Нейтронные звезды и физика

Нейтронные звезды для
фундаментальной физики
Сергей Попов
(ГАИШ МГУ)
Почему астрономия?
• Лаборатория размером 1028 см
• Экстремальная гравитация (черные дыры)
• Высокие плотности и магнитные поля (нейтронные звезды)
• Энергии частиц, недостижимые на ускорителях (космические лучи)
• Экзотические частицы и поля (темная материя, темная энергия)
Поэтому, хотя зачастую данные
астрономии не столь «прямые»,
как данные лабораторных
экспериментов, приходится
с этим мириться, ибо многие
параметры пока недостижимы
на земных установках.
Множество разных подходов
• Космические лучи
• Внутреннее строение нейтронных звезд
• Кварковое вещество
• Магнитары
• Космология. Темная энергия
• Темное вещество
• Многомерие. Теория тяготения
• Модели ранней вселенной
• Проверки ОТО. Черные дыры
• Нарушение лоренц-инвариантности
• Нейтрино
• Гравитационные волны
Альтернативные теории гравитации
Постоянно продолжаются работы
по разработке более фундаментальных
теорий гравитации, чем ОТО.
Однако важно оставаться в контакте
с экспериментом и наблюдениями.
В солнечной системе возможны тесты
только в пределе «слабого поля».
Сильные поля существуют в
непосредственной окрестности
нейтронных звезд и черных дыр.
Пока все ОТО проходит все проверки.
Один из наиболее точных тестов связан
с наблюдением двойных радиопульсаров.
кривизна
Тесты теорий гравитации
Потенциал
Необходимы проверки в разных режимах.
Наиболее сильные тесты связаны с
наблюдением поведения материи
вблизи нейтронных звезд и черных дыр.
Диски вокруг черных дыр:
взгляд со стороны
Температура диска
Диск при наблюдении издалека
Слева: не вращающаяся ЧД
Справа: вращающаяся ЧД
http://web.pd.astro.it/calvani/
Линия в аккреционном диске
Флуоресцентные линии
Линия железа Кα
по данным ASCA (1994 г.).
Сейфертовская гал-ка MCG-6-30-15
Пунктир – модель с
не вращающейся ЧД.
Наклон диска 30 градусов.
Линии и вращение черных дыр
Данные XMM-Newton
Тот факт, что линия
«залезает» в красную
сторону ниже 4 кэВ,
говорит о том, что
ЧД быстро вращается
(диск подходит ближе
шести радиусов
Шварцшильда).
Линии железа от дисков
Измерения внутреннего радиуса диска дают верхнюю оценку радиуса НЗ
Ser X-1
<15.9+/-1 км
4U 1820-30 <13.8+2.9-1.4 км
GX 349+2 <16.5+/-0.8 км
(все оценки для массы НЗ 1.4 солнечной)
Данные Suzaku
Гравитационные волны
Предсказаны Общей теорией относительности.
Возникают при слиянии нейтронных звезд и
черных дыр.
А также при вращении нейтронных звезд и
при эволюции тесных двойных звезд.
(подробнее см. «Вокруг света» N2 2007)
www.vokrugsveta.ru
Детекторы гравитационных волн
Первый детектор
Вебера
Эксперимент LIGO
Нейтронные звезды –
экстремальные источники
• Сверхсильные магнитные поля (больше швингеровского)
• Сильная гравитация (радиус порядка 3-4 шварцшильдовских)
• Сверхплотное вещество (в центре плотность в несколько раз выше ядерной)
Магнитары




dE/dt > dErot/dt
По определению:
расходуется энергия магнитного поля НЗ
P-Pdot
Прямые измерения магн. поля (циклотронные линии)
Магнитные поля 1014–1015 Гс
Исторические заметки



05 Марта 1979. Эксперимент Конус.
Венера-11,12 (Мазец и др. Vedrenne и др.)
Событие в БМО. SGR 0520-66.
Флюэнс: около 10-3 эрг/см2
Мазец и др. 1979
Гигантская вспышка источника
МПГ


27 декабря 2004
гигантская вспышка
SGR 1806-20 была
зарегистрирована
множеством спутников:
Swift, RHESSI, KonusWind, Coronas-F,
Integral, HEND, …
В 100 раз ярче, чем все
предыдущие!
Palmer et al.
astro-ph/0503030
C
O
R
O
N
A
S
F
Integral
RHESSI
27 Дек 2004
Гигантская вспышка SGR 1806-20








Импульс 0.2 сек
Флюэнс 1 эрг/см2
E(имп)=3.5 1046 эрг
L(имп)=1.8 1047 эрг/с
Длинный «хвост» (400 с)
P=7.65 с
E(хвост) 1.6 1044 эрг
Расстояние 15 кпк
Осцилляции в «хвосте»
«Дрожание»
поверхности
нейтронной
звезды?
Колебания в
магнитосфере?
Пульсарное излучение
Механизм пульсарного излучения
до конца не ясен.
Интересны процессы в сильном поле.
Процессы в сильном поле
В сильном магнитном поле могут
эффективно идти процессы, которые
в слабых полях маловероятны или невозможны.
«Сильное» поле – это более ~4 1013 Гс.
Фотон может распадаться на два.
Кроме того, даже фотоны с низкой энергией
могут порождать электрон-позитронные пары.
Фазовая диаграмма
Разные участки фазовой
диаграммы можно исследовать
с помощью ускорителей,
с помощью расчетов на
суперкомпьютерах, и с помощью
наблюдений компактных объектов.
Все эти виды исследования
не дублируют, а дополняют
друг друга.
Ускорители
Спутники
Нейтронные звезды
Радиус 10 км
Масса 1-2 солнечной
Плотность порядка ядерной
Сильные магнитные поля
Сверхтекучесть в
нейтронных звездах
В коре и ядре нейтронной звезды
могут существовать сверхтекучие
нейтроны.
В ядре также могут быть
сверхтекучие протоны, что
приводит к сверхпроводимости.
Сверхтекучесть влияет на:
• тепловые свойства нейтронных звезд (остывание, излучение нейтрино)
• динамические свойства нейтронных звезд (вращение, глитчи)
• свойства магнитного поля (магнитные трубки)
Вихри в сверхтекущей жидкости
В сверхтекучей жидкости возникают две фазы.
Одна из них не испытывает трения.
Вращение сверхтекучей жидкости также «двухфазно».
Жидкость разбивается на невращающуюся фазу и
квантованные вихри.
Быстрее вращение – больше вихрей.
Глитчи
Вращение сверхтекущей жидкости в коре
не жестко привязано к вращению самой коры.
Когда разница в частоте достигает критического
значения, то вся система вихрей резко перестраивается.
Происходит глитч – сбой периода.
Кора резко ускоряется.
К проводящей
части коры
приложен
тормозящий
момент
Глитчи радиопульсаров
Мы всегда «видим»
проводящую часть коры.
Перестройка системы
вихрей в коре приводит
к видимому ускорению
вращения «видимой» коры.
Глитчи наблюдаются и в
рентгеновском диапазоне.
Например, у магнитаров.
Магнитные трубки
Из-за сверхвпроводимости магнитное поле оказывается разбитым на трубки.
Протонные трубки должны
взаимодействовать с
нейтронными вихрями.
Вращение звезды связано с
нейтронными вихрями.
В итоге, эволюция вращения приводит к
эволюции магнитного поля,
т.к. изменение структуры
нейтронных вихрей ведет к
изменению структуры
магнитного поля.
Эволюция вращения и поля
Движение нейтронных вихрей
тянет за собой магнитные трубки.
Изменение конфигурации поля
В процессе
замедления или
ускорения вращения
может сильно
измениться
конфигурация
магнитного поля.
Нейтронные звезды
«с разных точек зрения»
• Обычные нейтронные
звезды
• Пионный конденсат
• Каонный конденсат
• Странные звезды
• Гиперонные звезды
• Гибридные звезды
Как же устроено
вещество при очень
высокой плотности и
«низкой» температуре?
Столкновения ядер атомов золота
Может быть все-таки можно что-то выяснить в лаборатории?
Экспериментальные результаты,
их сравнение с теорией и НЗ
Вещество нейтронных звезд не похоже на вещество сталкивающихся ядер.
Асимметрия (нейтронов намного больше, чем протонов)
1 Mev/fm3 = 1.6 1032 Pa
Астрофизические измерения
 Масса
В двойных, особенно с радиопульсарами.
В будущем – и по линзированию.
 Радиус
У одиночных остывающих НЗ,
у барстеров в двойных, у двойных с QPO.
 Красное
смещение (M/R)
 Температура
По наблюдениям спектральных линий
 Момент инерции
 Гравитационная
и барионная массы
 Предельное вращ.
Одиночные остывающие НЗ и
некоторые двойные (прогрев коры)
По радиопульсарам (в будущем)
В системах из двух нейтронных звезд,
если будут хорошие данные по звездам.
Миллисекундные пульсары
R=2GM/c2
P=ρ
R~3GM/c2
R∞=R(1-2GM/Rc2)-1/2
ω=ωK
Массы нейтронных звезд и белых
карликов
Максимальная
масса НЗ
Бурые калики,
Планеты
M ~ (1.5  2.5) M Sun
R ~ 9  12 km
Максимальная
масса БК
c
Минимальная
масса НЗ
M ~ 0.1 M Sun
R ~ 250 km
Масса PSR J0737-3039
Наиболее точные значения.
Это очень тесная система,
где наблюдается два радиопульсара.
Двойной пульсар J0737-3039
Мы видим систему почти с ребра.
Вращение и состав
(экватор)
(полярное направление)
Состав, разумеется, разный в разных моделях.
Остывание нейтронных звезд
Нейтринное
охлаждение
Фотонное
охлаждение
Основные нейтринные процессы
Остывание одиночных
нейтронных звезд
Теоретические модели
можно сравнивать с
данными наблюдений
одиночных нейтронных звезд:
• источников в
остатках сверхновых
• радиопульсаров
• Великолепной семерки
• и тд.
Нейтронные звезды в двойных.
Aql X-1
Глубокий прогрев коры и остывание
γ
γ
γ
Остывание происходит
на масштабе 1-100 лет
(установление баланса
между корой и ядром).
γ
γ
ν
Аккреция приводит к глубокому прогреву коры за счет
неравновесных ядерных реакций.
После прекращения аккреции
• тепло переносится внутрь и излучается нейтрино
• тепло медленно переносится наружу и
излучается фотонами.
Достижение
исходного
состояния
происходит
за ~103-104 лет
ρ~1012-1013 г/см3
Сравнение теории остывания
транзиентов с наблюдениями
Странное вещество и страпельки
Кварковое вещество – «самодостаточно».
Для его устойчивости не нужна гравитация.
Т.е., могут существовать как странные звезды,
Так и маленькие комочки, капельки.
Страпельки могут встречаться
в космических лучах.
Это будут частицы с
большой массой, но с зарядом
относительно небольшим.
Странная кварковая эпидемия
Если в недрах компактных объектов
есть кварковое вещество, то после
слияний оно будет выбрасываться.
Далее, страпельки могут попадать
в другие нейтронные звезды,
превращая их в кварковые…
Слияние нейтронных звезд
Заключение
Есть много примеров того,
что астрономические наблюдения
оказываются незаменимым методом
проверки и изучения физических законов.
• Теории гравитации
• Вещество в экстремальных условиях
• Очень высокие энергии
• Очень редкие процессы
• Большие масштабы
Пока прогресс во многих областях
возможен только с использованием
данных о наблюдениях небесных объектов.
Особое место тут занимают
нейтронные звезды.
Что почитать
1. Астрономия и физика. «Русский Репортер» 2008
http://www.expert.ru/printissues/russian_reporter/2008/42/nebestnye_kollaydery/
2. Космические лучи сверхвысоких энергий. «Вокруг света» 2007
http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3869/
3. Поиск гравитационных волн. Вокруг света 2007
http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3003/
4. Космология. Вокруг света 2006
http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/2557/
5. Темная материя. Вокруг света
http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/cosmos/621/
6. Нейтронные звезды. Элементы.ру
http://elementy.ru/lib/430655
7. Магнитары. Элементы.ру
http://elementy.ru/lib/25574