Номер 7, страница 50, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Строение и эволюция вселенной. Глава VIII. Звёзды и галактики. Параграф 29. Звёзды - номер 7, страница 50.

Условие.

7. Расскажите, что представляют собой и как появляются нейтронные звёзды.

Решение.

Что представляют собой нейтронные звёзды

Нейтронные звёзды — это космические объекты, являющиеся одним из возможных финальных этапов эволюции массивных звёзд. Они обладают рядом уникальных и экстремальных характеристик.

Сверхвысокая плотность: Вещество в нейтронной звезде сжато до плотности, сравнимой с плотностью атомного ядра, и составляет около $10^{17}$ кг/м³. Это означает, что всего одна чайная ложка такого вещества весила бы на Земле несколько миллиардов тонн.

Состав: Звезда почти полностью состоит из нейтронов. Они образуются в процессе, называемом нейтронизацией, когда под действием колоссального гравитационного давления электроны сливаются с протонами, образуя нейтроны и нейтрино по реакции: $p^+ + e^- \rightarrow n + \nu_e$.

Малые размеры и большая масса: При массе, превышающей массу нашего Солнца (обычно в диапазоне 1.4–2.5 солнечных масс, $M_\odot$), нейтронная звезда имеет очень маленький радиус — всего около 10–20 км. Для сравнения, это сопоставимо с размером большого города.

Мощнейшая гравитация: Из-за огромной массы, сосредоточенной в малом объёме, гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды в сотни миллиардов раз сильнее, чем на Земле. Свет, покидающий такую звезду, заметно искривляется.

Быстрое вращение и сильное магнитное поле: В процессе сжатия родительской звезды, в соответствии с законом сохранения углового момента, скорость вращения остатка резко возрастает. Нейтронные звёзды могут совершать сотни оборотов в секунду. Их магнитные поля в триллионы раз превосходят магнитное поле Земли. Такие быстро вращающиеся объекты, испускающие направленные пучки электромагнитного излучения, наблюдаются как пульсары.

Давление вырожденного нейтронного газа: Нейтронная звезда не коллапсирует дальше в чёрную дыру благодаря давлению вырожденного нейтронного газа. Это квантово-механический эффект, который не позволяет нейтронам находиться слишком близко друг к другу.

Ответ: Нейтронная звезда — это сверхплотный компактный остаток массивной звезды, состоящий в основном из нейтронов. Она характеризуется относительно небольшой массой (1.4–2.5 $M_\odot$), малым радиусом (10-20 км), колоссальной плотностью, чрезвычайно сильными гравитационным и магнитным полями, а также очень высокой скоростью вращения.

Как появляются нейтронные звёзды

Образование нейтронной звезды — это драматический процесс, связанный с завершением жизненного пути массивной звезды.

Конец жизни массивной звезды: Звезда, чья начальная масса составляет от 8 до 25 масс Солнца, в конце своей жизни исчерпывает запасы топлива для термоядерных реакций. В её ядре накапливаются тяжёлые элементы, вплоть до железа. Синтез элементов тяжелее железа уже не выделяет, а поглощает энергию.

Гравитационный коллапс: Когда термоядерные реакции в ядре прекращаются, внутреннее давление газа больше не может уравновешивать силу гравитации. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься под действием собственного веса — происходит гравитационный коллапс.

Нейтронизация вещества: Во время коллапса плотность и температура в ядре достигают экстремальных значений. Это приводит к тому, что электроны "вдавливаются" в протоны, образуя нейтроны. Ядро превращается в огромный шар, состоящий из нейтронов.

Взрыв сверхновой: Коллапс ядра резко останавливается, когда оно сжимается до ядерной плотности, и возникает мощная ударная волна. Эта волна, усиленная колоссальным потоком нейтрино, движется от центра наружу и сбрасывает внешние оболочки звезды в межзвёздное пространство. Это явление наблюдается как вспышка сверхновой II типа.

Рождение нейтронной звезды: На месте взрыва остаётся горячее и сверхплотное ядро бывшей звезды — новорождённая нейтронная звезда. Если масса этого остатка превышает так называемый предел Оппенгеймера — Волкова (около 2–3 $M_\odot$), то коллапс продолжится, и образуется чёрная дыра.

Ответ: Нейтронные звёзды рождаются в результате взрыва сверхновых, которыми заканчивается эволюция звёзд с массой более 8 масс Солнца. Когда в такой звезде выгорает ядерное топливо, её ядро коллапсирует под действием гравитации, превращаясь в сверхплотный объект, состоящий преимущественно из нейтронов, а её внешние слои сбрасываются в космос.