było tak silne, że wywarło wyraźny wpływ na ziemską jonosferę. Magnetar wyzwolił w ciągu dziesiątej części sekundy więcej energii niż Słońce emituje w ciągu 100 000 lat, czyli 1,3×10³⁹ J. Przypuszcza się, że była to największa zaobserwowana w naszej Galaktyce eksplozja od roku 1604, kiedy Kepler dostrzegł na niebie supernową SN 1604. Należy podkreślić, że wybuch na SGR 1806-20 miał miejsce 50 tys. lat temu, bo tyle czasu potrzebowały promienie gamma, aby dotrzeć do naszej planety. Rozbłysk był wynikiem niewielkiego (rzędu milimetrów) ruchu skorupy magnetara i powstałego w ten sposób trzęsienia gwiazdy o mocy 32 w skali Richtera. Gdyby rozbłysk zaszedł w odległości rzędu 10 lat świetlnych całe życie na Ziemi uległoby zagładzie. Rozbłysk gamma podejrzewany jest jako przyczyna wielkiego wymierania organizmów na Ziemi w ordowiku 438 mln lat temu kiedy to wymarło ponad 85% gatunków. Wszechświat nie jest więc przyjemnym i bezpiecznym miejscem do życia i w sumie dobrze, że żyjemy na jego zadupiu.