Neutronitähti: tiheä supernovajäänne — määritelmä ja faktat
Neutronitähti: tiheä supernovajäänne — opi pulsareista, magnetaarista, massasta, koosta, äärimmäisistä magneettikentistä sekä uskomattomista tiheys- ja lämpötilafaktoista.
Neutronitähti on hyvin pieni ja tiheä tähti, joka koostuu lähes kokonaan neutroneista. Ne ovat pieniä tähtiä, joiden säde on noin 11-11,5 kilometriä, mutta todellinen koko vaihtelee ja tyypilliset säteet ovat yleensä luokkaa noin 10–14 kilometriä riippuen tähden massasta ja sisäisestä tilasta. Niiden massa on useimmiten noin yhden ja kahden Auringon massan välillä; havaintoja on myös lähellä kahden Auringon massaa olevista neutronitähdistä, ja teoreettinen maksimi (Tolman–Oppenheimer–Volkoff-raja) on tutkijoille edelleen aktiivinen tutkimuskysymys. Ne ovat maailmankaikkeuden pienimmät ja tiheimmät tunnetut tähdet. Ne ovat jäänteitä valtavasta tähdestä, joka räjähti supernovana, jolloin ulommat kerrokset heitettiin avaruuteen ja ydin romahti.
Tähden tiheys on verrattavissa atomin ytimen tiheyteen: keskitiheydet ovat luokkaa 1017–1018 kg/m³, eli yhtä suuret massat pakkautuvat äärimmäisen pienelle tilalle. Niillä on voimakkaat magneettikentät, jotka ovat noin 10^8–10^15 kertaa voimakkaampia kuin Maan magneettikenttä. Painovoimakenttä neutronitähden pinnalla on erittäin voimakas; typillisesti se on luokkaa 2×1011 kertaa voimakkaampi kuin Maassa, joten esimerkiksi esineen pudottamisen seuraukset olisivat äärimmäiset.
Jos haluat kuvitella, kuinka tiheä neutronitähti on, ota koko aurinkomme massa (jonka halkaisija on 1 392 000 kilometriä) ja paina se niin pieneksi, että se mahtuisi halkaisijaltaan 19 kilometrin palloon. Toinen tapa ymmärtää tiheys on tämä: yksi teelusikallinen neutronitähden ainetta painaisi noin 6 miljardia tonnia.
Neutronitähdet pyörivät hyvin nopeasti, usein millisekunneista kymmeniin sekunteihin (esimerkiksi 0,001 sekunnista jopa ~30 sekuntiin). Erityisen nopeasti pyörivät pulsarit (millisekuntipulsarit) voivat tehdä satoja kierroksia sekunnissa. Niitä on erilaisia tyyppejä: ne voivat lähettää sähkömagneettista säteilyä pulsareina, jolloin säteily näkyy meihin toistuvina pulssijaksoina. Muita tyyppejä ovat magnetaarit — neutronitähdet, joilla on poikkeuksellisen voimakkaat magneettikentät — ja kaksoispulsarit, joissa kaksi neutronitähtä kiertää toisiaan ja jotka voivat tuottaa tärkeitä havaintoja gravitaatioaalloista ja tähtien välisestä vuorovaikutuksesta.
Niiden lämpötila on havaittavissa vaiheissa hyvin korkea heti syntymän jälkeen; nuorten neutronitähden pinnan lämpötila voi olla yli 600 000 kelviniä. Neutronitähdet, joita voidaan havaita, ovat usein hyvin kuumia, ja niiden pintalämpötila on tyypillisesti noin 600 000 K. Ajan kuluessa neutronitähdet jäähtyvät ja säteilyn ominaisuudet muuttuvat.
Neutronitähden sisäosa on monimutkainen: pinnan lähellä on kiteinen kuori koostuen neutronirikkaista ytimistä ja elektroneista, syvemmällä ainetta voi esiintyä supernestemäisenä neutroni- ja protonifaasina (neutronisuperfluidi ja protonisuprjohtavuus) ja vielä syvemmällä saattaa olla eksoottisia olomuotoja, kuten kvarkkiaineesta koostuvaa tilaa. Nämä olosuhteet tekevät neutronitähdistä luonnonlaboratorion tutkimaan tiheän aineen fysiikkaa ja ydinvoimien käyttäytymistä äärirajoilla.
Havaintomenetelmät kattavat radio-, optisen, röntgen- ja gamma-alueet sekä gravitaatioaallot: esimerkiksi neutronitähtien törmäyksistä syntyneet gravitaatioaallot ja niiden sähkömagneettinen jälkeenhehku (kuten tapahtuma GW170817) ovat antaneet uutta tietoa aineen tilasta, raskaiden alkuaineiden synteesistä (kilonova-prosessit) ja maailmankaikkeuden laajenemisen mittauksista.
Keskeiset faktat tiivistettynä:
- Koko: säde tyypillisesti ~10–14 km (mainitussa tekstissä säde on noin 11–11,5 km).
- Massa: yleensä 1–2 kertaa Auringon massa; maksimiarvo tutkittavana (TOV-raja).
- Tiheys: keskitiheydet ~1017–1018 kg/m³; yhden teelusikallisen massa miljardeissa tonneissa.
- Magneettikenttä: yleensä ~108–1015 kertaa Maan kenttää voimakkaampi.
- Pyöriminen: millisekunneista kymmeniin sekunteihin; pulsarit näkyvät toistuvina säteilypulssina.
- Havainto: radio-, röntgen-, gamma- ja optisilla havaintoilla sekä gravitaatioaaltodetektioilla.
Neutronitähdet ovat siksi keskeisiä kohteita nykyisessä astrofysiikassa: niiden tutkimus auttaa ymmärtämään ydin- ja hiukkasfysiikkaa äärirajoilla, raskasalkuaineiden syntyä, gravitaatioaaltojen lähteitä sekä tähtien loppuvaiheita. Ne tarjoavat myös mahdollisuuden testata yleisen suhteellisuusteorian ennusteita voimakkaan gravitaation olosuhteissa.
Nopeasti pyörivän neutronitähden, pulsarin PSR B1509-58, säteily saa läheisen kaasun hehkumaan röntgensäteissä (kultainen, Chandrasta) ja valaisee loput tähtisumusta, tässä infrapunassa (sininen ja punainen, WISEsta).
Malli, joka näyttää, miltä neutronitähti näyttäisi sisältäpäin.
Historia
Vuonna 1934 Walter Baade ja Fritz Zwicky ehdottivat neutronitähtien olemassaoloa, vain vuosi sen jälkeen, kun James Chadwick oli löytänyt neutronin.
Supernovan alkuperää etsiessään he ehdottivat, että supernovaräjähdyksissä tavalliset tähdet muuttuvat tähdiksi, jotka koostuvat erittäin tiiviisti pakkautuneista neutroneista, joita he kutsuivat neutronitähdiksi. Baade ja Zwicky ehdottivat, että neutronitähtien painovoiman sidosenergian vapautuminen antaa voiman supernovalle: "Supernovan prosessissa massa irtotavarana tuhoutuu".
Neutronitähtien luultiin olevan liian heikkoja havaittaviksi. Niitä tutkittiin vain vähän, kunnes marraskuussa 1967 Franco Pacini (1939-2012) huomautti, että jos neutronitähdet pyörivät ja niillä on suuret magneettikentät, niistä lähtee sähkömagneettisia aaltoja. Radiotähtitieteilijä Antony Hewish ja hänen tutkimusavustajansa Jocelyn Bell Cambridgessa havaitsivat pian radiopulsseja tähdistä, jotka tunnetaan nykyään pulsareina.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on neutronitähti?
A: Neutronitähti on hyvin pieni ja tiheä tähti, joka koostuu lähes kokonaan neutroneista. Sen säde on noin 11-11,5 kilometriä ja massa noin kaksi kertaa suurempi kuin Auringon massa.
K: Kuinka tiheä neutronitähti on?
V: Tähden tiheys on kuin atomin ytimen tiheys, ja sen painovoimakenttä on pinnalla 2x1011 kertaa voimakkaampi kuin maapallolla. Asiaa suhteutettaessa voidaan todeta, että aurinkomme koko massa voitaisiin työntää halkaisijaltaan 19 kilometrin kokoiseksi palloksi. Yksi teelusikallinen neutronitähden ainetta painaisi 6 miljardia tonnia.
Kysymys: Kuinka nopeasti neutronitähdet pyörivät?
V: Neutronitähdet pyörivät hyvin nopeasti, 0,001 sekunnista jopa 30 sekuntiin pyörimiseen.
K: Minkä tyyppisiä tähtiä on olemassa?
V: On olemassa erilaisia tyyppejä, kuten pulsareita, magnetareita ja kaksoispulsareita, jotka säteilevät sähkömagneettista säteilyä tai joilla on voimakkaat magneettikentät, jotka ovat 108-1015 kertaa voimakkaampia kuin Maan magneettikentät.
K: Millainen lämpötila niillä tyypillisesti on?
V: Neutronitähdet, joita voidaan havaita, ovat hyvin kuumia, ja niiden pintalämpötila on tyypillisesti noin 600000 K (600000 kelviniä).
Etsiä