Gwiazda neutronowa – czym dokładnie jest? Czy każda gwiazda neutronowa to pulsar?

Gwiazda neutronowa to bardzo interesujące ciało niebieskie – wyobraźcie sobie obiekt wielkości miasta o masie większej niż nasze Słońce. Jak powstają i co charakteryzuje te obiekty?

Obiekty w komsosie potrafią przyprawiać o zawrót głowy – jednym z nich jest gwiazda neutronowa i jej przedziwne właściwości. Czym jednak dokładnie jest? Czy każda gwiazda neutronowa to pulsar? Jak powstają? Z tego artykułu dowiesz się wszystkiego, co chciałeś wiedzieć o gwiazdach tego rodzaju.

Co to jest gwiazda neutronowa?

Nie będzie przesadą stwierdzić, że gwiazdy neutronowe są jednymi z najbardziej interesujących obiektów w kosmosie. Powstają one w toku naturalnej ewolucji masywnych gwiazd (większych niż Słońce). Typowa gwiazda neutronowa ma 1,4 masy Słońca, jednak może sięgać nawet do dwóch mas naszej gwiazdy.  Pamiętajmy jednak, że są to obiekty niezwykle małe – znacznie mniejsze od naszej planety!

Słońce, gwiazda lżejsza od gwiazdy neutronowej, ma średnicę 100 razy większą niż Ziemia. Cięższa od niej gwiazda neutronowa ma średnicę od 20 do 40 kilometrów. Oznacza to, że jej materia jest niezwykle mocno ściśnięta i gęsta. Z powodzeniem więc możemy jej rozmiary porównać do rozmiaru ziemskiego miasta. Pobierając łyżeczkę materii z gwiazdy neutronowej, ważyłaby ona więcej niż masa Mount Everest, najwyższej góry naszej planety.

Pobranie takiej łyżeczki byłoby jednak niemożliwe z wielu względów. Jednym z nich jest ogromne przyciąganie grawitacyjne tych obiektów. W przypadku typowej gwiazdy neutronowej, jej grawitacja jest 200 miliardów razy mocniejsza niż ziemska. Jest ona na tyle silna, że umożliwia zajście tzw. procesoru soczewkowania grawitacyjnego, będącego pomocnym w detekcji czarnych dziur. Rzecz jasna, choć przyciąganie jest mocne, nie jest ono na takim samym poziomie, jak w przypadku czarnych dziur.

Gwiazdy neutronowe to również obiekty, które cechuje bardzo szybka rotacja. Pęd nadany w procesie powstawania tego obiektu może sprawić, że wybrane gwiazdy neutronowe osiągają nawet obrót na poziomie 43 tysięcy razy na minutę. Nie jest to jednak stałe, ponieważ z czasem potrafią wytracać swój pęd, zwalniając swoje obroty. Wciąż jednak wiele pozostaje do odkrycia o tych obiektach – ich gwałtowna natura nie została do końca jeszcze poznana.

Jak powstaje gwiazda neutronowa?

Czy gwiazdy neutronowe rodzą się jak zwyczajne gwiazdy? Takie stwierdzenie nie będzie prawdą, ponieważ ich występowanie w kosmosie jest związane z samą ewolucją gwiazd – to etap w ich życiu. Jak zatem dokładnie powstają te obiekty? Gwiazda, która ma od 10 do 20 mas naszego Słońca, może zmienić się w gwiazdę neutronową. W momencie, gdy wyczerpie ona całe dostępne paliwo, dochodzi do zapadnięcia się jądra gwiazdy. Obiekt ten pozbywa się zewnętrznych warstw w gwałtownej eksplozji supernowej, jednak grawitacja cały czas naciska na najbardziej wewnętrzną część umierającej gwiazdy.

Jądro, które ma maksymalnie dwie masy naszego Słońca, jest jedyną pozostałością po masywnej gwieździe. Po pozbyciu się reszty warstw jest ono cały czas ściskane przez grawitację do momentu, gdy atomy są już maksymalnie upakowane. Efektem tego jest łączenie się elektronów z protonami, czego efektem jest powstanie neutronów – stąd nazwa tych obiektów. Neutrony doprowadzają wtedy do zatrzymania kolapsu grawitacyjnego, czego efektem są narodziny nowego obiektu: gwiazdy neutronowej.

Co wiemy o samych gwiazdach neutronowych?

Obecny stan wiedzy, choć wciąż ma wiele luk na temat tych obiektów, pozwala nam na określenie warunków, jakie mogą na nich panować. Przede wszystkim, z racji ogromnej gęstości, gwiazdy neutronowe mają ogromne pole magnetyczne oraz grawitacyjne. Wiedza na ten temat sprawia, że ich powierzchnia musi być ekstremalnie gładka. Ogromna grawitacja nie pozwala na formowanie się wszelkich wypukłości, choć badacze nie wykluczają, że gwiazdy neutronowe mogą mieć „góry”. Ich wysokość jest jednak liczona w zaledwie centymetrach.

Silne pole magnetyczne to kolejna z cech gwiazd neutronowych. Obiekty tego rodzaju, które cechuje niesamowicie silne pole magnetyczne, nazywane są magnetarami. Badacze nie do końca poznali jeszcze mechanizm, który odpowiada za powstawanie takiego pola – gwiazdy neutronowe są wciąż niedostatecznie poznane. 

Gwiazdy zazwyczaj kojarzą nam się z obiektami, które emitują energię – tak jak nasze Słońce. Nie jest to jednak aktualne w przypadku omawianego tu rodzaju gwiazd – w ich wnętrzu nie zachodzi reakcja termojądrowa, główne źródło emitowanej energii. Gwiazdy neutronowe są jednak niezwykle gorącymi obiektami – średnio, temperatura na ich powierzchni wynosi około 600 tysięcy stopni Celsjusza.

Z czasem jednak ten parametr słabnie, ponieważ gwiazda neutronowa nie jest w stanie podtrzymywać sama z siebie tak wysokiej temperatury. Jądro ochładza się wraz z kolejnymi milionami lat, ostatecznie stając się zimnym obiektem, pozostałością po masywnej i jasnej gwieździe. Szacuje się, że w samej Drodze Mlecznej jest 100 milionów gwiazd neutronowych, jednak spora ich część może być niezwykle stara. Za stara, by wykrywać je konwencjonalnymi metodami.

Warto również wspomnieć o samej roli tych obiektów w kosmosie. Ostatnie badania dowodzą, że gwiazdy neutronowe te są źródłem powstawania ciężkich pierwiastków. Spójrz na złoty element w swoim domu – pochodzi on z kolizji dwóch gwiazd neutronowych. Zderzenia obiektów tego typu są najprawdopodobniej głównym źródłem złota, uranu, talu oraz innych ciężkich pierwiastków. Specyficzne warunki, które panują podczas tych zdarzeń, są potrzebne do produkcji tego rodzaju pierwiastków – badacze przypuszczają, że nawet eksplozje supernowych są niewystarczające do produkcji najcięższych znanych pierwiastków.

Czym pulsar różni się od gwiazdy neutronowej?

W przypadku gwiazd neutronowych często pojawia się pojęcie pulsara. Wiele osób wychodzi z założenia, że pulsar i gwiazda neutronowa to jedno i to samo. To jednak nieprawda – pulsary są typami gwiazd neutronowych. Oznacza to, że każdy pulsar jest gwiazdą neutronową, ale nie każda gwiazda neutronowa jest pulsarem. Co zatem jest niezbędne, aby dany obiekt zidentyfikować jako pulsar?

Krótko mówiąc: wysoka liczba pełnych obrotów wykonywanych w ciągu jednej sekundy. Pulsary są gwiazdami neutronowymi, które obracają się tak szybko, że prowadzi to do wytworzenia się pola elektrycznego. Przyspiesza ono ruch protonów i elektronów w okolicach osi gwiazdy, co skutkuje ich wystrzeleniem z biegunów w postaci dwóch wiązek promieniowania elektromagnetycznego. Emisja dwóch wiązek może być z powodzeniem wykryta z Ziemi, pod warunkiem, że sama wiązka jest skierowan w naszym kierunku. Pulsar nie wysyła jednak wiązek nieprzerwanie – z naszej perspektywy wygląda to jakby wiązka była włączana i wyłączana. Lepszym porównaniem będzie tu światło latarni morskiej – w pewnym momencie świeci ono w naszym kierunku, jednak po chwili znika, gdyż wykonuje obrót, po czym ponownie możemy je zaobserwować.

Stąd też wzięła się nazwa pulsara – odbierane w ten sposób wiązki „pulsują”, nie dochodząc do nas stale. Obiekty tego rodzaju są więc swoistymi latarniami morskimi – tyle że w kosmosie.

Sprawdź też: Największa czarna dziura – co o niej wiemy? Czy TON 618 wciąż jest największą?

Podsumowując, pulsary wyróżniają się na tle innych gwiazd neutronowych tym, że emitują wiązki promieniowania elektromedycznego. Dzieje się to z obu biegunów gwiazdy i może być wykryte za pomocą aparatury z Ziemi. I choć właściwie każda gwiazda neutronowa emituje tego rodzaju wiązkę, tylko te najpotężniejsze są klasyfikowane jako pulsary.

Magnetar – kolejny typ gwiazdy neutronowej

Kolejnym rodzaje gwiazdy neutronowej są magnetary, które cechuje niezwykle silne pole magnetyczne. Każda gwiazda neutronowa ma pole magnetyczne, które w porównaniu do ziemskiego, jest miliardy razy silniejsze. Magnetary jednak cechuje jeszcze silniejsze pole magnetyczne, które może być nawet 1000 razy silniejsze niż te ze zwykłej gwiazdy neutronowej.

Magnetary są również znane z uwalniania ogromnych ilości energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. SGR 1806-20, magnetar oddalony od nas 50 tysięcy lat świetlnych, uwolnił  w ciągu dziesiątej części sekundy więcej energii niż Słońce emituje w ciągu 100 000 lat. Promieniowanie elektromagnetyczne i w zakresie fal gamma, jakie dotarło do naszej planety, było jednym z największych zaobserwowanych w historii astronomii. Bliższa lokalizacja tego magnetara w stosunku do Ziemi, miałaby realny wpływ na życie na naszej planecie.

Czy gwiazdy neutronowe są nieudanymi czarnymi dziurami?

Wiemy już, że gwiazdy neutronowe powstają wraz ze śmiercią gwiazdy. Możesz jednak też kojarzyć fakt, że gwiazda, zapadając się pod siłą grawitacji, staje się czarną dziurą. Rodzić to może pytanie dotyczące tego, czy gwiazdy neutronowe nie są przypadkiem nieudanym efektem przeobrażenia w czarną dziurę? Nie jest to prawdą, ponieważ wszystko rozchodzi się o masę samej gwiazdy, która umierając, daje początek gwieździe neutronowej lub czarnej dziurze.

Sprawdź też: Jaka jest najjaśniejsza gwiazda? Najjaśniejsze gwiazdy widoczne na nocnym niebie i we wszechświecie

Czarna dziura o masie gwiazdowej powstaje ze znacznie masywniejszych obiektów – do jej narodzin potrzebna jest gwiazda o masie 20 mas Słońca. Do powstania gwiazdy neutronowej potrzeba obiektu powyżej limitu granicy Chandrasekhara (1,44 masy Słońca) i poniżej 3 mas Słońca. W prostych słowach: masywne gwiazdy są źródłem powstawania czarnych dziur, natomiast te mniejsze przeobrażają się w gwiazdy neutronowe. Klasyfikowanie gwiazd neutronowych jako „nieudanych czarnych dziur” jest zatem mylące, ponieważ są to dwa zupełnie różne obiekty. O ich powstaniu decyduje więc specyfika samej gwiazdy, z której się one „rodzą”.

Dlaczego gwiazdy neutronowe obracają się tak szybko?

Jedna z najszybciej obracających się gwiazd neutronowych osiąga 25% prędkości światła. Tak zawrotna prędkość musi się jednak skądś brać – jak zatem obiekty te rotują tak szybko? Ma to związek z masą całego obracającego się jądra, która została skompresowana do rozmiarów 20-40 km średnicy. Sprawia to, że większość masy zostaje ulokowana bliżej osi obrotu obiektu, co pozwala obracać się szybciej. Dobrym porównaniem wydaje się tu być łyżwiarz figurowy – ściągając swoje ręce wzdłuż ciała, może się on obracać szybciej, niż zrobiłby to samo, mając je wyciągnięte wzdłuż.

Najbliższa Ziemi gwiazda neutronowa

Obiektem tego rodzaju, który znajduje się najbliżej naszej planety jest RX J1856.5−3754. Znajduje się ona około 400 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Korony Południowej. Początkowo zakładano, że znajduje się ona jeszcze bliżej nas (około 150-200 lat świetlnych), jednak obserwacje z wykorzystaniem Teleskopu Chandra udowodniły, że jest zlokalizowana „trochę“ dalej. Po dziś jednak dzień stanowi najbliższą nam gwiazdę neutronową.

Gwiazdy neutronowe to bardzo interesujące obiekty, które mają swoją rolę we Wszechświecie. Mamy nadzieję, że nasz artykuł przybliżył Wam naturę tych ciał niebieskich.