A neutroncsillag egy elpusztult, nagy tömegű csillag rendkívül sűrű magja. Saját gravitációja egy kisebb város méretű gömbbé préseli össze: átmérője mindössze 20–28 kilométer, tömege mégis 1,1–2,1-szerese lehet a Napénak. Anyagának sűrűsége az atommagéhoz mérhető, egy köbcentimétere több százmillió tonnát nyomna.

Ezek az égitestek elképesztő sebességgel foroghatnak. Némelyikük másodpercenként hétszáznál is több fordulatot tesz meg. Ha pedig az összeomló csillagmag tömege meghaladja a Nap tömegének körülbelül 2,1–2,3-szeresét, az objektum tovább roskad, és fekete lyukká válik.

## Hogyan születik neutroncsillag?

Neutroncsillag a kezdetben 8–25, esetenként akár 30 naptömegű csillagok fejlődésének végén maradhat vissza. Amikor az óriás belsejében elfogy a termonukleáris reakciókat tápláló üzemanyag, a sugárnyomás már nem képes ellensúlyozni a gravitációt. A külső burok hatalmas szupernóva-robbanásban leválik, a vasmag pedig saját súlya alatt szinte azonnal összeomlik.

A zsugorodás során a nyomás olyan nagyra nő, hogy az elektronok a protonokba préselődnek. A neutronizációnak nevezett folyamatban a protonok és elektronok egyesülnek, óriási neutrínóáramot keltenek, az anyag pedig nagyrészt neutronokból álló közeggé alakul. A további összeomlást kvantummechanikai hatás, a degenerált neutrongáz nyomása fékezi meg.

A folyamat akkor kezdődik, amikor a nagy tömegű csillag termonukleáris ciklusa előbb szilíciumot, majd vas-56-ot hoz létre. A vasnál nehezebb elemek fúziója már nem felszabadítja, hanem elnyeli az energiát, ezért a csillag termonukleáris „motorja” leáll.

Ezután négy fő szakasz következik:

1. **Termodinamikai válság:** a vasmag elveszíti belső hőnyomását, ezért nem tudja tovább megtartani a külső rétegek súlyát. 2. **Összeomlás:** a több tízezer kilométer átmérőjű központi tartomány a másodperc töredéke alatt, akár 70 ezer kilométeres másodpercenkénti sebességgel zuhan befelé. 3. **Visszapattanás és robbanás:** amikor a mag eléri az atommagokra jellemző sűrűséget, az összehúzódás hirtelen megáll. A befelé hulló külső rétegek visszapattannak a merevvé váló magról, a lökéshullám és a hatalmas neutrínóáram pedig leszakítja a burkot. Ekkor következik be a II-es típusú szupernóva-robbanás. 4. **Maradvány:** a katasztrófa helyén egy fokozatosan hűlő, kompakt mag marad.

## Hogyan fedezték fel őket?

Optikai távcsővel rendkívül nehéz észlelni a neutroncsillagokat, mivel sugárzó felületük nagyon kicsi. Az asztrofizikusok szabályos rádiójeleik, röntgenkitöréseik, gravitációs hullámaik, illetve kettős rendszerekben a társcsillagra gyakorolt gravitációs hatásuk alapján azonosítják őket.

Az ilyen objektumok elméleti lehetőségét Walter Baade és Fritz Zwicky vetette fel 1934-ben, és már akkor összekapcsolták őket a szupernóva-robbanásokkal. A kísérleti megerősítésre 1967-ig kellett várni: Jocelyn Bell, a Cambridge-i Egyetem doktorandusza és témavezetője, Antony Hewish ekkor észlelte az első periodikus rádiójelet egy forgó neutroncsillagtól. Ez volt a PSR B1919+21 jelű pulzár.

## Tömeg, méret és sűrűség

A stabil neutroncsillag elméleti alsó tömeghatára mintegy 1,1 naptömeg. Ennél könnyebb objektumból fehér törpe marad. A felső határt a Tolman–Oppenheimer–Volkoff-határ szabja meg, amely körülbelül 2,1–2,3 naptömeg. Az egyik legnagyobb, megbízhatóan megmért tömegű objektum, a PSR J0740+6620 pulzár körülbelül 2,08 naptömegű.

A neutroncsillagok geometriája elsőre ellentmondásosnak tűnik: minél nagyobb a tömegük, annál kisebb lehet az átmérőjük, mert az erősebb gravitáció jobban összenyomja az anyagot.

Az átlagos sűrűségük köbméterenként több százbillió kilogramm. Egy teáskanálnyi neutroncsillag-anyag a Földön körülbelül 5–6 milliárd tonnát nyomna, vagyis nagyjából annyit, mint a Mount Everest. A felszíni gravitáció több százmilliárdszorosan meghaladja a földit.

## Másodpercenként több száz fordulat

Az eredeti óriáscsillag még lassan, hetek vagy hónapok alatt fordul meg a tengelye körül. Amikor azonban a mag több százezerszeres mértékben összezsugorodik, a perdületmegmaradás miatt felgyorsul. Ugyanez a hatás figyelhető meg, amikor a műkorcsolyázó forgás közben a testéhez húzza a karját.

A neutroncsillag így másodpercenként több tíz vagy több száz fordulatot is tehet. Az ismert rekorder, a PSR J1748-2446ad pulzár másodpercenként 716-szor fordul meg; egyenlítőjénél a kerületi sebesség eléri a fénysebesség negyedét.

## Nem kizárólag neutronokból áll

Nevével ellentétben a neutroncsillag nem csupán neutronok tömege, hanem jól elkülöníthető rétegekből épül fel.

**Légkör és óceán:** néhány millimétertől pár centiméterig terjedő, rendkívül vékony réteg, amely forró hidrogén-, hélium- vagy szénplazmából áll.

**Külső kéreg:** néhány száz méter vastag szilárd burok. Főként vasból és más nehézfémek ionjaiból álló kristályrács alkotja, amelyben degenerált elektrongáz mozog szabadon.

**Belső kéreg:** körülbelül két kilométer vastag réteg. A nyomás növekedésével neutronok kezdenek „kiszivárogni” a túlterhelt atommagokból. A mag határán az atommagok különös alakzatokká torzulnak; ezt a fizikusok „nukleáris tésztának” nevezik. Ez a világegyetem legerősebb anyaga.

**Külső mag:** legfeljebb kilenc kilométer vastag folyékony réteg. A protonok és elektronok aránya mindössze körülbelül 5 százalék, az anyag legnagyobb része szuperfolyékony neutronokból és szupravezető protonokból áll. Az anyag súrlódás nélkül áramlik, az elektromos áram pedig ellenállás nélkül kering.

**Belső mag:** néhány kilométer sugarú központi tartomány, ahol a sűrűség az atommagét többszörösen meghaladja. Az itteni anyag pontos állapota egyelőre ismeretlen; szabad kvarkok, hiperonok vagy pionkondenzátum is jelen lehet.

## Pulzárok, milliszekundumos pulzárok és magnetárok

A neutroncsillagok mágneses terük erősségétől, forgási sebességüktől és környezetüktől függően nagyon különböző módon figyelhetők meg.

**Pulzárok:** mágneses tengelyük nem esik egybe a forgástengellyel. A mágneses pólusok mentén felgyorsuló töltött részecskék keskeny rádió- és röntgensugár-nyalábokat hoznak létre. Forgás közben ezek világítótorony fénysugarához hasonlóan pásztázzák a teret. Ha a nyaláb keresztezi a Föld irányát, szabályos időközönként felvillanásokat észlelünk.

**Milliszekundumos pulzárok:** egy magányos pulzár az energiakisugárzás miatt fokozatosan lassul, majd több tízmillió év után „elhallgat”. Ha viszont szoros kettős rendszerben kering egy közönséges csillag mellett, gázt vonhat el társától. A ráhulló anyag ismét másodpercenként több száz fordulatra gyorsíthatja.

**Magnetárok:** a világegyetem legerősebb mágnesei, mágneses terük elérheti a 10¹¹ teslát. Ez a tér óriási mechanikai feszültséget kelt a kristályos kéregben. Ha a kéreg egy „csillagrengés” során megreped, a magnetoszféra átrendeződik, és hatalmas mennyiségű kemény gamma- és röntgensugárzás szabadul fel.

**Röntgenkettősök és röntgenburster-ek:** ezek a neutroncsillagok aktívan anyagot vonnak el társuktól. A gáz akár a fénysebesség felével csapódik a felszínre, több tízmillió fokra hevül, és röntgensugárzást bocsát ki. Amikor a felszínen kritikus vastagságú hidrogén- és héliumréteg gyűlik össze, termonukleáris robbanás következik be, és az objektum röntgenburstertként villan fel.

## Miben más a fekete lyuk?

A neutroncsillag és a fekete lyuk közeli rokon a nagy tömegű csillagok fejlődésében. A döntő különbség a tömeg, illetve az, hogy az anyag képes-e még ellenállni a teljes gravitációs összeomlásnak.

A neutroncsillagnak valódi, szilárd kérge van, még ha rendkívül sűrű maganyagból épül is fel. A fekete lyuknak nincs fizikai felszíne. Határát az eseményhorizont jelenti, a téridő láthatatlan matematikai határvonala, amely mögül még a fény sem térhet vissza.

A neutroncsillag addig stabil, amíg a degenerált neutronok nyomása ellensúlyozza a gravitációt. Ha a mag tömege a robbanáskor átlépi a 2,1–2,3 naptömeg körüli határt, tovább omlik, és csillagtömegű fekete lyuk keletkezik.

Az átalakulás később is bekövetkezhet. Az egyik lehetőség, hogy a neutroncsillag hosszú időn át gázt von el kísérőjétől, míg át nem lépi a Tolman–Oppenheimer–Volkoff-határt. A másik, hogy egy szoros kettős rendszer két neutroncsillaga gravitációs hullámok formájában energiát veszít, egyre közelebb kerül egymáshoz, végül összeütközik.

## Aranyat és uránt is létrehozó ütközés

Két neutroncsillag ütközése rendkívül nagy energiájú kilonóvát idéz elő. A LIGO és a Virgo gravitációshullám-detektorai, valamint több tucat távcső 2017. augusztus 17-én rögzítette a GW170817 jelű történelmi eseményt.

A két neutroncsillag összeolvadása gravitációshullám-kitörést és rövid gammakitörést keltett, emellett forró neutronanyag jutott a világűrbe. Ebben másodpercek alatt nehéz elemek — köztük arany, platina és urán — keletkeztek. Az összeolvadt magok a másodperc töredékén belül új fekete lyukká roskadtak össze.

## Gyakori kérdések

### Mennyi egy teáskanálnyi neutroncsillag-anyag tömege?

Körülbelül ötmilliárd tonna. Ez a Mount Everest tömegével, illetve az összes egyiptomi piramis együttes tömegének ezerszeresével mérhető össze.

### Miért nem tágul vissza, ha már megszűntek benne a termonukleáris reakciók?

Saját tömegének óriási gravitációja tartja össze. A fekete lyukká omlástól a degenerált neutronok kvantumnyomása védi meg. Ennek hátterében a Pauli-féle kizárási elv áll, amely szerint a fermionok nem foglalhatják el ugyanazt a kvantumállapotot.

### Lehűlhet az abszolút nulla fokra?

Elméletileg igen, ehhez azonban több százmilliárd, akár több billió évre lenne szükség. A fiatal neutroncsillag először neutrínók kibocsátásával veszít hőt. Miután egymillió fok alá hűlt, a felszínéről kibocsátott hősugárzás válik meghatározóvá. Mivel egy körülbelül húsz kilométer átmérőjű gömb felszíne nagyon kicsi, a hőveszteség rendkívül lassú.

### Mi a különbség a pulzár és a magnetár között?

A pulzár energiáját elsősorban forgásából nyeri, periodikus jeleit pedig a világítótoronyhatás hozza létre. Mágneses tere erős, de a neutroncsillagok között szokványosnak számít. A magnetárt közvetlenül rendkívül erős mágneses terének leépülése táplálja; ez a tér százszor vagy ezerszer erősebb lehet egy átlagos pulzárénál. Egyes magnetárok ugyanakkor pulzárként is működhetnek.