问伊森:旋转如何影响脉冲星的形状?


中子星是宇宙中最稠密的物质形式之一,但其质量有上限。 如果超过,中子星会坍塌成黑洞

宇宙中很少有固定的物体。 我们所知的几乎所有物体都会旋转。 每个已知的月亮,行星,恒星都绕其轴旋转,因此在我们的物理现实中没有理想的球体。 处于静水平衡状态的物体在旋转期间会在赤道周围膨胀,并从两极被压缩。 由于每天旋转一圈,我们的地球沿赤道轴的距离比极地线长42公里,并且某些物体的旋转速度更快。 最快旋转的物体呢? 我们的读者问:
一些脉冲星旋转速度惊人。 这会使它们的形状变形多少,并且它们不是因为此而倾倒物质吗?还是它们的重力保持了它?
物体旋转的速度受到限制,尽管脉冲星也不例外,但其中一些脉冲星可以称为真正的例外。


像所有脉冲星一样,帆中​​的脉冲星是中子星残骸的一个例子。 气体和物质经常围绕脉冲星,它们是这些中子星的脉动行为的燃料来源。

脉冲星或旋转中子星具有宇宙中所有天体中最令人难以置信的特性。 它们出现在超新星之后,当原子核坍塌成固态的中子球状,超过太阳的质量,但直径只有几公里。 这是已知的最稠密的物质形式。 尽管它们被称为中子星,但它们只有90%由中子组成,因此当它们旋转时,带电粒子会非常快速地移动并产生强磁场。 当围绕它们的粒子落入该场时,它们会加速,并出现从中子星极发射出的相对论射流 。 当这些极点之一指向我们的方向时,我们会看到脉冲星的“脉冲”。


由中子组成的脉冲星具有质子和中子的外壳,产生一个非常强的磁场,比太阳表面大一万亿倍。 注意,旋转轴和磁轴略有不同。

对我们来说,大多数现有的中子星看起来都不像脉冲星,因为它们大多数都不旋转,因此旋转轴与视线重合。 所有中子星都有可能是脉冲星,但只有一小部分对我们可见。 但是,即使是观测到的脉冲星,其转数也有很大的差异。


蟹状星云的核心图像中-一颗年轻且巨大的恒星最近在一次惊人的超新星爆炸中死亡-您可以看到由脉动且快速旋转的中子星即脉冲星产生的特征波。 这种年轻的脉冲星只有1000岁,每秒旋转30次,是普通脉冲星的典型代表。

大多数年轻脉冲星都属于的普通脉冲星,其旋转时间从百分之一秒到几秒,而较老的毫秒脉冲星旋转得更快。 已知最快的脉冲星每秒旋转766次,而最慢的脉冲星在2000年的超新星RCW 103中心发现,其旋转速度令人难以置信的6.7小时


在超新星残余RCW 103的核心中,一个旋转缓慢的中子星也是地磁 2016年,来自各种卫星的新数据证实它是所有已知行星中旋转最慢的中子星

几年前,一个不正确的故事在网络上走来走去,一颗缓慢旋转的恒星竟然是最接近人类已知天体的物体。 几乎没有! 太阳非常接近理想球体,在赤道平面上沿两极之间的轴直径仅大10 km(即与理想球体相差0.0007%),最近发现的KIC 11145123恒星比太阳大两倍以上大小,但赤道和两极的差异仅3 km。


在我们所知的最慢的旋转恒星Kepler / KIC 1145123处,两极和赤道的直径仅相差0.0002%。 但是,中子星可以更均匀。

但是,尽管与理想球体的差异仅为0.0002%,但这是所有旋转中子星中最慢的,称为1E 1613打破了所有这些记录。 它的直径约为20 km,赤道半径与极半径之间的差不超过质子的半径:小于1万亿的1%。 当然,如果我们可以确定中子星的形状是由其旋转动力学决定的。

但是,实际上,事实并非如此,这种说法的正确性在研究硬币的另一面-旋转最快的中子星方面起着巨大作用。


中子星很小且昏暗,但是它很热很冷很长时间。 如果我们能够观察到她并看到她的光芒,我们将看到她的光芒比宇宙当前时代长百万倍。

中子星具有难以置信的强大磁场-对于普通中子星,其强度为1000亿高斯,对于具有最强磁场的磁星,其范围为100万亿至1万亿高斯。 为了进行比较,地球磁场的强度约为0.6G。 如果旋转试图使中子星变平并使其变成挤压的球体,则磁场会沿相反的方向作用,沿着旋转轴将中子星拉成瓜子状,称为细长球体。


压缩和伸长的球体

由于重力波限制,我们有信心中子星由于旋转而偏离其形状不超过10-100厘米,这意味着它们是完美圆形的,精度为0.0001%。 但实际上,变形应该更少。 旋转最快的中子星的旋转频率为766 Hz,或旋转周期为0.0013 s。

尽管有很多方法可以计算出平坦度,即使对于最快的中子星也是如此(没有公认的方程式),但即使是这种令人难以置信的速度,由于赤道表面以光速的16%的速度运动,也只会导致0.0000001%的平坦度。 ,加上或减去几个订单。 而且这甚至没有达到失控的速度-中子星表面上的所有东西都会保留在那里。


就在合并之前,两个中子星不仅发出引力波,而且还产生灾难性爆炸,该爆炸在整个电磁波谱中都有响应,并且还有重元素流靠近周期表的末端。

在两个中子星聚变之后,可以获得由于聚变而形成的旋转中子星的最极端例子。 根据我们的标准理论,当超过一定质量阈值时,这些中子星会坍塌成黑洞:约为太阳的2.5倍。 但是,如果这些中子星快速旋转,那么它们将在一段时间内保持中子星的状态,直到以引力波的形式发射出足够的能量并达到临界不稳定状态。 这样的过程可以至少暂时地将中子星的最大质量增加10-20%。

而且我们相信这正是我们观察到的两颗中子星融合过程中发生的事情。



聚变后中子星以什么速度旋转? 它的形状有多失真? 合并产生了哪些引力波发射中子星?

为了获得答案,有必要结合对涉及不同范围质量的事件的研究:总质量不超过2.5太阳(应获得稳定的中子星),质量为2.5至3太阳(如我们观察到的情况)当暂时存在的中子星变成黑洞时,质量大于3个太阳(当立即获得黑洞时),并在此加上光信号的测量值。 我们还可以通过尽早检测螺旋形进场阶段并提前向目标源发送望远镜来了解更多信息。 随着LIGO / Virgo和其他重力波探测器的调试以及灵敏度的提高,我们能够做得越来越好。


艺术家认为是两个中子星的合并。 中子星的双星系统也逐渐螺旋在一起并合并,但我们发现的最接近的一对将在近一亿年内不会合并。 在那之前,LIGO可能会找到许多其他候选人。

在此之前,要知道中子星尽管自转快,但由于其无与伦比的密度而非常坚固。 即使具有如此强的磁场和相对论的旋转速度,它们还是比我们在宏观尺度上能找到的任何物体更理想的球体。 除非单个粒子被证明是更理想的球体(而且这种情况可能发生),否则具有弱磁场的缓慢旋转的中子星将仍然是自然出现的大多数球形物体的最佳候选者。 长寿命的稳定中子星只会随着时间的流逝缓慢降低旋转速度。 而且表面上的所有东西都将保留在那里。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN411917/


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