הבדלים בין גרסאות בדף "כוכב ניוטרונים"

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
(כוכבי ניוטרונים בגלקסיה)
(כוכבי ניוטרונים בגלקסיה)
שורה 76: שורה 76:
  
 
ידוע תצפיתית כי ל[[פולסאר|פולסארים]] מהירויות גבוהות ביחס ל[[גלקסית שביל החלב]]. ככל הנראה הדבר נובע מאיסימטריה קלה בהתפוצצות [[סופרנובה]]. ממדידות של מהיריות של פולסארים צעירים עולה כי יש להם מהירויות התחלתיות טיפוסיות בעת הלידה של כ-300 ק"מ לשנייה ביחס לדיסקת הגלקסיה בה נוצרו.
 
ידוע תצפיתית כי ל[[פולסאר|פולסארים]] מהירויות גבוהות ביחס ל[[גלקסית שביל החלב]]. ככל הנראה הדבר נובע מאיסימטריה קלה בהתפוצצות [[סופרנובה]]. ממדידות של מהיריות של פולסארים צעירים עולה כי יש להם מהירויות התחלתיות טיפוסיות בעת הלידה של כ-300 ק"מ לשנייה ביחס לדיסקת הגלקסיה בה נוצרו.
האנרגיה הקינטית של כוכב נויטרונים הנע במהירות של כ 300 ק"מ לשנייה היא 10<sup>48</sup> [[יחידות פיסיקליות|ארג]] - אנרגיה זו מהווה רק כ 10<sup>-5</sup> מסה"כ האנרגיה הכבידתית של כוכב המתפוצץ כסופרנובה.
+
האנרגיה הקינטית של כוכב נויטרונים הנע במהירות של כ 300 ק"מ לשנייה היא 10<sup>48</sup> [[יחידות פיזיקליות|ארג]] - אנרגיה זו מהווה רק כ 10<sup>-5</sup> מסה"כ האנרגיה הכבידתית של כוכב המתפוצץ כסופרנובה.
  
 
בגרף משמאל נראות המהירויות ההתחלתיות (התלת מימדיות, וההטל שלהן) כפי שנמדדו משני מדגמים של פולסארים צעירים. האי-התאמה בין המדידות במהירויות נמוכות נובע בעיקר כתוצאה מכך שמספר הפולסארים הידועים שמהירותם נמוכה הוא קטן יחסית.
 
בגרף משמאל נראות המהירויות ההתחלתיות (התלת מימדיות, וההטל שלהן) כפי שנמדדו משני מדגמים של פולסארים צעירים. האי-התאמה בין המדידות במהירויות נמוכות נובע בעיקר כתוצאה מכך שמספר הפולסארים הידועים שמהירותם נמוכה הוא קטן יחסית.

גרסה מ־04:46, 31 באוקטובר 2009

כוכב ניוטרונים (באנגלית: Neutron star) (לעיתים כותבים נויטרונים) - כוכבי ניוטרונים הם גופים שצפיפותם הממוצעת גבוהה מאד (כ 10^{14} גרם לסמ"ק) ומסתם (לפחות ברוב המקרים שנצפו) היא בין 1.3 ל- 2.1 מסות שמש (ראו גם מסת צ'אנדרסאקר). רדיוסם של כוכב ניוטרונים איננו ידוע בדיוק אך הוא בין כ- 10 עד 20 ק"מ (בערך 30,000 עד 70,000 פעמים יותר קטן מהשמש). בליבתם של כוכב ניוטרונים הצפיפות הינה כ 10^{15} גרם לסמ"ק. צפיפות זו דומה לצפיפות של גרעין האטום. בצפיפויות אלו מתמזגים האלקטרונים והפרוטונים לנויטרונים וליבתו של הכוכב עשירה מאד בנויטרונים (מכאו שמם של כוכבים אלו). כוכב ניוטרונים נוצר בעת קריסת הליבה של (חלק) מהכוכבים הכבדים שמסתם ההתחלתית גדולה מכ-8 מסות שמש (בעת התפוצצות סופרנובה), אך יתכן וקימים ערוצים נוספים שיכולים ליצור כוכבי נויטרונים.

כתוצאה מחוק שימור התנע הזוותי מהירות סיבובו סביב צירו גבוה מאד. כמו כן השדה המגנטי האופייני של כוכב ניוטרונים בעת היווצרותו הינו כ - 10^{12} גאוס (אך קיימים מקרים שבהם השדה חזק אף יותר, אפילו 10^{14} גאוס).

כוכבי ניוטרונים נצפים בטבע במספר מצבים, הידוע שבהם והראשון שהתגלה הוא פולסאר - כוכב ניוטרונים בעל שדה מגנטי חזק המסתובב במהירות סביב צירו. בד"כ פולסארים הם עצמים צעירים שגילם אינו עולה על כ 10 מיליון שנה. עצמים נוספים הם: פולסארי אלפיות השנייה, מתפרצי קרינת גמא רכים ונשנים, פולסארי קרינת אקס אנומליים, וכוכבים כפולים שבהם אחד מבני הזוג הוא כוכב ניוטרונים (ראו מאמר מורחב בנושא: פולסאר).


היסטוריה

קיומם של כוכב כוכבי נויטרונים, הנוצרים בהתפוצצות סופרנובה, נחזה לראשונה ע"י באדה (Baade) וצוויקי (Zwicky) בשנת 1934, שנתיים בלבד לאחר גילוי הנויטרון ע"י צ'אדוויק (Chadwick). בשנת 1939 אופנהיימר (Oppenheimer) וולקוף (Volkoff) חישבו את התכונות הבסיסיות של כוכבים כאלו.

עד שנת 1959, אסטרופיסיקאים חשבו כי בפועל כוכבי נויטרונים לא יכולים להיווצר בטבע מאחר מאחר וחישובים המבוססים על גז פרמיונים ללא אנטראקציה הראו כי המסה המרבית שיכולה להיות לכוכב נויטרונים היא 0.7 מסות שמש. מאחר ולא היה ידוע באותה תקופה מנגנון שעשוי לייצר כוכבי נויטרונים קלים באופן ישיר אזי המסקנה באותה תקופה היתה כי ככל הנראה כוכבי נויטרונים אינם קיימים בטבע. בשנת 1959 הראה קמרון (Cameron) כי חישוב ראלי יותר המביא בחשבון אינטארציה בין הפרמיונים מאפשר קבלת מסה מרבית לכוכב נויטרונים הגדולה ממסת צ'אנדרסאקר ועל כן כוכבי נויטרונים יכולים להיווצר בטבע.

בשנת 1967 החלה ג'וסלין בל (Jocelyn Bell) להפעיל רדיו טלסקופ חדש במסגרת עבודת הדוקטורט שלה במטרה למדוד את תכונות התווך הבין כוכבי באמצעות סינטלציות של מקורות רדיו. ב 28 בנובמבר 1967 גילתה בל מקור רדיו בעל מחזוריות מדויקת להפליא של 1.337 שניות. מאחר והמקור נע על פני כיפת השמיים בקצב הסידרלי (ראו: יממה כוכבית), קרי הוא נע על פני כיפת השמיים יחד עם הכוכבים אזי היה ברור כי המדובר במקור מחוץ למערכת השמש. אחת האפשרויות שהעולתה היא כי המדובר בשידורי רדיו של תרבות על כוכב לכת מחוץ למערכת השמש, או כפי שכונו אז אנשים קטנים ירוקים (באנגלית: Little Green Man). רעיון זה נפסל לאחר שניתוח של האותות הראה כי אין בהם סימן לשינויים מחזורים בזמן הגעת האותות (תופעה הדומה במהותה לאפקט דופלר) הנובעים מתנועת כוכב הלכת שממנו מתבצע השידור סביב השמש שלו. אומדן הנפיצה של אותות הרדיו (ראו להלן) היווא עדות משכנעת נוספת לכך שמקור האותות הוא מחוץ למערכת השמש, אך בתוך גלקסיית שביל החלב. התגלית החשובה פורסמה בעיתון Nature בגיליון ה-24 בפברואר 1968 (Hewish et al. 1968). העצמים המיסתוריים כונו פולסארים ויואיש ובל הציעו כי מקור אותות הרדיו הוא פעימות רדיאליות בננסים לבנים או כוכבי נויטרונים (ראו גם: קפאיד וכוכב משתנה) לאחר התגלית הראשונה, החלו אסטרונומים מוצאים עוד ועוד פולסארים ובינהם הפולסאר בערפילית הסרטן והפולסאר בקבוצת הכוכבים מפרש (Vela Pulsar). שני פולסארים אלו יוחדו בכך שזמן המחזור שלהם היה קצר מאד יחסית, 33 אלפיות השנייה ו 89 אלפיות השנייה, בהתאמה. בנוסף פולסארים אלו נמצאו בתוך שאריות של התפוצציות סופרנובה צעירות. לדוגמא ערפילית הסרטן היא שארית של התפוצצות סופרנובה שנצפתה בשנת 1054.

המודל הראשוני המסביר נכונה את מהותם של הפולסארים , פורסם ב 1968 ע"י גולד (Gold). ובשנת 1974 קיבל אנתוני יואיש (המנחה של בל) את פרס נובל לפיסיקה על תגלית זאת.

הווצרות

כוכבי ניוטרונים יכולים להייוצר במספר ערוצים. ככל הנראה, אם כי אין ודאות בעניין זה, הערוץ החשוב ביותר ליצירת כוכבי ניוטרונים הוא במוות של כוכבים מסאיבים.

מוות של כוכב מאסיבי

השלב האחרון בבעירה תרמו-גרענית בכוכב (ראו: ראקציות תרמו-גרעיניות ותגובות גרעיניות והיווצרות היסודות הכבדים) שמסתו ההתחלתית גדולה מכ-8 מסות שמש (ומסת ליבתו גדולה מכ-1.4 מסות שמש), הוא בערה גרעינית של סיליקון לברזל. התהליכים התרמו-גרעיניים הם אלו המספקים את הלחץ הדרוש למנוע מכוח הכבידה לכווץ את הכוכב. מאחר ואנרגיית הקשר של גרעין הברזל היא הגדולה ביותר מכל הגרעינים בטבע, לאחר שכל ליבת הכוכב הפכה לברזל הכוכב לא יכול להפיק יותר אנרגיה מתהליכים תרמו-גרעיניים. במצב זה, הלחץ והטמפרטורה בליבת הכוכב הולכים וגדלים עד שלברזל יש עדיפות אנרגטית להפוך לשלושה עשר אטומי הליום. הליך זה צורך אנרגיה, על כן הטמפרטורה במרכז יורדת במהירות גדולה, ועל כן שווי המשקל של הכוכב מופר ומתרחשת "קריסה כבידתית" בה ליבת הכוכב מתכווצת במהירות. למעשה ליבת הכוכב מתכווצת במהירות יותר גדולה מזמן תגובת מעטפת הגז ועל כן ליבת הכוכב מופרדת ממעטפת הכוכב, שמתכווצת לאט יותר. ליבת הכוכב מתכווצת במהירות עד אשר היא הופכת לכוכב ניוטרונים (או חור שחור, בהתאם למסתה של הליבה). במצב של כוכב ניוטרונים התככוצות הכוכב נבלמת והכוכב עובר למצב של שווי משקל כתוצאה מלחץ הניוון של הניוטרונים (ראו הסבר בהמשך). במידה ומסת ליבת הכוכב גדולה מכ-2 מסות שמש (מסת טולמן-אופניהימר-וולקוף) לחץ הניוון של הניוטרונים איננו מסוגל לתמוך בכוכב והוא יקרוס לחור שחור. כאשר המעטפת של הכוכב לבסוף נופלת על הגרעין נוצר גל הלם אשר מעיף את המעטפת החוצה ונוצרת סופרנובה מסוג קריסת ליבה.

בעת קריסת ליבת הכוכב משתחררת אנרגיה פוטנציאלית כבידתדית רבה (כ 10^{53} ארג), אנרגיה זו מאפשרת לפרוטונים לבצע אינטראקציה עם האלקטרונים (תהליך הקרוי: לכידת אלקטרונים) ולהפוך לניוטרונים תוך כדי שחרור כמות גדולה מאד של ניוטרינים:

{\rm energy} + p^{+} + e^{-} \rightarrow n^{\circ} + \nu_{e}

תהליך זה דורש כ 1 MeV (שווה ערך ל 1.6\times10^{-6} ארג) לכל גרעין. כאמור אנרגיה זו באה מהאנרגיה הפוטנציאלית הכובדית של הליבה הקורסת.

הגוף הנוצר עשיר מאד בניוטרונים ולחץ הניוון של הניוטרונים מונע את קריסת הכוכב (ראו לחץ הניוון וננס לבן). בנוסף, מאחר והצפיפות האופינית של כוכב ניוטרונים היא דומה לצפיפות בגרעיני האטומים, הניוטרונים למעשה אינם חופשיים ועל כן אינם מתפרקים (בדעיכת בטא) עם זמן מחצית חיים אופייני של כ 885.7 שניות.

יתכן כי בטבע כוכבי ניוטרונים נוצרים גם בדרכים אחרות.

כתוצאה מחוק שימור התנע הזוויתי כאשר גוף שרדיוסו קטן בפקטור a, זמן המחזור של סיבובו סביב צירו יתקצר פי a2. בנוסף כתוצאה משימור השטף המגנטי, כוכבי ניוטרונים נוצרים בד"כ עם שדות מגנטיים חזקים מאד של בין כ 10^{11} גאוס ל 10^{14} גאוס (על פני השטח של כוכב הניוטרונים). כאשר כוכבי ניוטרונים נוצרים עם זמני מחזור קצרים ממספר שניות הם יקרנו כפולסארים.

ישנן תאוריות הגורסות שאם הכוכב היה מאסיבי מספיק כך שהצפיפות הסופית תעלה מעל ל- 2\times 10^{15} גרם לסנטימטר מעוקב נקבל כוכב קווארקים.

קריסה מושרת ספיחה (Accretion Induced Collapse)

באופן תאורטי ניתן לייצר כוכב ניוטרונים ע"י ספיחת חומר לננס לבן שמסתו מעט קטנה יותר ממסת צ'אנדרסאקר, במקרים מסוימים הספיחה עשויה לגרום לקריסת הננס הלבן לכוכב ניוטרונים. לא ברור, אם קריסה כזו תיהיה מלווה בסופרנובה. יתכן כי חלק מכוכבי הניוטרונים במערכות כפולות במסה נמוכה הפולטות קרינת-אקס (Low Mass X-Ray Binaries), נוצרו כתוצאה מספיחה כזו.

מבנה

המבנה הפנימי של כוכבי ניוטרונים איננו ידוע היטב. הסיבה לאי-הודאות הנ"ל היא שכיום קיימת אי-ודאות גדולה (הן תאורטית והן ניסיונית) לגבי תכונות החומר בצפיפויות האופיניות לכוכבי ניוטרונים. שאלה חשובה אחת הינה מה משוואת המצב (במשוואת מצב הכוונה לקשר פיזקלי מתמטי בין הלחץ, הצפיפות והטמפרטורה של החומר, ראו לדוגמא: גז אידאלי) של חומר בכוכבי ניוטרונים. בהינתן מסת כוכב הניוטרונים, משוואת המצב תכתיב את הצפיפות כתלות ברדיוס, וכן את רדיוסו של כוכב הניוטרונים. למעשה אחת הדרכים המבטיחות ביותר ללמוד על משוואת המצב של חומר בצפיפויות גרעיניות היא באמצעות מדידת התכונות הנצפות (כגון רדיוס ומומנט ההתמד) של כוכבי ניוטרונים.

הצפיפות במרכזם של כוכבי ניוטרונים יכול לנוע בין 1014 לבין 1016 גרם לסמ"ק, תלוי במסה של כוכב הניוטרונים ובמשוואת המצב של החומר.

תאורטית, כוכבי נויטרונים יכולים להיווצר גם במסות נמוכות ממסת צ'אנדרסאקר, אך לא ידוע תהליך יעיל שעשוי לייצר גופים כאלו בטבע.

קירור של כוכבי ניוטרונים

מיד לאחר היווצרותם הטמפרטורה בליבתם של כוכבי ניוטרונים היא מסדר גודל של כ 1011 קלווין. בדקה הראשונה לאחר היווצרותו כוכב הניוטרונים גדול עדין מגודלו הסופי והחלקים הפנימיים שלו אטומים לחלקיקי ניוטרינו. במצב זה כוכב הניוטרונים מתקרר ע"י פליטת חלקיקי ניוטרינו מכל גוף הכוכב וכן ע"י הולכת חום המגיע לפני השטח ונפלט בצורה של קרינה אלקטרומגנטית. במרכז הכוכב הולכת החום נעשית ע"י אלקטרונים ובריונים במעטפת הכוכב הולכת החום היא ע"י אלקטרונים ואילו בחלקים החיצוניים של המעטפת ע"י קרינה.

ב 100,000 שנה לאחר היווצרותו כוכב הניוטרונים מתקרר בעיקר ע"י פליטת ניוטרינו. בזמנים מאוחרים יותר הקירור נעשה בעיק ע"י פליטת קרינה מפני השטח של הכוכב.

המנגנון העיקרי לקירור ע"י ניוטרינו קרוי תהליך אורקה החילופי (modified URCA process) והוא מתואר ע"י האינטראקציות:

n+n\rightarrow n + p + e^{-} + \bar{\nu}_{e}

n+p+e^{-}\rightarrow n + n + \nu_{e}

זהו כאמור איננו התהליך היחידי האחראי לקירור הכוכב.


כוכבי ניוטרונים בגלקסיה

המהירויות ההתחלתיות (התלת מימדיות בקוים מקווקים, וההטל החד ממדי שלהן בקוים מלאים) כפי שנמדדו משני מדגמים של פולסארים צעירים (קוים אפורים וקוים שחורים). האי-התאמה בין המדידות במהירויות נמוכות נובע בעיקר כתוצאה מכך שמספר הפולסארים הידועים שמהירותם נמוכה הוא קטן יחסית.

ידוע תצפיתית כי לפולסארים מהירויות גבוהות ביחס לגלקסית שביל החלב. ככל הנראה הדבר נובע מאיסימטריה קלה בהתפוצצות סופרנובה. ממדידות של מהיריות של פולסארים צעירים עולה כי יש להם מהירויות התחלתיות טיפוסיות בעת הלידה של כ-300 ק"מ לשנייה ביחס לדיסקת הגלקסיה בה נוצרו. האנרגיה הקינטית של כוכב נויטרונים הנע במהירות של כ 300 ק"מ לשנייה היא 1048 ארג - אנרגיה זו מהווה רק כ 10-5 מסה"כ האנרגיה הכבידתית של כוכב המתפוצץ כסופרנובה.

בגרף משמאל נראות המהירויות ההתחלתיות (התלת מימדיות, וההטל שלהן) כפי שנמדדו משני מדגמים של פולסארים צעירים. האי-התאמה בין המדידות במהירויות נמוכות נובע בעיקר כתוצאה מכך שמספר הפולסארים הידועים שמהירותם נמוכה הוא קטן יחסית.

צפיפות ליחידת שטח על פני כיפת השמיים של כוכבי ניוטרונים זקנים בגלקסית שביל החלב כפי שהוערכה מסימולציות מחשב של ההתפתחות הדינמית של פולסארים בגלקסיה. המפה מוצגת בהיטל שווה שטח מסוג Aitoff ובקורדינאטות גלקטיות.

על כן, כוכבי ניוטרונים זקנים יתפזרו בגלקסיה טוב יותר מאשר כוכבים רגילים. באיור משאל ניתן לראות את ההתפלגות השמימית החזויה של כוכבי ניוטרונים בגלקסיה. כוכבי ניוטרונים כאלו עשויים להיות חיוורים מאד ויהיה קשה מאד לגלותם. למעשה, כיום, לא ידועים כוכבי ניוטרונים זקנים ובודדים (כלומר כאלו שאינם פולסארים או שאינם נמצאים במערכות כפולות).

ככל הנראה מספר כוכבי ניוטרונים בגלקסיה הינו בין כ 108 ל 109.

האם ניתן לראות כוכבי ניוטרונים בודדים וזקנים?

בשנת 1970 הציעו ג'רמיה אוסטריקר ושותפים כי כוכבי ניוטרונים זקנים ובודדים בגלקסיה, יספחו חומר מהתווך הבין כוכבי, יתחממו ויפלטו קרינת איקס רכה. בהנחה והשדה המגנטי החזק של כוכב ניוטרונים (ראו: פולסארים) איננו עוצר משמעותית את קצב הספיחה אזי הוא בקרוב ניתן ע"י ספיחת בונדי-הויל (Bondi-Hoyle Accretion). קצב הספיחה, \dot{M}, (ספיחת בונדי-הויל), ניתן ע"י:

\dot{M}=\frac{4\pi\lambda_{A}G^{2}M^{2}m_{p}n}{(v^{2}+c_{s}^{2})^{3/2}}

כאשר M היהנה מסתו של הגוף הסופח הנע במהירות v ביחס לתווך הבין כוכבי שצפיפותו n (חלקיקים לסמ"ק), G הינו קבוע הכבידה, mp מסת הפרוטון, cs הינה מהירות הקול בתווך הבין כוכבי ו λA הינו קבוע מסדק גודל של יחדה שמבטא את יעילות הספיחה.

כתוצאה מהספיחה כוכב הניוטרונים עשוי להתחמם לטמפרטורה אפקטיבית (לא מתוקנת להסחה לאדום כבידתית) של:

T=\Big(\frac{GM\dot{M}}{4\pi\sigma f R^{3}}\Big)^{1/4}

כאשר σ הינו קבוע סטפן-בולצמן, R רדיוסו של כוכב הניוטרונים, ו f הינו השטח היחסי מסה"כ השטח של כוכב הניוטרונים שעליו מתבצעת ספיחה (במידה והספיחה ספרית אזי f=1).

בשנות ה-90 נחזה כי לווינים הצופים בתחום קרינת האקס עשויים לגלות מספר רב של כוכב ניוטרונים זקנים ובודדים הסופחים חומר מהתווך הבין כוכבי, אך למרות חיפושים נרחבים כוכבי ניוטרונים כאלו לא התגלו. ככל הנראה הסיבה לכך, בין היתר, נעוצה בעובדה כי המהירויות האופיניות של כוכבי ניוטרונים בגלקסיה גדולות משמעותית יותר ממה שהעורך בשנות ה-90, ומאחר וקצב הספיחה יורד משמעותית כאשר המהירות עולה כוכבי הניוטרונים חיוורים מכדי לגלותם בתחום קרינת האקס.

כוכבי ניוטרונים במערכות כפולות

כאשר כוכב ניוטרונים הוא בן זוג בכוכב כפול, הדבר עשוי להוביל לשלל תופעות כגון כפולי קרינת-איקס, נובות קרינת-איקס, מיקרו-קוואזרים ועוד. כאשר בני הזוג במערכת כזו קרובים מספיק חומר עשוי להיספח מבן הזוג ע"י כוכב הניוטרונים ולפלוט קרינת-אקס.

בנוסף כוכבי ניוטרונים (או פולסארים) במערכות כםולות מאפשרים בחינה מדוקדת של תופעות הנובעות מתורת היחסות הכללית, כגון עיכוב זממני הגעת האותות כתוצאה מהאטת מהירות האור בשדה הכבידה של כוכב הניוטרונים וכיווץ המסלול של בני הזוג כתוצאה מפליטת גלי כבידה.

היסטוריה

  • בשנת 1932 סר גיימס צ'דוויק ( Sir Jamse Chadwick) גילה את הניוטרון כחלקיק אלמנטרי וזכה בשנת 1935 בפרס נובל על כך. מאוחר יותר התגלה שניוטרון הוא לא חלקיק אלמנטרי אלה מורכב משלושה קוורקים, שהם חלקיקים אלמנטים.
  • בשנת 1933 וולטר בדא' (Walter Baade) ופריץ צוויקי (Fritz Zwicky) הציעו את קיומו התיאורתי של כוכב ניוטרונים. הם הציעו שכוכב ניוטרונים הוא תוצר של התפוצצות סופרנובה.
  • בשנת 1967 ג'סולין בל (Jocelyn Bell) והמנחה שלה בזמנו אנטוני הייויש (Antony Hewish) גילו את פולסאר הרדיו הראשון. על תגלית זו קיבל הייויש את פרס נובל לשנת 1974.

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית

מחברים


סמדר נאוז, ערן אופק