Нейтронные звёзды представляют собой чрезвычайно плотные компактные объекты, образующиеся в результате гравитационного коллапса массивных звёзд после вспышки сверхновой. Их масса типично находится в диапазоне от 1.2 до 2.3 солнечных масс, при радиусе всего около 10–13 км. Это означает, что средняя плотность нейтронной звезды превышает ядерную плотность вещества, достигая порядка 1014 − 1015 г/см3.
Внутреннее строение нейтронной звезды можно условно разделить на несколько областей:
Гравитация на поверхности нейтронной звезды чрезвычайно высока: ускорение свободного падения может достигать 1011 м/с2, а гравитационный радиус близок к радиусу самой звезды, что делает релятивистские эффекты крайне значимыми.
Одной из ключевых задач теоретической астрофизики является определение уравнения состояния (EOS) вещества при экстремальных давлениях и плотностях, характерных для нейтронных звёзд. EOS описывает зависимость давления от плотности и температуры, и от него зависят масса, радиус и стабильность нейтронной звезды. В настоящее время не существует единого принятого уравнения состояния; известны жесткие и мягкие модели, приводящие к различным предсказаниям по массе и радиусу.
Измерения радиусов и масс нейтронных звёзд (например, при помощи наблюдений пульсаров в двойных системах и анализа рентгеновского излучения аккрецирующих систем) позволяют ограничивать допустимые формы уравнения состояния.
Нейтронные звёзды обладают сильнейшими известными магнитными полями во Вселенной. Типичное поле пульсара может составлять 1012 Гс, а у магнетаров — достигать значений порядка 1014 − 1015 Гс. Эти поля могут влиять не только на внешнее поведение звезды, но и на состояние вещества в её недрах, включая квантование уровней Ландау для электронов и возможные фазовые переходы.
Сильное магнитное поле также определяет характер излучения: поляризация, направленность и спектральные особенности жёсткого рентгеновского и гамма-излучения могут нести отпечаток внутренней структуры звезды и её магнитной топологии.
Нейтронные звёзды обладают крайне быстрым вращением вследствие закона сохранения момента импульса при коллапсе. Некоторые из них вращаются с периодами менее одной миллисекунды (миллисекундные пульсары). За счёт электромагнитного торможения, вызванного излучением вращающегося магнитного диполя, скорость вращения со временем уменьшается, что наблюдается в виде увеличения периода пульсаций.
Интересной особенностью являются глитчи — внезапные ускорения вращения, связанные с перераспределением углового момента между сверхтекучим внутренним ядром и твердой корой.
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звёзды с мощным магнитным полем, излучающие в радиодиапазоне узконаправленные пучки электромагнитного излучения. Вращение приводит к тому, что пучок регулярно «сметает» наблюдателя на Земле, создавая эффект периодических вспышек. Эти импульсы обладают чрезвычайно высокой стабильностью и точностью, сравнимой с атомными часами.
Пульсары можно классифицировать по источникам энергии:
Важной частью пульсарной физики является описание магнитосферы — области, заполненной плазмой, соосной с магнитным полем пульсара. Внутри светового цилиндра (радиуса R = c/Ω) вращение магнитного поля увлекает за собой плазму, формируя структуру с открытыми и закрытыми силовыми линиями. Излучение возникает вблизи магнитных полюсов за счёт радиационных механизмов:
Модель «полого конуса» объясняет форму и ширину импульсов: по мере роста широты наблюдателя, меняется путь пересечения пучка и, соответственно, форма профиля сигнала.
Некоторые пульсары обнаруживаются в составе двойных систем, особенно интересны системы с белыми карликами или другими нейтронными звёздами. Эти объекты позволяют измерять массу пульсара с высокой точностью (через эффекты Шапиро, доплеровское смещение и др.). Например, система PSR J0737–3039 — двойной пульсар, где оба компонента являются нейтронными звёздами. Такие системы служат лабораториями для проверки Общей теории относительности в сильных гравитационных полях.
Кроме того, аккрецирующие пульсары в рентгеновских двойных системах демонстрируют сложное поведение: пульсации могут исчезать и появляться в зависимости от режимов аккреции, а спиновая эволюция определяется балансом между аккреционным ускорением и торможением.
Нейтронные звёзды являются важнейшими источниками излучения во всех диапазонах — от радио до гамма. Они играют ключевую роль в таких явлениях, как:
Слияние двух нейтронных звёзд, зафиксированное как GW170817, подтвердило не только существование гравитационных волн, но и предложило механизм образования тяжёлых элементов (через r-процесс).
Нейтронные звёзды не существуют вечно. В зависимости от массы и уравнения состояния, возможны несколько сценариев:
Таким образом, нейтронные звёзды и пульсары представляют собой не только уникальные объекты, исследование которых расширяет границы знаний о материи при экстремальных условиях, но и важнейшие инструменты космологии, физики частиц, гравитации и ядерной физики.