Supergęsta materia i gwiazdy neutronowe

Gwiazda neutronowa: rzędywielkości• Masa:~1.5 masySłońca• Promień:~10 km• Zwartość:R g /R~0.3

Gwiazda neutronowa: rzędywielkości• Grawitacja na powierzchni ~100 miliardów razy większa odziemskiej• Średnia gęstość ~100 milionów ton na cm 3• Ciśnienie centralne ~10 30 atmosfer• Rotacja do 700 obrotów na sekundę, tzn.prędkość na równiku ~ 0.1cGigantyczne “jądro atomowe”składające się zok. 10 57 nukleonów?

Materia ziemskaAtomy – rozmiar atomu 10 -10 m = 1mm/10mln• Jądro atomowe – rozmiar ok. 1 fm (10 -15 m)• Elektrony – „daleko” od jądra

Własności materii jądrowejSiły elektromagnetyczne – odpychanie się protonówSiły jądrowe:• przyciągające dla większychodległości• odpychające dla mniejszych• energia symetrii – neutron zprotonem bardziej sięprzyciągają niż neutronz neutronem

Stabilność jąder• Jądra stabilne mają zbliżone liczby neutronów i protonów• Zachwianie tej równowagi prowadzi do rozpadu jąderGwiazdy neutronowe →

Supergęsta materia jądrowaSkład materii – duża liczba neutronów (liczba protonów równoważona liczbąelektronów) Zakaz Puliego – dwa fermiony nie mogą znajdować się w tymsamym stanie energetycznymKażdy dodatkowy fermion powoduje zwiększenie energiirównowaga to minimum energiiKorzystne zachodzenie reakcji:p + e n + ν neutronizacja materii

Wewnątrzgwiazdyneutronowejpowyżej gęstościjądrowej: skład materiijest wciąż zagadką!(cząstki dziwne,swobodne kwarki,egzotyczne stany np.kondensaty bozonów...)

Wnętrze gwiazdy neutronowej

Skąd się biorą?Zapadnięcie się masywnej gwiazdy (M>8 mas Słońca), w wynikuniestabilności jej żelazno-niklowego jądra: wybuch supernowejPozostałość po supernowej Cas AFala uderzeniowa wokół pulsara PSR J0437-4715

Odkrycie PSR B1919+21,okres 1.337 sJocelyn Bell: przypadkowo, podczasposzukiwania kwazarów w 1967 r.(w 1974 r. Anthony Hewish dostajenagrodę Nobla)Jocelyn Bell, w tle teleskopw CambridgeRegularne pulsypoczątkowobrano za sygnałsatelityszpiegowskiegoa nawetpozaziemskiejcywilizacji :-)(B1919+21 =LGM1)Joy Division “Unknown pleasures”

Co odpowiada za pulsacje?Początkowo proponowano różne teorie:układ podwójny, drgania powierzchni gwiazdy...Rotacja zwartej gwiazdyz silnym polem magnetycznym:model “latarni morskiej” świecącej w praktyczniekażdej długości fali

Radiowe obserwacje pulsacjiPSR B1937+21:uśredniony profil pulsupierwszego milisekundowegopulsara (641Hz)PSR B1937+21PSR B0329+54(0.714 sek.)

Pola magnetyczne w przyrodziePole magnetyczne Ziemi 0.6 GMagnes żelazny 100 GStabilne pola magnetyczne w laboratoriach4 x 10 5 GNajsilniejsze pola magnetyczne w laboratoriach 10 7 GNajsilniejsze pola magnetyczne w normalnych gwiazdach 10 6 GPola pulsarów milisekundowych 10 8 – 10 9 GTypowe pola radiopulsarów 10 12 GMagnetary 10 14 – 10 15 G(1 G = 10 ­4 T)Atom wodoru w polu B:a) B

Populacja pulsarówMgławica Kraba (M1)

Pulsary: rozkład na niebie(czerwone kropki: pulsary milisekundowe, kółka:w układach podwójnych)

Cykl życiowypulsarów

Pierwszy pozaziemskiukład planetarnyPulsar odkryty przez A. Wolszczanaw 1990 r. w gwiazdozbiorze Panny:•okres obrotu 6.22 ms,•odległość ~980 lat świetlnych,•3 planety!A 0.025 M ⊕BC4.3±0.2 M ⊕3.9±0.2 M ⊕

Pulsary milisekundoweGwiazdy w sile wieku (>10 7 lat),o słabym polu magnetycznym (~10 8 G)Bardzo regularne pulsy:(dP/dt)/P ~ 10 -17 s -1“Rozkręcanie” poprzez akrecje materiiw układzie podwójnym“Zapalanie” materii: emisja twardegopromieniowania)

MagnetaryGwiazdy neutronowe o bardzo silnych polachmagnetycznych: 10 14 – 10 15 G•Obserwacje astrofizyczne dwu typu obiektów:•Anomalous X-ray Pulsars (AXP, AnomalnePulsary Rentgenowskie np. XTE J1810-197)•Soft Gamma-Repeaters (SGR, Powtarzalneźródła miękkich promieni gamma)← odl. 20 000lat świetlnych

Testy Ogólnej Teorii WzględnościRelatywistyczneukłady podwójne gwiazdneutronowychPierwszy tego typuobiekt (PSR 1913+16)odkryty przez R. A. Hulse'ai J. H. Taylora w 1974r.(nagroda Nobla w 1993r.)Okres orbitalny: 7.75godziny!(tutaj: zmiana momentu przejściaprzez periastron w ciągu 30 lat)

Testy Ogólnej Teorii WzględnościMasy: 1.337 oraz 1.25 masSłońcaOkres orbitalny: 2.4 godziny!Efekty OTW:Zbliżają się do siebie o7mm/dzień!Ruch periastronu: 17 o /rok !!!(dla porównania, ruchperyhelium Merkurego:43 '' /100 lat)Czas życia układu:85 mln latUkład PSR J0737-3039, w którym obie gwiazdysą widoczne jako pulsary o okresach 23ms i 2.8s

Testy Ogólnej Teorii WzględnościPośredni dowód na istnieniefal grawitacyjnych:•Poczerwienienie grawitacyjne,•Zmiana okresu orbitalnego,•ruch periastronu,•Efekt Shapiro

W skrócie: Gwiazdyneutronowe stanowią nietylko bardzo różnorodnąi ciekawą grupę obiektów,ale są również jedynymiw swoim rodzajulaboratoriami kosmicznymido badania grawitacji,testowania fizyki jądrowejoraz cząstek elementarnychDziękuję za uwagę