Podczas eksplozji supernowej lub wybuchu kolapsu białego karła, w czasie mniejszym niż sekunda powstają nowe obiekty, najgęstsze we Wszechświecie gwiazdy neutronowe. Osiągają wielkość rzędu 10-20 km i masę większą nawet do 3 mas Słońca.
Gęstość materii wewnętrznej jest równa tej w jądrze atomowym.
5 gram. materii neutronowej na Ziemi osiągałoby ciężar taki sam jak obiekt o masie ok. 6 miliardów ton.
Gwiazdy neutronowe — zdegradowane neutrony
Gwiazdy neutronowe swoją nazwę zaczerpnęły od ich podstawowego materiału, z których są zbudowane, czyli neutronów.
Teoretycznie istnienie pierwszych gwiazd neutronowych przewidział w 1938 roku L. Landau, natomiast pierwszy raz zaobserwowano je prawie 30 lat później, kiedy to Antony Hewish i Jocelyn Bell z Uniwersytetu Cambridge odkryli pulsary, czyli gwiazdy neutronowe regularnie wysyłającą krótkie błyski promieniowania elektromagnetycznego.
Gwiazdy neutronowe powstają w efekcie grawitacyjnego zapadania centralnych rdzeni solidnych gwiazd, który poprzedza wybuch supernowej. W chwili swych narodzin są bardzo gorącymi obiektami, ich temperatura wewnętrzna osiąga T ~ 1011 K, a następnie szybko spada.
Wszystkie gwiazdy neutronowe charakteryzują się ogromną gęstością oraz szybkim wirowaniem wokół własnej osi.
Bardzo często występują także w układach podwójnych, kiedy to swoim silnym polem grawitacyjnym przyciągają opadający na nie gaz z pobliskiego, sąsiedniego obiektu. Gaz ten opadając po spirali, która otacza gwiazdę neutronową, tworzy pierścień, tzw. dysk akrecyjny.
Gwiazdy neutronowe i ich struktura
Struktura gwiazdy neutronowej składa się z zewnętrznej i wewnętrznej skorupy oraz ciekłego rdzenia, który stanowi ok. 99% masy całej gwiazdy.
Zewnętrza warstwa skorupy sięga grubości 400 m i jest zbudowana z sieci krystalicznych jąder atomowych, które zanurzone są w jednorodnym gazie elektronowym. Z kolei warstwa wewnętrzna zawiera jądra atomowe, elektrony oraz gaz neutronów.
W głębszych warstwach materia gwiazdy neutronowej jest tworem jednorodnej cieczy, która składa się przede wszystkim z neutronów, z kilkuprocentowym wkładem protonów i elektronów.
Magnetary i silne pola magnetyczne
Magnetary stanowią najbardziej nietypową formę gwiazdy neutronowej. Są tak samo małe i gęste, ale wytwarzają ekstremalne pola magnetyczne znane we Wszechświecie. Ich wielkość jest nawet kilka miliardów razy większa niż siła pola magnetycznego Ziemi.
Jeśli jeden z magnetarów przeleciałaby nad Ziemią w promieniu 161 000 km, jego pole magnetyczne zniszczyłoby dane na wszystkich kartach kredytowych z całej kuli ziemskiej.
Na szczęście dla nas, spektakularne efekty pokazów tego rodzaju gwiazd neutronowych, możemy podziwiać bardzo rzadko. W grudniu 2004 roku niezwykła eksplozja na powierzchni magnetara SGR 1806-20 spowodowała, że stał się on jednym z najjaśniejszych obiektów obserwowanych na niebie.
Wybuch ten spowodował również zakłócenia jonosfery Ziemi, odnotowywane na całym świecie.
Dziwna gwiazda
W 2002 roku, w naukowym świecie fizyki i astronomii zawrzało-odkryta została gwiazda neutronowa, której promień określono na 11 km a masę na 1,75 masy Słońca.
Założono hipotetycznie, że jest to gwiazda kwarkowa (gwiazda dziwna), gdyż tak mały rozmiar i duża masa miałyby świadczyć o ogromnej gęstości, przy której neutrony musiałyby się rozpaść i stworzyć plazmę kwarkowo-gluonową.
Odkrycie to miało być Świętym Graalem fizyków.
Pech chciał, że po przeprowadzeniu dokładnej weryfikacji, wyznaczeniu masy oraz promienia okazało się, iż jest to tylko zwykła gwiazda neutronowa.
Gwiazdy kwarkowe, które mogą być gęstsze od neutronowych i które w przeciwieństwie do innych obiektów nie uległyby rozpadowi w chwili zniknięcia grawitacji, nadal pozostały czystym tworem hipotetycznym.
Pulsary, czyli migoczące radioźródła
Większość obserwowanych gwiazd neutronowych to pulsary.
Pulsary to szybko obracające się gwiazdy neutronowe (okres obrotu trwa od milisekundy do sekundy), które w bardzo regularnych odstępach czasowych emitują pulsujące promieniowanie radiowe, widzialne i rentgenowskie.
Pulsary mają bardzo silne pola magnetyczne.
Ich promieniowanie radiowe wysyłane jest w formie bardzo silnych wiązek światła, które wirują wokół osi obrotu gwiazdy, wywołując tym samym efekt latarni morskiej.
W 1968 roku prof. Hewish z Instytutu Astronomii Uniwersytetu w Cambridge pracował nad badaniem błysków źródeł promieniowania radiowego.
Jego doktorantka, Jocellyn Bell, odnotowała, że istnieje coś w rodzaju szybkozmiennego, pulsującego źródła, które charakteryzuje się niebywale precyzyjnymi i regularnymi okresami powtarzalności (nawet co do 0,03 s).
Okres tych zmian był jednak za mały, żeby wyjaśnić te pulsacje oscylacjami gwiazdy lub efektem zaćmienia w układzie podwójnym.
Dlatego też założono, że pulsujące błyski są efektem rotacji małej gwiazdy, która na swej powierzchni ma źródło promieniowania. Szybkie obroty mogły charakteryzować tylko jedne obiekty, a mianowicie ultra gęste gwiazdy neutronowe o ok. 10 km promieniu.
W początkowej fazie odkrycie pulsarów wiązano z istnieniem pozaziemskich cywilizacji, dlatego też określano je skrótem LGM (ang. Little Green Man).
Dopiero kiedy udowodniono systematyczne wydłużanie się okresu zmian, zaczęto używać skrótu PSR (ang. Pulsar Radio Source).
Gwiazdy neutronowe, magnetary, pulsary – podsumowanie
Obecnie znanych jest ponad 2000 różnych pulsarów.
Obracają się one z różnymi częstotliwościami i są obserwowane w różnych pasmach: radiowych, optycznych, rentgenowskim i promieniowaniu gamma.
Przez długi okres najbardziej znanym pulsarem był rotująca 30 razy na sekundę gwiazda neutronowa w Mgławicy Kraba.
Zarówno sam pulsar, jak i cała mgławica powstały podczas wybuchu supernowej, który dostrzeżono w 1054 roku, wtedy nocne niebo pozostawało jasne przez kilka dni.
Na początku 2017 roku grupa astronomów w ramach projektu Exploring X-ray Transient and Variable Sky (EXTraS), realizowanego za pomocą satelity XMM-Newton, odkryła jak dotąd najdalszy i najjaśniejszy pulsar.
Tę gwiazdę neutronową zaobserwowano w oddalonej od Ziemi o 55 milionów lat świetlnych galaktyce NGC 5907.
Obiekty ten bardzo szybko wiruje i emituje pulsujące, co 1,13 sekundy impulsy światła.
