Нейтронная звезда — что внутри, почему пульсар мигает и чем отличается магнетар

Как получается звезда размером с город

После коллапса ядра массивной звезды может остаться нейтронная звезда. Её типичный радиус — около 10–15 км, а масса сопоставима с одной-двумя массами Солнца. Для конкретных объектов эти величины измеряют отдельно. Небольшой радиус и огромная масса создают чрезвычайно сильную гравитацию. При коллапсе значительную часть высвободившейся энергии уносят космические нейтрино.

Привычные свойства вещества при таком сжатии меняются. Электроны захватываются протонами, образуются нейтроны, и доля нейтронов растёт. В равновесной звезде сохраняются также заряженные частицы. Средняя плотность составляет сотни миллионов миллиардов килограммов на кубический метр, а в центре она ещё выше. Поэтому рисунок внутреннего строения соединяет разные физические состояния вещества.

Кора, нейтроны и неизвестное ядро

У поверхности лежит тонкая атмосфера. Под ней находятся более плотные слои, а в коре тяжёлые атомные ядра образуют кристаллическую решётку среди электронов. С глубиной давление повышается. Во внутренней коре часть нейтронов уже находится за пределами отдельных ядер, и вещество постепенно приближается к состоянию сплошной ядерной среды.

В стандартном описании внешнего ядра преобладают нейтроны, с примесью протонов, электронов и мюонов. Многие модели предсказывают сверхтекучесть нейтронов и сверхпроводимость протонов. Эти состояния влияют на охлаждение и обмен вращательным движением между частями звезды. Их проверяют по наблюдаемым свойствам объекта, сопоставляя несколько физических моделей.

Самая глубокая область изучена хуже. Там могут появляться другие частицы или фазы вещества, в которых кварки перестают быть заключёнными внутри отдельных протонов и нейтронов. Набор возможных состояний зависит от поведения сильного взаимодействия при высокой плотности. Астрономы ищут ограничения на эти варианты через массу, размер, температуру и изменения вращения звёзд.

Что удерживает вещество от дальнейшего коллапса

Внутри звезды устанавливается баланс между гравитацией и давлением вещества. Существенную роль играют квантовые свойства частиц и ядерные взаимодействия. Физики описывают связь давления, плотности и других параметров уравнением состояния. По нему рассчитывают, какого радиуса и какой максимальной массы может достигать устойчивая нейтронная звезда. Разные предположения о веществе дают разные кривые зависимости массы от радиуса.

Отсюда интерес к массивным нейтронным звёздам. Если модель допускает устойчивость только до некоторой массы, а надёжное наблюдение обнаруживает более тяжёлый объект, модель требует пересмотра. Максимальную допустимую массу ещё уточняют. Она зависит от уравнения состояния и вращения. При накоплении вещества или слиянии устойчивость может нарушиться, после чего образуется чёрная дыра.

Почему пульсар мигает

Вращающаяся нейтронная звезда с магнитным полем способна ускорять заряженные частицы. В её магнитосфере формируется направленное излучение. Если магнитная ось наклонена относительно оси вращения, направление пучка меняется при каждом обороте. Наблюдатель получает импульс, когда пучок пересекает его луч зрения. Так возникает эффект вращающегося маяка.

Геометрия объясняет и выборку наблюдений. Лучи одних звёзд пересекают Землю, а других проходят мимо. Для рентгеновского излучения важны ещё горячие участки поверхности, которые при вращении оказываются под разными углами к наблюдателю. Радио-, рентгеновский и гамма-сигналы могут приходить от разных областей одного объекта и иметь различный рисунок импульсов.

Слово «пульсар» описывает наблюдающееся периодическое излучение. Для понимания объекта астрономы дополнительно выясняют его источник энергии, скорость вращения, наличие компаньона и характер магнитного поля. Особенно полезны миллисекундные пульсары. Многие из них — старые нейтронные звёзды, которые ранее получили вещество и угловой момент от соседней звезды и ускорили вращение.

Вращение, падающий газ и магнитное поле

У пульсара, питающегося вращением, запас энергии постепенно убывает. Излучение и поток частиц уносят энергию и угловой момент, и звезда в среднем замедляется. Измеряя период импульсов и его изменение, исследователи оценивают, как объект расходует этот запас. Иногда на фоне плавного торможения возникают скачки частоты, называемые глитчами. Они помогают исследовать связь внутренних слоёв.

В тесной двойной системе мощность может давать аккреция. Газ от компаньона попадает в поле тяготения нейтронной звезды, нагревается и направляется магнитным полем к поверхности. Горячие области создают яркое рентгеновское излучение. Поэтому обозначение «рентгеновский пульсар» сообщает диапазон наблюдений, а механизм питания следует проверять для конкретной системы.

У магнетара особенно важен запас магнитной энергии. Перестройка сильного поля и напряжения в коре связаны со вспышками рентгеновского и гамма-излучения. Некоторые магнетары дают также регулярные радиоимпульсы. Значит, пульсарное поведение и магнитная активность могут сочетаться. Связь магнетаров с быстрыми радиовсплесками исследуют отдельно, поскольку там нужно объяснить короткий импульс и его энергию.

Как измеряют звезду, которую не видно диском

Даже близкий пульсар слишком мал на небе, чтобы обычный снимок показал его поверхность с подробностями. В двойной системе массу можно оценить по движению звёзд и задержкам прихода радиоимпульсов. В частности, путь сигнала через гравитационное поле компаньона даёт дополнительную задержку. Несколько параметров орбиты вместе позволяют ограничить массы компонентов.

Для радиуса используют в том числе профиль рентгеновского импульса — зависимость яркости от фазы вращения. Гравитация искривляет траектории света, и наблюдателю доступна часть излучения с дальней стороны поверхности. Степень искривления зависит от соотношения массы и радиуса. Она меняет форму импульса, которую можно сравнить с вычисленной.

Прибор NICER на МКС регистрирует рентгеновские фотоны и время их прихода. Для анализа объединяют множество оборотов звезды, учитывают фон, форму горячих областей, свойства атмосферы и ориентацию объекта. Сочетание нескольких телескопов помогает отделить эти влияния друг от друга. Полученный радиус сопровождается диапазоном неопределённости и условиями выбранной модели.

Что добавили исследования 2026 года

30 октября Пьер Штаммлер и соавторы разместили препринт об анализе PSR J0437−4715. Они объединили данные NICER, XMM-Newton, NuSTAR и ультрафиолетовые наблюдения «Хаббла», используя также ограничения радиотайминга. Для предпочтительной модели получили массу 1,377 массы Солнца и экваториальный радиус 11,35 км. Приведённый 68-процентный вероятностный интервал радиуса составляет 10,96–11,75 км.

На 5 ноября работа представлена как препринт, направленный в журнал. Результат относится к этой звезде и принятой модели её излучения. Сравнение с измерениями других пульсаров сужает допустимые уравнения состояния. Чтобы установить состав ядра, требуется проверять, какие модели вещества согласуются со всей совокупностью данных.

Другой результат NASA представило 5 августа. По наблюдениям магнетара 1E 1547.0−5408 в марте–апреле 2025 года исследователи сопоставили поляризацию радио- и рентгеновского излучения. Высокую поляризацию удалось объяснить в модели с вакуумным двулучепреломлением — предсказанным квантовой электродинамикой влиянием сильного поля на распространение света. Это свидетельство в пользу эффекта, зависящее от описания источника и его геометрии.

Что ещё можно узнать по импульсам

Уравнение состояния должно одновременно объяснять массу и радиус разных звёзд, их устойчивость и охлаждение. Тепловое излучение даёт сведения о температуре поверхности, а наблюдения гравитационных волн от слияний добавляют ограничения на деформируемость самих звёзд. Каждый метод чувствителен к своим свойствам и имеет собственные неопределённости. Совместная проверка помогает выбирать между моделями внутреннего строения.

Любительский телескоп обычно покажет окружающую туманность значительно легче, чем сам компактный объект. Для исследования нейтронной звезды нужны измерения сигнала во времени и в разных диапазонах. Изображение отмечает, где находится источник, а последовательность импульсов позволяет восстановить его вращение. По изменениям этой последовательности астрономы постепенно уточняют и то, что происходит глубоко под поверхностью.