ตำนานเล่าว่า เมื่อข่าวไปถึงโคเปนเฮเกนเรื่องการค้นพบนิวตรอนในปี 1932 จัดงานเลี้ยงใหญ่ที่บ้านของเขา ในบรรดาแขกของเขาคือหนุ่มชาวรัสเซียซึ่งกล่าวกันว่าได้พูดอย่างเงียบๆ ว่า “อนุภาคใหม่นี้สามารถสร้างดวงดาวได้” นักดาราศาสตร์ชอบคิดว่าสิ่งนี้พูดอย่างจริงจัง และไม่ได้อยู่ภายใต้อิทธิพลของการต้อนรับแบบเดนมาร์ก – เพราะตอนนี้เรารู้แล้วว่าดาวนิวตรอนมีอยู่จริง
คุณลักษณะ
ของดาวนิวตรอนได้รับการอธิบายครั้งแรกในอีกสองปีต่อมาแต่นักดาราศาสตร์ต้องรอจนถึงปี 1968 จึงจะตรวจจับได้ นั่นคือตอน ซึ่งขณะนั้นเป็นนักศึกษาระดับปริญญาเอก หัวหน้างานของเธอ (คนเดียวที่ได้รับส่วนแบ่งจากรางวัลโนเบลในปี 1974 สำหรับการค้นพบนี้) ได้พบกับสัญญาณวิทยุที่แผ่วเบา
ในขณะที่กำลังศึกษาควาซาร์ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ระยะเวลาของสัญญาณเหล่านี้แม่นยำมากจนในตอนแรกคิดว่าเป็นสัญญาณของหน่วยสืบราชการลับนอกโลกหลังจากตรวจพบแหล่งที่มาเพิ่มเติม ซึ่งต่อมาได้เป็นประธานสหพันธ์ดาราศาสตร์สากล ได้ตีความสัญญาณดังกล่าวว่าเป็นเอฟเฟกต์ “ประภาคาร”
ทั้งคู่อยู่ที่มหาวิทยาลัย ในเวลานั้น พวกเขาสรุปโดยอิสระว่าลำแสงวิทยุถูกปล่อยออกมาโดยดาวนิวตรอนที่หมุนและเป็นแม่เหล็กสูง คำอธิบายนี้ ซึ่งคลื่นวิทยุถูกผลิตโดยรังสีซินโครตรอนจากอนุภาคสัมพัทธภาพที่ถูกเร่งโดยสนามแม่เหล็กของดาวฤกษ์ ได้รับการพิสูจน์อย่างรวดเร็ว แต่ไม่เร็วพอที่จะป้องกัน
ไม่ให้ดาวนิวตรอนที่หมุนเป็นแม่เหล็กถูกเรียกว่า “พัลซาร์” คำนี้ การหดตัวของ “ดาวที่เต้นเป็นจังหวะ” ได้รับการประกาศเกียรติคุณจากนักข่าวจากซึ่งอยู่ในระหว่างการสนทนาครั้งแรกเกี่ยวกับคลื่นวิทยุลึกลับ หากเขารอประมาณหนึ่งสัปดาห์เพื่อให้การตีความที่ถูกต้องปรากฏขึ้น ตอนนี้เราจะเรียกพัลซาร์ว่าอะไร
ดาวนิวตรอนเป็นวัตถุขนาดเล็กที่มีมวลเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์เป็นปริมาตรเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 20 กม. (รูปที่ 1) พวกมันคิดว่ากำเนิดจากการระเบิดของซุปเปอร์โนวาอันเป็นผลมาจากการยุบตัวของแรงโน้มถ่วง และอาจกล่าวได้ว่าเป็นหลุมดำเพียงจุดเดียวในวิวัฒนาการของดาวมวลมาก
โครงสร้าง
ของดาวนิวตรอนถูกกำหนดโดยสมการสถานะซึ่งสัมพันธ์กับความดันกับความหนาแน่น และการจำกัดสมการสถานะนี้เป็นเป้าหมายหลักในดาราศาสตร์ดาวนิวตรอน ความหนาแน่นของดาวนิวตรอนนั้นใกล้เคียงกับนิวเคลียส แต่ขึ้นอยู่กับสมการสถานะที่แม่นยำของมัน องค์ประกอบของดาวนิวตรอน
สามารถแปรผันได้ตั้งแต่นิวตรอนและโปรตอนไปจนถึงไฮเปอร์รอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีควาร์กแปลก ๆ และอาจเป็นควาร์กอิสระ ตัวอย่างเช่น ดาวนิวตรอนที่มีน้ำหนักมากกว่า 1.6 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จำเป็นต้องมีสมการสถานะที่รวมสสาร “แปลกใหม่” เข้าไว้ด้วยกัน อย่างไรก็ตาม
ดาวนิวตรอนส่วนใหญ่มีมวลประมาณ 1.35 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แม้ว่าจะมีข้อยกเว้นที่น่าสนใจก็ตาม จนถึงขณะนี้ยังไม่มีหลักฐานใดๆ เกี่ยวกับดาว “ประหลาด” ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่มีควาร์กประหลาด แต่การค้นหายังดำเนินต่อไป และสมการสถานะคือเครื่องมือที่ดีที่สุดของเราในการตามล่า
สนามแม่เหล็กของดาวนิวตรอนซึ่งถูกเพิ่มเป็น 10 8 T โดยการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงก็เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดสมการสถานะของมันเช่นกัน นอกจากนี้ การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมยังบอกเป็นนัยว่าดาวนิวตรอนและสนามแม่เหล็กของพวกมันหมุนอย่างรวดเร็ว โดยมีระยะเวลาตั้งแต่มิลลิวินาทีไปจนถึงวินาที
ซึ่งหมายความว่าดาวนิวตรอนเป็นตัวปล่อยรังสีที่น่าเกรงขามและตัวเร่งอนุภาค ในปี พ.ศ. 2513 และเพื่อนร่วมงาน ได้พบกับแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์จากท้องฟ้าประเภทใหม่ที่สว่างและแปรผันตามช่วงเวลาอย่างรวดเร็วผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2545 กำลังเดินทางไปเพื่อแสดงให้เห็นว่า
ดาวนิวตรอน
สามารถถูกผูกมัดในระบบดาวคู่ได้พร้อมกับดาวปกติ อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นสูงมากของดาวนิวตรอนทำให้วงโคจรของพวกมันแน่นแฟ้นขึ้นมาก และคาบของพวกมันสั้นกว่าดาวฤกษ์คู่ทั่วไป
ยิ่งไปกว่านั้น แรงดึงดูดของดาวนิวตรอนนั้นแรงมากจนดึงชั้นภายนอกของดาวปกติบางส่วน
เข้ามาหาตัวมันเอง กระบวนการสะสมนี้เป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ท้องฟ้าและความโน้มถ่วง และสสารที่ตกลงมาสามารถจัดระเบียบตัวเองเป็นดิสก์ที่หมุนรอบดาวนิวตรอน อุณหภูมิของดิสก์นี้สามารถสูงถึง 10 6 K เนื่องจากความหนืดและแรงเสียดทานภายในซึ่งทำให้มองเห็นได้ในบริเวณรังสีเอกซ์
ดิสก์ยังสามารถถูกบดบังและทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่น่าตื่นตาตื่นใจในฟลักซ์ของรังสีเอกซ์ของดาว ซึ่งเป็นตัวเชื่อมที่ดีเยี่ยมสำหรับการทำความเข้าใจระบบดาวคู่ เพื่อถอดความสิ่งที่จอห์น วีลเลอร์ควรจะพูดหลังจากการค้นพบดาวนิวตรอน “ใครสงสัยว่าพวกมันจะมาพร้อมกับกระดิ่งและที่จับ”
ข้อมูลจำนวนมหาศาลที่ความยาวคลื่นต่างๆ ถูกรวบรวมจากระบบดาวคู่ในช่วงสามทศวรรษนับตั้งแต่มีการค้นพบ และยังคงเป็นหนึ่งในแหล่งที่มาที่สำคัญที่สุดของปรากฏการณ์ทางดาวนิวตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณมวลของดาวนิวตรอนได้โดยศึกษาอันตรกิริยาความโน้มถ่วง
ของระบบดาวคู่ ในปี 1974 ซึ่งขณะนั้นอยู่ที่มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ ได้ค้นพบระบบดาวคู่ระบบแรกที่มีดาวนิวตรอนสองดวง พฤติกรรมไดนามิกของระบบสุดโต่งนี้เป็นหลักฐานทางอ้อมชิ้นแรกสำหรับคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งฮัลส์และเทย์เลอร์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกันในปี 1993
ปัจจุบันมีการค้นพบดาวคู่นิวตรอน-ดาวนิวตรอน-ดาวคู่ 10 แห่ง และดาราศาสตร์วิทยุได้รวบรวมฐานข้อมูลที่น่าทึ่งของพัลซาร์มากกว่า 1,500 ดวง อันที่จริง ดาราศาสตร์วิทยุสามารถใช้ศึกษาสมการสถานะของดาวนิวตรอนได้ด้วย ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2512 นักดาราศาสตร์ได้พบพัลซาร์ 25 ดวงที่แสดง “จุดบกพร่อง”
