Номер 4, страница 200 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

4. Почему нейтронные звезды можно обнаружить только в рентгеновских лучах?

Утверждение, что нейтронные звезды можно обнаружить только в рентгеновских лучах, является не совсем точным. Их также успешно обнаруживают и в других диапазонах электромагнитного спектра, в первую очередь как радиопульсары. Однако рентгеновский диапазон действительно является одним из важнейших для их наблюдения, и вот почему.

1. Высокая температура поверхности

Нейтронные звезды — это сверхплотные остатки массивных звезд, взорвавшихся как сверхновые. В процессе своего образования они сжимаются до невероятных плотностей и, как следствие, имеют чрезвычайно высокую температуру. Сразу после образования температура может достигать триллионов кельвинов, но быстро остывает до примерно $10^6$ – $10^7$ К на поверхности.

Согласно закону смещения Вина, длина волны, на которую приходится максимум излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его температуре:

$ \lambda_{max} = \frac{b}{T} $

где $\text{b}$ — постоянная Вина ($ \approx 2.9 \times 10^{-3} \text{ м} \cdot \text{К} $), а $\text{T}$ — температура в кельвинах.

Для нейтронной звезды с температурой поверхности $T \approx 10^6$ К пик излучения будет приходиться на длину волны:

$ \lambda_{max} \approx \frac{2.9 \times 10^{-3}}{10^6} \approx 2.9 \times 10^{-9} \text{ м} = 2.9 \text{ нм} $

Эта длина волны соответствует мягкому рентгеновскому диапазону. В то же время, из-за своего крошечного размера (диаметр всего около 20-30 км), их светимость в видимом свете ничтожно мала, что делает их практически невидимыми для оптических телескопов.

2. Аккреция вещества в двойных системах

Многие нейтронные звезды находятся в двойных системах, где их компаньоном является другая звезда. Обладая колоссальной гравитацией, нейтронная звезда перетягивает на себя вещество (в основном водород и гелий) со своего соседа. Это вещество не падает на звезду напрямую, а образует вокруг нее вращающийся диск, называемый аккреционным диском.

Из-за сил вязкости и трения вещество в диске разогревается до миллионов кельвинов, прежде чем упасть на поверхность нейтронной звезды. При падении на поверхность кинетическая энергия вещества превращается в тепловую, что приводит к выделению огромного количества энергии в виде мощного рентгеновского излучения. Такие системы называются рентгеновскими двойными, и они являются одними из самых ярких источников рентгеновского излучения на небе.

3. Излучение магнитосферы

Молодые, быстро вращающиеся нейтронные звезды (пульсары) обладают экстремально сильными магнитными полями. Эти поля ускоряют заряженные частицы до околосветовых скоростей. Двигаясь вдоль силовых линий магнитного поля, эти частицы испускают синхротронное и кривизненное излучение в широком диапазоне длин волн, от радиоволн до гамма-лучей. В рентгеновском диапазоне могут светиться как полярные шапки нейтронной звезды, разогретые потоками частиц, так и вся ее магнитосфера.

Ответ: Нейтронные звезды являются мощными источниками рентгеновского излучения из-за своей чрезвычайно высокой температуры поверхности (миллионы кельвинов), что смещает пик их теплового излучения в рентгеновский диапазон. Кроме того, многие нейтронные звезды в двойных системах интенсивно излучают в рентгене за счет аккреции (падения) вещества от звезды-компаньона, которое разогревается до огромных температур. Из-за малого размера их светимость в видимом диапазоне крайне низка, что делает рентгеновские наблюдения ключевым методом их обнаружения и изучения.