При досить високій щільності рівновагу зірки починає порушуватися процесом нейтронізаціі зоряної речовини. Як відомо, при b - розпаді ядра частина енергії несеться електроном, а інша частина - нейтрино. Ця сумарна енергія визначає верхню енергію b - розпаду. У тому випадку, коли енергія Фермі перевищує верхню енергію b - розпаду, то стає досить імовірним процес, зворотний b - -распаду: ядро поглинає електрон (електронний захоплення). В результаті послідовності таких процесів концентрація електронів в зірці зменшується, при цьому зменшується і тиск виродженого електронного газу, що підтримує зірку в рівновазі. Це веде до подальшого гравітаційного стиску зірки, а з ним і до подальшого підвищення середньої і максимальної енергії виродженого електронного газу - ймовірність захоплення електронів ядрами зростає. Зрештою, нейтронів може накопичитися так багато, що зірка буде складатися переважно з нейтронів. Такі зірки називаються нейтронними. Нейтронна зірка не може складатися з одних нейтронів, так як необхідний тиск електронного газу, щоб запобігти перетворенню нейтронів в протони. У нейтронної зірки є невелика домішка (близько 1¸2%) електронів і протонів. Завдяки тому, що нейтрони не відчувають кулонівського відштовхування, середня щільність речовини всередині нейтронної зірки дуже висока - приблизно така ж, як в атомних ядрах. При такій щільності радіус нейтронної зірки з масою порядку сонячної приблизно дорівнює 10 км. Теоретичні розрахунки на моделях показують, що верхня межа маси нейтронної зірки визначається оціночної формулою Мпр »(2-3) МQ.
Розрахунки показують, що під час вибуху наднової з M
25MQ залишається щільне нейтронне ядро (нейтронна зірка) з масою
1.6MQ. У зірках із залишковою масою M> 1.4MQ. які не досягли стадії наднової, тиск виродженого електронного газу також не в змозі зрівноважити гравітаційні сили і зірка стискається до стану ядерної щільності. Механізм цього гравітаційного колапсу той же, що і при вибуху наднової. Тиск і температура всередині зірки досягають таких значень, при яких електрони і протони як би "вдавлюються" один в одного і в результаті реакції (p + e - ®n + ne) після викиду нейтрино утворюються нейтрони, що займають набагато менший фазовий об'єм, ніж електрони . Виникає так звана нейтронна зірка, щільність якої досягає 10 14 - 10 15 г / см 3. Характерний розмір нейтронної зірки 10 - 15 км. У певному сенсі нейтронна зірка є гігантською атомне ядро. Подальшому гравітаційного стиску перешкоджає тиск ядерної матерії, що виникає за рахунок взаємодії нейтронів. Це також тиск виродження, як раніше в разі білого карлика, але - тиск виродження істотно більш щільного нейтронного газу. Це тиск в змозі утримувати маси аж до 3.2MQ
Нейтрино, що утворюються в момент колапсу, досить швидко охолоджують нейтронну зірку. Згідно з теоретичними оцінками температура її падає з 10 11 до 10 9 K за час
100 с. Далі темп охолодження дещо зменшується. Однак він досить високий за астрономічними масштабами. Зменшення температури з 10 9 до 10 8 K відбувається за 100 років і до 10 6 K - за мільйон років. Виявити нейтронні зірки оптичними методами досить складно через малий розмір і низької температури.
У 1967 р в Кембриджському університеті Хьюіш і Белл відкрили космічні джерела періодичного електромагнітного випромінювання - пульсари. Періоди повторення імпульсів більшості пульсарів лежать в інтервалі від 3,3 · 10 -2 до 4.3 с. Відповідно до сучасних уявлень, пульсари - це обертаються нейтронні зірки, що мають масу 1 - 3MQ і діаметр 10 - 20 км. Тільки компактні об'єкти, що мають властивості нейтронних зірок, можуть зберігати свою форму, не руйнуючись при таких швидкостях обертання. Збереження кутового моменту і магнітного поля при утворенні нейтронної зірки призводить до народження швидко обертаються пульсарів з сильним магнітним полем Вмагн
Вважається, що нейтронна зірка має магнітне поле, вісь якого не збігається з віссю обертання зірки. В цьому випадку випромінювання зірки (радіохвилі і видиме світло) ковзає по Землі як промені маяка. Коли промінь перетинає Землю, реєструється імпульс. Саме випромінювання нейтронної зірки виникає за рахунок того, що заряджені частинки з поверхні зірки рухаються зовні по силових лініях магнітного поля, випускаючи електромагнітні хвилі. Ця модель механізму радіовипромінювання пульсара, вперше запропонована Голдом, показана на рис. 9.6.
Якщо пучок випромінювання потрапляє на земного спостерігача, то радіотелескоп фіксує короткі імпульси радіовипромінювання з періодом, рівним періоду обертання нейтронної зірки. Форма імпульсу може бути дуже складною, що обумовлено геометрією магнітосфери нейтронної зірки і є характерною для кожного пульсара. Періоди обертання пульсарів строго постійні і точності вимірювання цих періодів доходять до 14-значної цифри.
В даний час виявлено пульсари, що входять в подвійні системи. Якщо пульсар обертається по орбіті навколо другого компонента, то повинні спостерігатися варіації періоду пульсара внаслідок ефекту Доплера. Коли пульсар наближається до спостерігача, реєстрований період радиоимпульсов через допплерівського ефекту зменшується, а коли пульсар віддаляється від нас, його період збільшується. На основі цього явища і були виявлені пульсари, що входять до складу подвійних зірок. Для вперше виявленого пульсара PSR 1913 + 16, що входить до складу подвійної системи, орбітальний період обертання склав 7 годині 45 хв. Власний період обертання пульсара PSR 1913 + 16 дорівнює 59 мс.
Випромінювання пульсара повинно призводити до зменшення швидкості обертання нейтронної зірки. Такий ефект також був виявлений. Нейтронна зірка, що входить до складу подвійної системи, може бути і джерелом інтенсивного рентгенівського випромінювання. Структура нейтронної зірки масою 1.4MQ і радіусом 16 км показана на рис. 9.7.
I - тонкий зовнішній шар з щільно упакованих атомів. В областях II і III ядра розташовані у вигляді об'ємно-центрованої кубічної решітки. Область IV складається в основному з нейтронів. В області V речовина може складатися з півоній і гіперонів, утворюючи адронную серцевину нейтронної зірки. Окремі деталі будови нейтронної зірки в даний час уточнюються.