0+
Суперобъекты: Звезды размером с город
Покупка
Тематика:
Звездная астрономия
Издательство:
Альпина нон-фикшн
Автор:
Попов Сергей
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 238
Возрастное ограничение: 0+
Дополнительно
Вид издания:
Научно-популярная литература
Уровень образования:
Дополнительное образование
ISBN: 978-5-91671-490-6
Артикул: 645172.03.99
Книга посвящена нейтронным звездам — единственным астрономическим объектам, исследования которых отмечены уже двумя Нобелевскими премиями по физике, и еще две — на подходе. Это
говорит о том, что именно они среди всего многообразия небесных тел представляют наибольший интерес для современной физики. Вы узнаете о том, как астрономы наблюдают нейтронные звезды,
и какими удивительными объектами они могут быть, а кроме того, у вас будет возможность познакомится с необычными физическими явлениями, связанными с этими суперобъектами.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- ВО - Магистратура
- 03.04.02: Физика
- ВО - Специалитет
- 03.05.01: Астрономия
- 03.05.02: Фундаментальная и прикладная физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Москва 2016
ISBN 978-5-91671-131-8 («Библиотека ПостНауки») ISBN 978-5-91671-490-6 Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, а также запись в память ЭВМ, для частного или публичного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. © Попов С., 2016 © НП «Редакционно-издательский дом «ПостНаука», 2016 © ООО «Альпина нон-фикшн», 2016 УДК 524.354.6 ББК 22.66 П58 Главный редактор серии И. Максутов Научный редактор К. Постнов Редактор Р. Пискотина Попов С. П58 Суперобъекты: Звезды размером с город / Сергей Попов ; — М. : Альпина нон-фикшн, 2016. — 238 с. : ил. — (Серия «Библиотека ПостНауки»). ISBN 978-5-91671-490-6 Книга посвящена нейтронным звездам — единственным астрономическим объектам, исследования которых отмечены уже двумя Нобелевскими премиями по физике, и еще две — на подходе. Это говорит о том, что именно они среди всего многообразия небесных тел представляют наибольший интерес для современной физики. Вы узнаете о том, как астрономы наблюдают нейтронные звезды, и какими удивительными объектами они могут быть, а кроме того, у вас будет возможность познакомится с необычными физическими явлениями, связанными с этими суперобъектами. УДК 524.354.6 ББК 22.66
Содержание Предисловие .............................................................................................. 7 Благодарности ......................................................................................... 11 I. Жизнь звезды ................................................................................ 13 Звездный свет .................................................................................. 15 Рождение и смерть звезд .............................................................. 17 Звезды и элементы ......................................................................... 21 Будущее звездной Вселенной ...................................................... 28 II. Многообразие нейтронных звезд .......................................... 31 Все хорошо в меру .......................................................................... 33 Предсказание и открытие нейтронных звезд ........................... 35 Радиопульсары и рентгеновские пульсары — старый зоопарк .............................................................................................. 38 Магнитары, Великолепная семерка и все-все-все — новый зоопарк нейтронных звезд ............................................... 41 Источники энергии нейтронных звезд ....................................... 44 Отпечатки «пальцев» сверхновых на нейтронных звездах .....48 III. Эволюция нейтронных звезд ................................................... 51 Вращение .......................................................................................... 53 Изменение магнитного поля ......................................................... 57 Тепловая эволюция ......................................................................... 62
Суперобъекты IV. Недра нейтронных звезд ........................................................... 67 Экстремальное состояние вещества ........................................... 69 Из чего сделаны нейтронные звезды ........................................ 70 Вращение и состав ......................................................................... 73 Измерение температуры как способ изучения недр ............................................................. 75 Глитчи ................................................................................................. 78 Вопросы о массе и масса вопросов ............................................ 81 Как сейчас отвечают на главный вопрос?................................. 83 V. Свойства двойных звезд............................................................ 89 Главный параметр ........................................................................... 91 Про тройняшек ................................................................................. 92 Эволюция двойных ......................................................................... 94 Новые и сверхновые....................................................................... 96 Посмертные красоты двойных систем ..................................... 100 Размеры двойных .......................................................................... 101 Гиперскоростные звезды ............................................................. 106 Планеты двойных звезд ............................................................... 109 VI. Релятивистские двойные звезды ........................................ 111 Массивные двойные ..................................................................... 113 Измерение масс и радиусов в двойных системах ................. 117 Двойные с черными дырами ...................................................... 121 Ультрамощные рентгеновские источники ............................... 123 Вращение звезд и магнитары .................................................... 127 Двойные радиопульсары ............................................................. 129 VII. Гравитационные волны ............................................................ 137 Теория гравитации и геометрия ................................................ 139 Волны пространства-времени .................................................... 145 Слияния нейтронных звезд ......................................................... 148 Как ловят гравитационные волны ............................................. 150
Содержание 5 VIII. Скорости компактных объектов ............................................ 155 Стремительные звезды ................................................................ 157 Взаимодействие и разгон ............................................................ 158 Измерения скоростей пульсаров ............................................... 160 Взрыв сверхновой и скорость .................................................... 163 Гравитационная ракета ................................................................ 166 IX. Одиночные компактные объекты ........................................ 169 Миллиард нейтронных звезд ...................................................... 171 Аккреция на одиночные компактные объекты ....................... 172 Гравитационное линзирование .................................................. 177 X. Магнитары ..................................................................................... 183 Изобретение магнитаров ............................................................. 185 Открытие магнитаров ................................................................... 187 Аномальные рентгеновские пульсары ..................................... 190 Сильные поля ................................................................................. 192 Картина запутывается .................................................................. 195 XI. Великое объединение нейтронных звезд ........................ 199 Про зайчиков и белочек .............................................................. 201 Такие разные нейтронные звезды ............................................ 203 Связующий элемент ...................................................................... 205 Секретные поля ............................................................................. 209 XII. Компактные объекты и фундаментальная физика ....... 213 Астрофизические лаборатории для бедных ............................ 215 Неземная гравитация ................................................................... 220 Сверхтекучие звезды .................................................................... 222 Сверхплотное вещество ............................................................... 225 Неземная электродинамика ........................................................ 226 Атмосферы нейтронных звезд .................................................... 228 Нейтрино из ада ............................................................................ 229 Грядущие открытия ....................................................................... 230 Послесловие ........................................................................................... 235
Посвящается моей семье
Предисловие Рано или поздно наша цивилизация погибнет в результате катаклизма. Грядущие поколения заново пройдут путь развития, который у нас уже за плечами. Но новый цикл жизни на Земле не будет простым повторением. Наши далекие потомки будут находить артефакты наших времен, но не смогут полностью понять их смысл. На основе интерпретаций наших знаний будет возникать новая мифология. Будут мифы и о самых совершенных небесных объектах. Такой миф может выглядеть так: «Когда Творец Вселенной — Летающий Макаронный Монстр — создавал весь мир, то, сделав небо и Землю и населив Землю первыми существами, он захотел создать настоящий шедевр и поместить его в небо, которое было еще пустым и темным. Тогда он взял комок первовещества и начал его сжимать. Чем больше он мял его — тем больше он ему нравился. Он мял и мял его, делая все плотнее и плотнее. Но вдруг комок в его руках сжался очень сильно. Вещество исчезло, и получилась дыра. И стал Летающий Макаронный Монстр печален. Подумав, он взял другой комок. Смял его не очень сильно и бросил в небо. Появилось Солнце. Оно ярко светило и вначале радовало Творца. Он сделал много таких шариков, раскидав их вокруг — появились звезды. Но потом Летающий Макаронный Монстр опять стал печален. Светящиеся шарики недолго радовали его. Тогда он взял одну из звезд и начал ее мять и уминать. Но, помня о своем первом опыте, он был очень аккуратным. Творец лепил и лепил, мял и мял. Однако все время следил, чтобы шарик
Суперобъекты не превратился в дыру. Наконец Летающий Макаронный Монстр остановился. То, что получилось, очень понравилось ему. Это был настоящий шедевр, достойный того, чтобы украсить Вселенную. Так появились нейтронные звезды». Действительно, я полагаю, что нейтронные звезды — это самые интересные макроскопические объекты неживой природы. Мы сейчас описываем мир, пользуясь тремя фундаментальными теориями: Специальной теорией относительности, Общей теорией относительности и квантовой механикой. Есть известный рисунок — cGh-карта или «куб теорий», придуманный очень талантливым физиком Матвеем Бронштейном1. На нем есть три координатные оси, одна из которых соответствует росту важности квантовых эффектов, другая — приближению к скорости света, а третья — увеличению гравитационного поля. Начало координат соответствует классической механике. Двигаясь вдоль оси, соответствующей увеличению скорости, мы попадем в область, где надо использовать Специальную теорию относительности. Если мы теперь начнем добавлять гравитацию, то окажемся там, где необходима Общая теория относительности. В том случае, если мы выйдем из начала координат вдоль оси, обозначенной значком постоянной Планка, то станут важны квантовые эффекты. Теперь, если добавить гравитацию, то это приведет нас в Terra Incognita квантовой гравитации. Наконец, переместившись в самую дальнюю от начала координат вершину куба, — столкнемся с процессами, требующими для своего описания так называемой «Теории всего», которая объединит все известные взаимодействия. Если представить на этом рисунке место нейтронных звезд, то среди всех непосредственно наблюдаемых макроскопических объектов они окажутся самыми удаленными от начала координат. Для адекватного описания нейтронных звезд необходимы все три фундаментальные теории. Конечно, недра черных дыр должны быть еще экзотичнее, но их мы не можем наблюдать. Поэтому среди 1 К сожалению, Бронштейн не дожил до открытия нейтронных звезд. Он стал жертвой сталинских репрессий, его расстреляли в 1938 году. Ему было чуть больше 30 лет. Примерно через 30 лет были открыты радиопульсары. — Здесь и далее примечания автора.
Предисловие 9 астрономических объектов, которые мы можем изучать, наиболее любопытная комбинация сложных физических процессов встречается у нейтронных звезд. Они и будут основными героями нашей книги. Разумеется, не забудем мы и про их «младших братьев» — белых карликов и про «старших сестер» — черные дыры. Ньютоновская гравитация Классическая механика Квантовая механика Нерелятивистская квантовая гравитация Квантовая теория поля 1/с G ħ Общая теория относительности Теория всего Специальная теория относительности Куб теорий, придуманный Матвеем Бронштейном. Чем дальше мы отходим от начала координат, двигаясь сразу по трем координатам, — тем более разнообразной становится физика. Как астрофизика меня в первую очередь интересует то, что уже наблюдается или что можно наблюдать. Но за всеми этими данными стоит физика — наше понимание того, как устроена природа. По мере сил я попробую рассказать, что скрывается за скупыми словами «астрономы увидели», поэтому книга не везде будет легким чтением. Путь к звездам, а к нейтронным особенно, лежит через тернии. Тем не менее никаких специальных знаний, выходящих за рамки школьного курса или обычной эрудиции современного человека, читателю не потребуется. Для тех, у кого возникнет желание углубить и расширить свои знания о нейтронных звездах и связанных с ними феноменах, по ходу изложения будут приводиться ссылки на другие книги или интернет-ресурсы. Также о некоторых онлайн-ресурсах и книгах будет сказано в послесловии.