"Свет" нейтронных звёзд

[zverolovlev]

Просматривал соседнюю тему про планетные системы нейтронных звёзд. В связи с этим возникло два вопроса:

1. Сколько энергии в среднем излучает нейтронная звезда и от чего зависит количество излучаемой энергии (я так полагаю, от массы, скорости вращения и наличия вещества в окрестностях НЗ)

2. Что из себя представляет спектр излучения НЗ ? Он у всех НЗ примерно одинаков или у них тоже есть какие-нибудь "спектральные классы"?

[Ясь]

Находящаяся в пустом пространстве нейтронная звезда почти ничего излучать не будет, так как ее площадь поверхности чрезвычайно мала. Причем максимум этого излучения (тепловой природы) находится в дальней УФ и рентгеновской области, потому что температура поверхности достигает миллионов градусов. Но нейтронная звезда находится не в пустоте, к тому же обладает магнитным полем. Поэтому на нее обрушивается газ, ускоренный гравитационным полем до релятивистских скоростей, при этом разогреваясь и светясь --  также в рентгеновском диапазоне. А магнитное поле вдобавок приводит к синхроторнному излучению заряженных частиц. Это излучение лежит в радиодиапазоне. Так что мы имеем звезду, практически не наблюдаемую в видимой области спектра и являющуюся самым ярким объектом на радио- и рентгеновском небе.

[zverolovlev]

Качественно всё вроде понятно. Хотелось бы больше конкретики (с цифрами).

[AstroNick]

1. Сколько энергии в среднем излучает нейтронная звезда и от чего зависит количество излучаемой энергии (я так полагаю, от массы, скорости вращения и наличия вещества в окрестностях НЗ)
2. Что из себя представляет спектр излучения НЗ ? Он у всех НЗ примерно одинаков или у них тоже есть какие-нибудь "спектральные классы"?

Тут лучше отдельно рассматривать два случая:

1. Одиночная нейтронная звезда.
Количество излучаемой энергии зависит только от температуры её поверхности и площади этой самой поверхности (а размеры НЗ в основном определяются массой). Температура может быть самой разной - ядерные реакции не идут, и со временем такая звезда просто остывает, и максимум изучения постепенно смещается из рентгена и УФ в оптику и ИК (помните "железную звезду" из к/ф "Туманность Андромеды"?), а соответственно и спектр должен быть чернотельный. Конечно, межзвёздное пространство не пустое, но средняя плотность газа там настолько мала, что существенного эффекта от его падения на крошечную нейтронную звезду заметно не будет. Разве что НЗ окажется в плотном газово-пылевом облаке... Резюме: по излучению такую НЗ обнаружить чрезвычайно сложно, и то только если она окажется совсем рядом. Только по гравитации.

2. Нейтронная звезда в двойной системе - в паре с обычной звездой. Тут выделим два варианта:
а). НЗ может  перехватывать звёздный ветер звезды-компаньона (а он может быть немалым у звёзд-гигантов, и особенно - у звёзд Вольфа-Райе);
б). Звезда-компаньон в процессе эволюции расширилась и заполнила свою полость Роша, и тогда через внутреннюю точку Лагранжа на НЗ просто перетекает струя вещества, но не напрямую, а закручиваясь в аккреционный диск (из-за наличия вращательного момента - звёзды ведь обращаются вокруг общего центра масс). Вещество в диске движется по спирали, теряя вращательный момент из-за трения разных слоёв (чем ближе к НЗ - тем выше кеплеровская скорость вращения), и благодаря этому же трению сильно разогреватся (скорости релятивистские, а плотность диска возрастает, поскольку вещества столько же, а радиусы орбит сокращаются). И вот этот диск светит в рентгене - чем ближе к НЗ, тем излучение ярче и жёстче (т.е. более коротковолновое), каждое кольцо даёт чернотельный спектр со своей температурой, а в сумме спектр всех этих отдельных колец имеет степенной вид.

Независимо от наличия аккреционного диска:
у НЗ есть поверхность, и вещество, ударяясь с релятивистской скоростью об эту поверхность, также выделяет огромную энергию, часть которой опять-таки выходит в виде рентгеновского излучения. А если у НЗ есть сильное магнитное поле, то   вещество уже падает не как попало, а на магнитные полюса (поскольку падает плазма, т.е заряженные, а не нейтральные частицы), и на поверхности НЗ образуется "горячее пятно", которое при удачном расположении наблюдателя может то появляться, то исчезать с периодом вращения НЗ - в этом случае наблюдатель увидит рентгеновский пульсар.

В общем, светит и диск (если он есть), и сама НЗ, и, кроме того, жёсткий рентген может частично перехватываться веществом диска и перерабатываться, давая на выходе более мягкое излучение (энергия затрачивается на дополнительный подогрев диска). И в результате на выходе имеем массу вариантов, которые определяются сочетанием разных типов дисков, разных звёзд-компаньонов, разных орбитальных параметров двойных систем (соотношение масс, размеры и эксцентриситеты орбит) и разных положений наблюдателя относительно плоскости орбит этих систем.

Кстати, такая двойная система светит и в оптике - и сами по себе диск с НЗ, и звезду-компаньон они могут "подсвечивать", вызывая появление причудливых спектров и кривых блеска. Как раз один из надёжных критериев отождествления рентгеновской двойной системы в оптике - это совпадение периодов переменности в рентгене и оптике.

[Markab]

1. Сколько энергии в среднем излучает нейтронная звезда и от чего зависит количество излучаемой энергии (я так полагаю, от массы, скорости вращения и наличия вещества в окрестностях НЗ)

1. Полную энергию излучения можно оценить по Sigma*T⁴ *4*Pi*R².
Тмпературу поверхности можно грубо оценить T=1 млн. градусов, а радиус порядка R=12 км. И сравните с энергией излучения Солнца!
Энергию синхротронного излучения можно оценить по замедлению вращения пульсара: 0.5*J(w₁²-w₂²)/dt = энергия излучения, где J - момент инерции, w₁ и w₂ - частоты вращения.

Для шара момент инерции равен: J = 0.4*m*R²

[AAV]

Качественно всё вроде понятно. Хотелось бы больше конкретики (с цифрами).

http://www.astronet.ru/db/msg/1201980
http://www.astronet.ru/db/msg/1189915

[zverolovlev]

Спасибо всем за подробные ответы!

2 Markab к сожалению, я не могу вспомнить что такое Sigma - позабыл всю физику
Но понятно, что даже если температура НЗ в 1000 раз выше температуры Солнца, то ее поверхность в миллиарды, а скорее даже в триллионы раз меньше...

[Markab]

2 Markab к сожалению, я не могу вспомнить что такое Sigma - позабыл всю физику

Постоянная Стефана-Больцмана: Sigma=5.67D-8 Дж/(м²* К⁴)

[polar]

У одиночной нейтронной звезды есть три вида энергии.

1. Вращательная.
Излучается по мере замедления. Процесс замедления связан с наличие магнитного пола.
Оценка энергетики проста E=1/2 I Omega (dot Omega), где
I- момент энерции
Omega Частота вращение
(dot Omega) Производная частоты по времени (темп замедления)


2. Магнитная.
Распад магнитного поля может приводит к выделению энергии (пример - магнитары)
Энергия поля в единице объема.
E=B^2/8 pi

3. Тепловая.
Нейтронные звезды рождаются горячими, и где-то в первые несколько миллионов лет температура еще довольно высока
(скажем, для возраста порядка миллиона лет, температура порядка миллиона градусов).
Формула была выше (с сигмой).



Примеры.

1. Радиопульсары
Светят не только в радио, но и в оптике, рентгене и гамма.
Выделяется энергия вращения.

2. Магнитары (источники повторяющихся гамма-всплесков, аномальные рентгеновские пульсары)
Излучают энергию магнитного поля.

3. "Великолепная семерка", компактные источники в остатках сверхновых
Видны, т.к. еще не остыли. Тепловое излучение регистрируется еще от нескольких звезд (и пульсаров, и нет)



В принципе есть еще всякие источники энергии, которая может быть переработана в тепловую. Но это, обычно, небольшая добавка.

[Encycler]

Т.е., достаточно подостывшая нейтронная звезда вполне может подойти для освещения землеподобных планет в режиме, близком к солнечному?

[hoarfrost]

Т.е., достаточно подостывшая нейтронная звезда вполне может подойти для освещения землеподобных планет в режиме, близком к солнечному?

Возможно, что есть одна проблема - когда НЗ горячая, то излучаемой мощности может хватить, но немалая её часть будет приходиться на коротковолновую часть спектра (например, рентгеновское излучение). А когда мощность рентгеновского излучения спадёт, то излучаемая мощность сама по себе может оказаться слишком маленькой. (Из-за малой поверхности, с которой и происходит излучение).

[Markab]

Т.е., достаточно подостывшая нейтронная звезда вполне может подойти для освещения землеподобных планет в режиме, близком к солнечному?

Молодая НЗ имеет температуру в несколько миллионов градусов. НЗ, находящаяся на стадии радиопульсара разогревается у полярных шапок до 10 миллионов градусов. На стадии акреции нейтронная звезда прогреется, как минимум, 200-300 тысяч градусов.
Таким образом, даже спустя продолжительное время, температура НЗ будет очень высока, поэтому максимум излучения будет приходится на рентгеновский диапазон спектра. По мимо этого, площадь поверхности НЗ меньше солнечной в 4 миллиарда раз(!), в то время, как температура НЗ выше солнечной в ~150 раз. Таким образом, тепловой поток НЗ меньше солнечного в ~8 раз.

[Encycler]

Кстати, если взять астероид диаметром порядка 1000 км, превратить в черную дыру и закрутить вокруг него на расстоянии 10-20 тыс. км. другой астероид такого же размера, неплохое солнышко получится. Температура ЧД будет 5000К примерно, и светить будет миллионы лет. Только по размеру будет со спичечную головку.

[diant]

Необычное видео: The X-ray Sky
Очень интересно смотреть живое рентгеновское небо.

[LV46]

поэтому максимум излучения будет приходится на рентгеновский диапазон спектра.

Из-за гравитационного красного смещения спектр уползает в ближний ИК и красный видимый. Позже поищу где об этом конкретно написано.

[Андрей Астрофизический]

уползает в ближний ИК и красный видимый

Он сползает "в направлении туда", это верно. Но чтобы прям из рентгена получился красный, это НЗ должна быть с массой очень близкой к пределу Оппенгеймера — Волкова, мне кажется. Для большинства реальных НЗ величина "уползания спектра" будет не настолько большой.

[Toth]

Я как то посчитал излучение абсолютно черного тела диаметром 30 км.
Взял типичные температуры нейтронных звезд . Не свежеиспеченных, у которых миллиарды К, а тех что хотя бы тысячи лет возрастом.
Общее - по Стефану-Больцману, в видимом диапазоне - по распределению Планка.

[Foma]

поэтому максимум излучения будет приходится на рентгеновский диапазон спектра.

Из-за гравитационного красного смещения спектр уползает в ближний ИК и красный видимый. Позже поищу где об этом конкретно написано.

Вероятно, это все-таки эффекты второго порядка. У известных нейтронных звезд основной поток излучения идет в жестком рентгене и гамма, в оптике хороших спектров мало, а в ИК - так и вовсе только у Краба какие-то данные есть. Но "уползания" что-то не видно.
Вот как выглядят спектры излучения некоторых нейтронных звезд во всем диапазоне длин волн (отсюда):



и крупнее для Краба:

[konstkir]

Спектр сползает мало Z<1

Так что из рентгена получается рентген.
 

[archetip-z]

Не забываем, друзья, что из Рентгена получаются и наши фотоны и тепловые. Так что, нейтронка светит и на вещество вокруг, а оно сияет от рентгена. Да и само то вещество, сияет множество лет вокруг само по себе. Свет от нейтронки грустный и тусклый, зато полей то сколько , наших, родимых