Нейтронные звезды и черные дыры

13 лекций о физике компактных объектов, отобранных астрофизиком Сергеем Поповым

19.09.2013
58 349
© ПостНаука/ Роман Мельников

Нейтронные звезды и черные дыры являются финальными стадиями эволюции массивных звезд. Эти компактные объекты не только обладают интереснейшими астрофизическими проявлениями, но и представляют огромный интерес для фундаментальной физики. Недаром за исследования нейтронных звезд было вручено уже две с половиной нобелевских премии (за открытие радиопульсаров, за обнаружение двойного пульсара и проверку ОТО, а также сюда можно отнести как минимум половину премии за развитие рентгеновской астрономии).

В курсе рассматриваются различные источники, связанные с нейтронными звездами и черными дырами, эволюция нейтронных звезд, а также перспективы исследований в этой области.

1

Жизнь звезды

Астрофизик Сергей Попов о расстоянии до звезд, образовании черных дыр и парадоксе Ольберса
Звезды рождаются, живут и умирают, и жизнь звезды — это в основном смена источников горения и энергии. Это термоядерная реакция. Начинается все с того, что водород превращается в гелий — то, что сейчас происходит в Солнце и в большинстве звезд, это самая длинная стадия. Она занимает 90% времени жизни звезды, поэтому если мы наугад выбираем какую-то звезду, то 9 из 10 будут пережигать водород в гелий в своих недрах.

2

Эволюция нейтронных звезд

Астрофизик Сергей Попов о рождении, излучении и разнообразии нейтронных звезд
Очень интересно исследовать нейтронные звезды, потому что они рождаются в занимательном бурном процессе взрыва сверхновой. Мы очень плохо знаем, как сверхновые взрываются. Мы видим их сотни в год, но детально посчитать модель взрыва очень тяжело. Там смешано очень много сложной физики, и по большей части сценарий пользуется упрощениями; до недавнего времени сверхновые вообще не взрывались в компьютере. Приходилось руками добавлять своеобразный поршень, который расталкивал вещество. Только недавно людям удалось продвинуться, они смогли учесть эффекты общей теории относительности более корректно. Это позволило взорвать звезду.

3

Радиопульсары

Астрофизик Антон Бирюков о физике нейтронных звезд, замедлении вращения и открытии гравитационных волн
Наблюдательное изучение нейтронных звезд началось с открытия радиопульсаров. В 1967 году в Маллардской обсерватории в Великобритании во время исследований мерцаний в атмосфере были открыты очень быстрые пульсирующие источники. То есть не было задачи искать какие-то новые источники, это было неожиданно, и те исследователи, которые их открыли, не сразу поняли, с чем они имеют дело. Характерный пример: когда были открыты эти источники, то руководитель исследований сначала не поверил, что это действительно объект космического происхождения, а не артефакт.

4

Магнитары

Астрофизик Сергей Попов о гамма-всплесках, сильных магнитных полях и рентгеновских пульсарах
Первые магнитары были связаны с источниками мягких повторяющихся гамма-всплесков или с аномальными рентгеновскими пульсарами. И казалось, что это два совершенно отдельных семейства, стоящих в стороне от других нейтронных звезд. Но чем больше мы наблюдаем, тем больше мы видим связи между разными нейтронными звездами. Фактически все источники мягких повторяющихся гамма-всплесков между всплесками выглядят как аномальные рентгеновские пульсары.

5

Недра нейтронных звезд

Астрофизик Сергей Попов об экстремальных состояниях вещества, составе нейтронных звезд и способах изучения недр
Астрономические объекты дают нам уникальный шанс исследовать вещество в экстремальных условиях, которые на Земле недоступны. Это всегда важно, потому что если мы строим некоторую большую теорию с совершенно понятным народно-хозяйственным выходом, например в электродинамике, мы хотим построить такую, которая работала бы во всех диапазонах. Если мы хотим изучать очень сильные токи или очень сильные магнитные поля, нам нужно проверять предсказания теории, и единственный объект, где это можно делать — нейтронные звезды.

6

Свойства двойных звезд

Астрофизик Сергей Попов о планетарных туманностях, белых гелиевых карликах и гравитационных волнах
При первом приближении, звезда – это очень простой объект. Самый главный параметр звезды – это ее масса. От массы зависит, сколько звезда будет жить, во что она превратится, какие превращения испытает по дороге, какой будет ее светимость на разных этапах ее эволюции. Если звезда одна, то в процессе своей жизни массу она может только терять. От звезды дует звездный ветер, иногда сильнее, иногда слабее, — и масса уменьшается. Но все потери массы уже предопределены тем, какой она была вначале.

7

Релятивистские двойные звезды

Астрофизик Сергей Попов об измерении массы звезды, черных дырах и ультрамощных источниках
Релятивистские двойные — это системы, где хотя бы один из объектов является очень компактным. Для описания таких систем нужна теория относительности, поэтому их называют релятивистскими. Обычно это объекты или с нейтронными звездами, или с черными дырами. Самое главное, для чего двойные системы понадобились астрономам, — это измерение масс. Если мы наблюдаем одиночную звезду, то точно измерить ее массу невозможно. Нам нужно, чтобы что-то вокруг нее крутилось. К счастью, есть двойные системы, где мы можем измерять массы звезд.

8

Гравитационные волны

Астрофизик Сергей Попов о черных дырах в ОТО, излучении Хокинга и происхождении гравитационных волн
Звезды чаще всего рождаются не поодиночке, а парами. Например, пусть возникла пара из двух массивных звезд. Затем обе поочередно взорвались как сверхновые и дали две черных дыры, и они крутятся друг вокруг друга. Представим, как два шарика катаются по нашей резиновой плоскости, от них обязательно побежит рябь. В случае пары черных дыр это очень хороший процесс для испускания гравитационных волн, потому что у нас сразу есть большие массы, заключенные в компактные области и двигающиеся с огромными скоростями.

9

Черные дыры

Физик Эмиль Ахмедов об изучении черных дыр, Карле Шварцшильде и гигантских черных дырах
Много вопросов, связанных с черными дырами, остается все еще открытыми. Среди них — как на микроскопическом уровне происходит рождение излучения Хокинга в поле черных дыр. Кроме того, несмотря на то, что все меньше и меньше людей сомневаются в существовании этого эффекта, он не подтвержден экспериментально. В связи с этим возникает вопрос о реальности его существования. Также пока нет ответа на то, как происходит отклик в эффекте Хокинга. То есть как происходит уменьшение массы черной дыры при рождении соответствующего излучения и что является его результатом? Что происходит на конечной стадии испарения, и если дыра не полностью испаряется, то что остается в результате?

10

Скорости компактных объектов

Астрофизик Сергей Попов об убегающих звездах, взрыве сверхновой и скоростях, которые позволяют улететь из Галактики
Мы можем измерять скорости компактных объектов. Возьмем, например, радиопульсар, наблюдаем его несколько лет, точно измеряем координаты. И видим, что он смещается на небе. Если мы знаем расстояние, то по этому смещению расстояния мы можем определить, с какой скоростью он летит. Так, в 90-е годы прошлого века оказалось, что типичные скорости нейтронных звезд – это где-то 300 км/с, то есть в среднем в десять раз больше, чем у звезд, из которых они родились.

11

Одиночные компактные объекты

Астрофизик Сергей Попов о разрушении двойных систем, обнаружении нейтронных звезд и гравитационном линзировании
Нейтронные звезды и черные дыры – это именно компактные объекты. С точки зрения гравитационного потенциала – это очень глубокая яма. Если вы кидаете объект на нейтронную звезду или черную дыру, то он достигает поверхности или горизонта с огромной, околосветовой скоростью, в случае черной дыры — скорее всего со скоростью света. Если у нас вещества течет много, то вещество будет взаимодействовать само с собой.

12

Великое объединение нейтронных звезд

Астрофизик Сергей Попов об открытии магнитаров, физике одиночных объектов и эволюции магнитного поля
Основной вопрос, который возникает: как устроены эволюционные связи между объектами разных типов? Есть ли какой-то единый путь? Например, объект может родиться как магнитар, потом проявить себя как остывающая нейтронная звезда, потом — как радиопульсар. Или возможны самые разные варианты, и какие параметры за это отвечают? Ведь если мы говорим об эволюции, то мы имеем в виду эволюцию параметров, каких-то свойств.

13

Компактные объекты и фундаментальная физика

Астрофизик Сергей Попов о сверхтекучей жидкости в нейтронных звездах, гипотезе о кварковом веществе и гравитационных волнах
Иногда нам не хватает мощностей и возможностей создать экстремальные параметры в лабораториях, поэтому мы обращаемся к природным процессам, чаще всего к астрофизическим. Академик Зельдович не зря называл Вселенную «ускорителем для бедных». Люди десятилетиями могут строить крупный ускоритель, научиться ускорять частицы до больших энергий, но из космоса каждый день прилетают частицы с энергией в миллиард раз больше.

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ
Узнал сам? Поделись с друзьями!
  • Лекция Эмиля Ахмедова каким образом считается лекцией Сергея Попова?

  • Саша Саночки

    а кто их разберет, этих астрофизиков, все на одно лицо)

  • Arnold3

    12 лекций, ОТОБРАННЫХ астрофизиком Сергеем Поповым

  • Благодарю. Молодцы, что всё-таки исправили.

  • Антон

    Уже ноябрь! Позвольте спросить, где недостающие лекции? 🙂

  • Вспоминается письмо в газету: «Если вы не перестанете печатать эту ерунду, то я перестану одалживать вашу газету у соседа».

    А вообще, от таких комментариев у меня, например, возникает желание бросить все это. Выслушивать от халявщиков всякую ерунду я очень не люблю.

  • Антон

    Простите, что задел Вас этим комментарием.
    Я Вам благодарен за проделанную работу. Просто очень интересная для меня тема и хотелось бы знать примерное время появления новых лекций.

  • Дмитрий

    Очень интеллигентно Сергей Борисович.

  • Дмитрий

    А за вашу просветительскую деятельность Вам большое спасибо. Делаете Вы это очень хорошо, понятно, и интересно.

  • Irina Barkova

    Сергей Борисович, спасибо за интересные лекции!

  • Visha Echo

    Лекция астрофизика Сергея Попова будет опубликована в июне 2014 года….а скоро сентябрь уже, между прочим.

  • Последнее видео из этого курса будет опубликовано в ближайшее время

    Опубликовано материалов
    03585
    Готовятся к публикации
    +28
    Самое читаемое за неделю
  • 1
    ПостНаука
    10 791
  • 2
    Гасан Гусейнов
    5 669
  • 3
    Марк Юсим
    2 849
  • 4
    Алексей Лебедев
    2 301
  • 5
    Алексей Муравьёв
    2 218
  • 6
    Михаил Соколов
    2 180
  • 7
    Андрей Цатурян
    1 994
  • Новое

  • 1 799
  • 1 163
  • 1 263
  • 2 180
  • 10 791
  • 1 994
  • 1 987
  • 5 669
  • 1 742