ГБПОУ «Тверской колледж им. Коняева Тема научно-исследовательской работы: «Нейтронные звезды (пульсары)» Выполнила: студентка 1 курса 380207 БД «Банковское дело» Горшонкова Юлия Александровна Руководитель: Зенюк Виктория Андреевна -1- Содержание Введение 3 Открытие 4 Образование нейтронных звёзд 4 Как устроены нейтронные звезды 5 Что такое пульсары? 7 Как действует пульсар? 8 Пульсар- нейтронная звезда 8 Как образуются пульсары? 9 Когда возникли пульсары? 9 Почему пульсары пульсируют? 10 Тайны нейтронных звезд. 11 Поиск пульсаров 13 Использование пульсаров 14 Кладбище пульсаров 15 Заключение 16 Список использованной литературы 17 -2- Введение На протяжении веков единственным источником сведений о звездах и Вселенной был для астрономов видимый свет. Наблюдая невооруженным глазом или с помощью телескопов, они использовали только очень небольшой интервал волн из всего многообразия электромагнитного излучения, испускаемого небесными телами. Астрономия преобразилась с середины нашего века, когда прогресс физики и техники предоставил ей новые приборы и инструменты, позволяющие вести наблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей, где длины волн составляют миллиардные доли миллиметра. Это вызвало нарастающий поток астрономических данных. Фактически все крупнейшие открытия последних лет – результат современного развития новейших областей астрономии, которая стала сейчас всеволновой. Еще с начала 30-х годов, как только возникли теоретические представления о нейтронных звездах, ожидалось, что они должны проявить себя как космические источники рентгеновского излучения. Эти ожидания оправдались через 40 лет, когда были обнаружены барстеры и удалось доказать, что их излучение рождается на поверхности горячих нейтронных звезд. Но первыми открытыми нейтронными звездами оказались все же не барстеры, а пульсары, проявившие себя - совершенно неожиданно - как источники коротких импульсов радиоизлучения, следующих друг за другом с поразительно строгой периодичностью. Задачи: 1. Изучить особенности строения пульсар 2. Изучить особенности строения нейтронных звёзд Цели: 1. Открыть для себя новое про звезды 2. Узнать тайны нейтронных звезд -3- Открытие В 1934 г. В. Бааде и Ф. Цвикки предложили идею нейтронных звезд — объектов с очень высокой плотностью и малыми радиусами, для которых гравитационная связь выражена гораздо сильнее, нежели для обычных звезд. Первые вычисления моделей нейтронных звезд были выполнены Р. Оппенгеймером и Дж. М. Волковым, которые предположили, что вещество нейтронной звезды должно состоять из идеального газа свободных нейтронов с высокой плотностью. Открытие в 1962 г. космических рентгеновских источников внесолнечного происхождения вызвало резкий подъем интереса к нейтронным звездам. В конце 1967 г. были открыты пульсары. Т. Голд высказал предположение, что они представляют собой вращающиеся нейтронные звезды, и сейчас эта интерпретация общепринята. Еще больше стимулировало исследования открытие спутником «Ухуру» в 1971 г. пульсирующих компактных рентгеновских источников («рентгеновских пульсаров»). Один из самых активных исследователей нейтронных звезд — Норман Гленденнинг из американской лаборатории Беркли — увлекся ими ещё в 1980х. И сейчас его давние и современные идеи служат предметом оживленных дискуссий. На сегодняшний день нам известно, что нейтронные звезды – сверхплотные звезды, образующиеся в результате взрыва сверхновой. Известно ≈ 1200 объектов, которые относят к нейтронным звёздам. Около 1000 из них расположены в пределах нашей галактики. Образование нейтронных звезд Считается, что образование нейтронной звезды это результат вспышки сверхновой. То есть то, что остаётся от тела после взрыва. Другими словами, это конечный продукт вспышки или звёздный остаток. Между прочим, если такой остаток больше солнечного в три раза, то его эволюция продолжается. В результате коллапса формируется чёрная дыра. По данным учёных, любой представитель главной последовательности, при условии массы больше Солнца в 8 раз, может эволюционировать в нейтронное светило. Когда происходит взрыв нейтронной звезды, внешняя оболочка резко проваливается на ядро. В это время возникает волновой скачок, то есть ударная волна. Которая, к слову, разносит вокруг частицы вещества из внешних слоёв. Кроме того, часть вещества из разрушившихся слоёв попадает в центр. Благодаря чему внутренняя часть имеет высокую плотность и температуру. Надеюсь, теперь понятно, почему маленькая нейтронная звезда невероятно мала и тяжела. Стоит отметить, что свою энергию после взрыва светило начинает -4- переносить не равномерно, а потоками. Что, собственно, и вызывает его нестабильность. Получается, что само ядро остается, но его свойства (масса, плотность, температура и т.д.) меняются. Как устроены нейтронные звезды В отличие от других тел они, главным образом, состоят из нейтронного центра (сердцевины). Отсюда, кстати, и появилось название типа. А сверху их покрывает кора, образуемая тяжёлыми атомными ядрами, нейтронами и электронами. Помимо этого в структуре рассматриваемых светил выделяют несколько частей. Строение Атмосфера — тоненький (не более 100 см) слой ионизированного газа, то есть плазмы. Здесь сосредоточено тепловое излучение тела. Внешняя кора содержит ядра и электроны, по толщине может быть несколько сотен метров. Притом в ней газ представлен в разных составах. Например, самые верхние покровы состоят из невырожденного газа, а в середине он уже вырожденный. Чем глубже, тем его состояние меняется на релятивистское и ультрарелятивистское вырождение. Внутренняя кора включает в себя электроны, свободные нейтроны и ядра атомов с множеством нейтронов. Причем количество нейтронных частиц увеличивается с глубиной. Данный слой имеет протяжённость до нескольких -5- километров. Внешнее ядро выделяют у объектов малой массы. Поскольку может занимать всё пространство до звёздного центра. Вдобавок оно состоит преимущественно из нейтронов. Хотя некоторая доля протонов и электронов все же есть. Внутреннее ядро наблюдается только у массивных светил. Оно отличается высокой плотностью. А радиус, по меньшей мере, составляет несколько километров. К сожалению, точный состав внутреннего вещества ещё не известен. Но определённо в нём присутствую нейтроны, барионы и кварки. Конечно, дальнейшее изучение и исследования продолжаются. И мы когданибудь узнаем все тайны нейтронных звезд. Особенности нейтронных звезд Как оказалось, нейтронная звезда невероятно мала и тяжела. Правда, она имеет плотность намного больше атомного ядра. Но из-за давления вещества, находящегося внутри ядра, дальнейшее гравитационное сжатие не продолжается. Собственно говоря, вес и масса нейтронной звезды приблизительно равна солнечной. При этом её размер, точнее радиус, не более 20 км. К тому же, к отличительным характеристикам нейтронных звезд относится их вращение вокруг своей оси. Стоит отметить, высокую скорость такого движения. Если говорить точнее, она составляет несколько сотен оборотов в секунду. Также важной чертой является сильное магнитное поле. Его мощь, в значительной мере, определяет остальные свойства и происходящие процессы. Что интересно, сила гравитации звёздных тел после вспышки сильно увеличивается. Поэтому им свойственны огромная скорость падения вещества и сжатие сердцевины. Другими словами, это объясняет резкий характер происходящих процессов. А вот столкновение внешних и внутренних слоёв нейтронных звезд может привести к разрушению атомов падающего вещества. При этом эти атомы превращаются в нейтроны. -6- Внутреннее строение Что такое пульсар? Пульсары – это космические источники радио-, оптического, рентгеновского и/или гамма-излучений, приходящих на Землю в виде периодических всплесков (импульсов). Пульсар — это маленькая вращающаяся звезда. На поверхности звезды есть участок, который излучает в пространство узконаправленный пучок радиоволн. Наши радиотелескопы принимают это излучение тогда, когда источник повернут в сторону Земли. Звезда вращается, и поток излучения прекращается. Следующий оборот звезды — и мы снова принимаем ее радио послание. -7- Структура пульсара Как действует пульсар? Так же действует маяк с вращающимся фонарем. Издали мы воспринимаем его свет как пульсирующий. То же самое происходит и с пульсаром. Мы воспринимаем его излучение, как пульсирующий с определенной частотой источник радио волнового излучения. Пульсары относятся к семейству нейтронных звезд. Нейтронная звезда — это звезда, которая остается после катастрофического взрыва гигантской звезды. Пульсар – нейтронная звезда Звезда средней величины, например, Солнце, размерами в миллион раз превосходит такую планету, как Земля. Гигантские звезды в поперечнике в 10, а иногда и в 1000 раз больше Солнца. Нейтронная звезда — это гигантская звезда, сжатая до размера крупного города. Это обстоятельство и делает поведение нейтронной звезды очень странным. Каждая такая звезда равна по -8- массе гигантской звезде, но эта масса стиснута в чрезвычайно малом объеме. Одна чайная ложка вещества нейтронной звезды весит миллиард тонн. Как образуются пульсары? Вот как это происходит. После того как звезда взрывается, ее остатки сжимаются под действием гравитационных сил. Ученые называют этот процесс коллапсом звезды. По мере развития коллапса сила гравитации растет, а атомы вещества звезды все теснее и теснее прижимаются друг к другу. В нормальном состоянии атомы находятся на значительном расстоянии друг от друга, потому что электронные облака атомов взаимно отталкиваются. Но после взрыва гигантской звезды атомы так сильно прижаты и спрессованы, что электроны буквально впрессовываются в ядра атомов. Жизненный цикл звезд, образование пульсаров Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Электроны, втиснутые в ядро, реагируют с протонами, и в результате образуются нейтроны. С течением времени все вещество звезды становится гигантским клубком спрессованных нейтронов. Рождается нейтронная звезда. Когда возникли пульсары? Ученые полагают, что пульсары звезды существуют с незапамятных времен. Во всяком случае, они были задолго до того, как их открыли. Первые свидетельства их существования получены в ноябре 1967 года, когда несколько радиотелескопов в Англии нащупали в небе неведомый ранее источник излучения. В космосе есть много источников радиоволн. Например, молекулы воды и аммония, дрейфующие в межзвездном пространстве, излучают радиоволны. Эти волны улавливаются тарелочными антеннами радиотелескопов. -9- Новый источник радиоволн, однако, не был похож на другие. Студентка – старшекурсница Джослин Белл изучала радиоволны, зарегистрированные самописцами радиотелескопа. Она обратила внимание на регулярно повторяющиеся вспышки электромагнитного излучения, которые поступали на антенну телескопа с интервалом в 1,33733 секунды. Когда новость об открытии Белл стала достоянием широкой публики, то некоторые ученые решили, что Белл приняла послание чужой цивилизации. Несколько месяцев спустя был зарегистрирован другой источник пульсирующего радиоизлучения. Ученые оставили мысль об их искусственном происхождении. Было решено, что эти источники — сверхплотные звезды. Их назвали пульсарами из – за пульсирующего характера излучения. Пульсары оказались теми самыми нейтронными звездами, за которыми ученые уже давно охотились. С тех пор были открыты сотни подобных звезд. Почему пульсары пульсируют? Ученые считают, что причина в их быстром вращении. Все звезды, подобно планетам, вращаются вокруг своей оси. Например, Солнце совершает один оборот за один месяц. При уменьшении размера вращающегося тела оно начинает вращаться быстрее. Представьте себе фигуриста, который вращается на льду. Когда он прижимает руки к телу, вращение резко ускоряется. То же происходит со сверхплотными звездами. Пульсар размером с Лос-Анджелес вращается со скоростью один оборот в секунду. Другие пульсары могут вращаться еще быстрее. Пульсары могут вращаться со скоростью до 1000 оборотов в секунду - 10 - Схематическое изображение пульсара. Сфера в центре изображения — нейтронная звезда, кривые линии обозначают линии магнитного поля пульсара, голубые конусы — потоки излучения пульсара В этом вращении и кроется причина пульсирующего излучения. Пульсары окружены сильным магнитным полем. Вдоль силовых линий этого магнитного поля перемещаются протоны и электроны. Как известно, сила магнитного поля возрастает у северного и южного магнитных полюсов. В этих точках скорость перемещения протонов и электронов становится очень большой. При таком разгоне частицы выделяют кванты энергии в диапазоне от рентгеновских лучей до радиоволн. Так как пульсар вращается, а источник излучения вращается вместе с ним, то мы воспринимаем излучение пульсара только в тот момент, когда источник повернут в сторону Земли. Точно так же мы воспринимаем свет маяка с вращающимся фонарем. Тайны нейтронных звезд Можно сказать, что до реального открытия этот звёздный класс был сначала спрогнозирован в теории. То есть астрономы предполагали возможность появления подобных космических объектов. Впервые же, их открыли лишь в 1967 году. Причем это был радиопульсар B1919+21 из созвездия Лисички. Сейчас же число найденных нейтронных звёзд свыше 2500. Как выяснилось, из них лишь немногие входят в кратные системы. В действительности же, большая часть- это отдельные светила. - 11 - Созвездие Лисичка К удивлению, некоторые считают, что в скором времени появится в Солнечной системе нейтронная звезда, которая принесёт апокалипсис и конец света. По некоторым данным, периодически в нашей системе появляется небесное тело с сильным магнитным полем. Его часто называют планетой Нибиру. Более того, легенды и мифы рассказывают о том, что этот таинственный объект уже посещал нас. Такое нашествие всегда несёт за собой разрушение. Опять-таки, согласно древним легендам подобное происходило несколько раз. И, если это правда, наша планета всё выдержала. На самом деле, астрономы замечали странный объект, который пока не идентифицировали. Хотя нет никаких доказательств о том, что он приближается к Земле и вообще, что это нейтронная звезда. Иногда, люди любят приукрашивать действительность. - 12 - Планета Нибиру (изображение) Пoиcк пульcapoв Глaвным мeтoдoм для пoиcкa пульcapoв в кocмoce ocтaютcя paдиoтeлecкoпы. Oни нeбoльшиe и cлaбыe пo cpaвнeнию c дpугими oбъeктaми, пoэтoму пpиxoдитcя cкaниpoвaть вce нeбo и пocтeпeннo в oбъeктив пoпaдaют эти oбъeкты. Бoльшaя чacть былa нaйдeнa пpи пoмoщи Oбcepвaтopии Пapкca в Aвcтpaлии. Mнoгo нoвыx дaнныx мoжнo будeт пoлучить c Aнтeннoй peшeтки в квaдpaнтный килoмeтp (SKA), cтapтующий в 2018 гoду. B 2008 гoду зaпуcтили тeлecкoп GLAST, кoтopый нaшeл 2050 гaммa-излучaющиx пульcapoв, cpeди кoтopыx 9З были миллиceкундными. Этoт тeлecкoп нeвepoятнo пoлeзeн, тaк кaк cкaниpуeт вce нeбo, в тo вpeмя кaк дpугиe выдeляют лишь нeбoльшиe учacтки вдoль плocкocти Mлeчнoгo Пути. - 13 - Пoиcк paзличныx длин вoлн мoжeт cтaлкивaтьcя c пpoблeмaми. Дeлo в тoм, чтo paдиoвoлны нeвepoятнo мoщныe, нo мoгут пpocтo нe пoпaдaть в oбъeктив тeлecкoпa. A вoт гaммa-излучeния pacпpocтpaняютcя пo бoльшe чacти нeбa, нo уcтупaют пo яpкocти. Ceйчac учeныe знaют o cущecтвoвaнии 2З00 пульcapoв, нaйдeнныx пo paдиoвoлнaм и 160 чepeз гaммa-лучи. Ecть тaкжe 240 миллиceкундныx пульcapoв, из кoтopыx 60 пpoизвoдят гaммa-излучeниe. Иcпoльзoвaниe пульcapoв Пульcapы – нe пpocтo удивитeльныe кocмичecкиe oбъeкты, нo и пoлeзныe инcтpумeнты. Иcпуcкaeмый cвeт мoжeт мнoгoe пoвeдaть o внутpeнниx пpoцeccax. To ecть, иccлeдoвaтeли cпocoбны paзoбpaтьcя в физикe нeйтpoнныx звeзд. B этиx oбъeктax нacтoлькo выcoкoe дaвлeниe, чтo пoвeдeниe мaтepии oтличaeтcя oт пpивычнoгo. Cтpaннoe нaпoлнeниe нeйтpoнныx звeзд нaзывaют «ядepнoй пacтoй». Пульcapы пpинocят мнoгo пoльзы блaгoдapя тoчнocти импульcoв. Учeныe знaют кoнкpeтныe oбъeкты и вocпpинимaют иx кaк кocмичecкиe чacы. Имeннo тaк нaчaли пoявлятьcя дoгaдки o нaличии дpугиx плaнeт. Фaктичecки, пepвaя нaйдeннaя экзoплaнeтa вpaщaлacь вoкpуг пульcapa. He зaбывaйтe, чтo пульcapы вo вpeмя «мигaния» пpoдoлжaют двигaтьcя, a знaчит, мoжнo c иx пoмoщью измepять кocмичecкиe диcтaнции. Oни тaкжe учacтвoвaли в пpoвepкe тeopии oтнocитeльнocти Эйнштeйнa, вpoдe мoмeнтoв c cилoй тяжecти. Ho peгуляpнocть пульcaции мoжeт нapушaтьcя гpaвитaциoнными вoлнaми. Этo зaмeтили в фeвpaлe 2016 гoдa. - 14 - Cнимoк пульcapa PSR B05З1+21, cдeлaнный peнтгeнoвcкoй oбcepвaтopиeй Чaндpa. B цeнтpe вы видитe бeлый пульcap и cтpуи выбpacывaющeгocя мaтepиaлa Kлaдбищa пульcapoв Пocтeпeннo вce пульcapы зaмeдляютcя. Излучeниe питaeтcя oт мaгнитнoгo пoля, coздaвaeмoгo вpaщeниeм. B итoгe, oн тaкжe тepяeт cвoю мoщнocть и пpeкpaщaeт пocылaть лучи. Учeныe вывeли cпeциaльную чepту, гдe eщe мoжнo oбнapужить гaммa-лучи пepeд paдиoвoлнaми. Kaк тoлькo пульcap oпуcкaeтcя нижe, eгo cпиcывaют в клaдбищe пульcapoв. Ecли пульcap cфopмиpoвaлcя из ocтaткoв cвepxнoвoй, тo oблaдaeт oгpoмным энepгeтичecким зaпacoм и быcтpoй cкopocтью вpaщeния Oднaкo, пульcap мoжeт пpoдлить ceбe жизнь, ecли pядoм ecть cпутник. Toгдa oн будeт вытягивaть eгo мaтepиaл и увeличивaть cкopocть вpaщeния. Taкиe измeнeния мoгут пpoизoйти в любoe вpeмя, пoэтoму пульcap cпocoбeн вoзpoждaтьcя. Haибoлee cтapыe пульcapы – миллиceкундныe. Heкoтopыe дocтигaют вoзpacтa в миллиapды лeт. - 15 - Заключение Нейтронные звезды – удивительные объекты. Их в последнее время наблюдают с особенным интересом, т.к. загадку представляет не только их строение, но и огромная их плотность, сильнейшие магнитные и гравитационные поля. Материя там находится в особом состоянии, напоминающем огромное атомное ядро, и эти условия невозможно воспроизвести в земных лабораториях. Пульсар - это просто огромный намагниченный волчок, крутящийся вокруг оси, не совпадающей с осью магнита. Если бы на него ничего не падало, и он ничего не испускал, то его радиоизлучение имело бы частоту вращения, и мы никогда бы его не услышали на Земле. Но дело в том, что данный волчок имеет колоссальную массу и высокую температуру поверхности, а вращающееся магнитное поле создает огромное по напряженности электрическое поле, способное разгонять протоны и электроны почти до световых скоростей. Причем все эти заряженные частицы, носящиеся вокруг пульсара, зажаты в ловушке из его колоссального магнитного поля. И только в пределах небольшого телесного угла около магнитной оси они могут вырваться на волю (нейтронные звезды обладают самыми сильными магнитными полями во Вселенной, достигающими 10101014 гаусс. - 16 - Список использованных ссылок Нейтронные звезды: особенности, строение, тип, образование/- URL: https://kosmosgid.ru/(11.04.2021) Что такое пульсары и как они образовались? Описание, фото и видео - «Как и Почему»/-URL: https://kipmu.ru/(11.04.2021) Пульcapы и нeйтpoнныe звeзды/-URL: https://vkosmose.com/pulsaryi/(11.04.2021) - 17 -
