VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Внеземные идеи в земном применении
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Моя тема выбрана по особенно, на мой взгляд, актуальной причине – жизнь людей в мегаполисах и промышленных городах. Я хочу поднять тему применения принципов действия космических объектов в медицинских целях: помощи людям, страдающим избытком железа в организме. За прочтением многих космических статей, я исследовал множество тем, но даже не задумывался, что приду к чему-то столь интересному. Я хочу предложить использовать свойства магнетара применять с пользой для окружающих.
Если использовать принцип, то возможно избежать очень многих болезней. Переизбыток железа так же вреден, как и его недостаток, только это никак не проявляется. Поэтому диагностику имеет смысл развивать. В более старших классах я собираюсь разрабатывать и развивать эту идею
Глава 1.
Нейтронные звезды
Изначально я изучал необычные космические тела. И мое внимание привлекла одна из разновидностей нейтронной звезды.
Что же такое в целом нейтронные звезды? Нейтронные звезды – это «мертвые звезды», которые рождаются от взрыва некогда массивных гигантов, которые больше нашего Солнца. После взрыва таких гигантов образуется либо черная дыра, либо нейтронная звезда (рис.1). То есть по сути, черную дыру тоже можно рассматривать как тип нейтронной звезды. По различным оценкам, если масса родительской звезды от 1,4 до 2,5 солнечных - должна получиться стабильная нейтронная звезда, масса от 2,5 до 3 солнечных - временно существующая нейтронная звезда превращается впоследствии в чёрную дыру, масса больше 3 солнечных - сразу получается чёрная дыра.
После такого взрыва внешние слои выбрасываются в космос, ядро остается, но без внешнего давления от вышележащих слоев, оно катастрофически сжимается. Умирающее небесное тело больше не может удерживать гравитацию. Сила настолько мощная, что протоны и электроны выталкиваются в пространство, образуя нейтроны. И что же мы имеем? Нейтроны! Сплошная масса нейтронов. В итоге от гиганта, который во много раз превышал размеры и массу нашего Солнца, остается плотный горячий объект, размером около 20 км, с тонкой атмосферой и гравитационным полем, в 100 млрд раз превышающим земное. Несмотря на свой малый диаметр — около 20 км, нейтронные звезды могут похвастаться в 1,5 раза большей массой нежели чем у нашего Солнца. Таким образом, они являются невероятно плотными. В нейтронной звезде можно выделить пять слоёв: атмосфера, внешняя кора, внутренняя кора, внешнее ядро и внутреннее ядро (см. рис.2)
Маленькая ложка вещества звезды на Земле будет весить около ста миллионов тонн. В ней протоны и электроны объединяются в нейтроны – этот процесс называется нейтронизацией.
Раньше выделяли только два типа нейтронных звезд: пульсары и двойные системы, в которых существует пульсар и звезда.
Пульсары (или радиопульсары) — это вращающиеся нейтронные звезды, радиоизлучение которых, движется, как вращающийся луч маяка. Они вращаются с огромной скоростью, порой достигающей несколько сотен оборотов в минуту. Уже к 1968 году были обнаружены пульсары с периодом вращения от 0,033 секунды до 2 секунд. А к 2014 году обнаружены пульсары, способные разгоняться до 43000 раз в минуту. Пульсар вырабатывает два стойких узких световых луча в противоположных направлениях. Эффект мерцания создается из-за того, что они вращаются (принцип маяка). В этот момент луч попадает на Землю, а затем снова поворачивается. Почему это происходит? Дело в том, что световой луч пульсара обычно не совмещается с его осью вращения. (рис.3). После непрерывного вращения пульсары теряют свою энергию и становятся нормальными нейтронными звездами.
А в 1990-х были найдены нейтронные звезды еще более необычного типа. Как и пульсары, они испускают периодические импульсы, но вращаются гораздо медленнее. Так что необходимую для излучения энергию им приходится получать из другого вида источника. И источник этот — магнетизм, так что такие звезды получили название магнетаров. Это нейтронные звезды с очень большими магнитными полями — с полями в тысячу раз больше, чем у обычных радиопульсаров. Теоретически существование магнетаров было предсказано еще в 1992 году, а первое свидетельство их реального существования получено в 1998 году при наблюдении мощной вспышки гамма- и рентгеновского излучения от источника SGR 1900+14 в созвездии Орла.
Существует несколько версий о связи пульсаров и магентаров. По одной из них, пульсары являются одной из ранних стадий жизни нейтронной звезды, а в последствии при потере скорости становятся магнетарами. По другой версии, считается, что пульсары и магнетары составляют два отдельных класса: нейтронная звезда может быть либо пульсаром, либо магнетаром. Есть и еще одна версия: что, возможно, магнетары — это лишь одна стадия жизненного цикла нейтронной звезды. Быть может, нейтронная звезда начинает свое существование как магнетар, но не начинает производить выбросы энергии (вспышки) до тех пор, пока не достигнет возраста нескольких сотен лет. Возможно, она ведет себя как магнетар, в течение нескольких тысяч лет, а затем «успокаивается» и становится пульсаром. К такому выводу пришел канадский астроном Фотис Гавриил (Fotis Gavriil), который со своими коллегами обнаружил нейтронную звезду, которая, к удивлению ученых, обладает характеристиками сразу обоих классов. Эта звезда — пульсар PSR J1846−0258 в созвездии Орла. Много лет считалось, что это обычный пульсар, за счет вращения вокруг своей оси испускающий 3 сигнала в секунду. Но когда они присмотрелись внимательнее, они отметили, что в том же году PSR J1846 произвела дополнительно 5 громадных выбросов энергии. Каждая из этих вспышек продолжалась менее секунды, высвобождая при этом энергию порядка десяти тысяч Солнц!
Ранее ученым не было известно, чтобы пульсары производили такие сильные выбросы энергии, зато магнетары производят их довольно часто. Таким образом, Фотис Гавриил и его группа обнаружили пульсар, который генерирует вспышки, идентичные тем, которые производятся магнетарами. «Мы наблюдаем превращение одного типа нейтронной звезды в другой, происходящее буквально на наших глазах. Это недостающее звено между пульсарами разных типов», — говорит астроном.
Магнетар очень интересен с точки зрения астрономии и астрофизики, но также я увидел, что его принцип можно использовать и в других областях.
Глава 2.
Магнетар
Магнетары являются малоизученным типом нейтронных звёзд по причине того, что немногие находятся достаточно близко к Земле. Магнетары в диаметре насчитывают около 20—30 км, однако массы большинства превышают массу Солнца. Их сильные магнитные поля исчезают по прошествии нескольких десятков тысяч лет, после чего их активность и излучение рентгеновских лучей прекращается. Согласно одному из предположений, в нашей галактике за всё время её существования могло сформироваться до 30 миллионов магнетаров. Магнетар имеет настолько большую плотность, что чайная ложка его вещества весила бы 300 миллионов тонн.
Из-за относительно небольшой величины магнетаров, а также их удаленности от Земли, наблюдать их при помощи обычных, любительских телескопов не представляется возможным. Для наблюдения магнетаров наиболее подходит метод инфракрасного или рентгеновского сканирования неба. При помощи специальных агрегатов ученые пытаются обнаружить магнетары в космическом пространстве. Благо из-за того, что они излучают интенсивное магнитное поле и радиацию, обнаружить их с помощью приборов представляется намного более простой задачей.
Еще одна уникальность магнетаров состоит в том, что они способны обладать землетрясением (встряски). Оно напоминает земное, но происходит на звезде. У магнетара есть внешняя корка, которая может треснуть, напоминая движение земных тектонических плит. Количество энергии, которое выбрасывается при обычной вспышке магнетара, длящейся несколько десятых секунды, сравнимо с количеством, которое Солнце излучает за целый год (рис.4). Наиболее сильное событие случилось с объектом SGR 1806-20, удаленным на 50000 световых лет. За 1/10 секунды одно из землетрясений создало больше энергии, чем Солнце за 100000 лет. И это не сверхновая, а всего лишь одна трещина на поверхности!
По состоянию на декабрь 2017 года было известно двенадцать магнетаров, и ещё четыре кандидата ожидали подтверждения.
Мощь наблюдаемого магнитного поля магнетаров просто ошеломляет! У Земли оно занимает 25 гауссов, а на поверхности мы испытываем лишь меньше 0.5 гауссов. У нейтронной звезды – триллион гауссов, но магнетары превосходят эту отметку в 1000 раз!
Некоторые отдаленные магнетары способны излучать настолько сильные вспышки гамма- и рентгеновского излучения, что, находясь за миллиарды километров от нашей планеты, могут навредить земным электроприборам.
Что бы случилось, если бы вы оказались рядом? Ну, в пределах 30 000 км магнетар своим мощным магнитным полем способен вытащить все железо из крови человека. А на расстоянии в 1000 км магнитное поле настолько сильное, что разорвало бы вас на атомном уровне. Дело в том, что сами атомы деформируются и больше не могут поддерживать вашу форму. Но вы бы так ничего и не поняли, потому что умерли от интенсивного излучения и смертоносных частиц объекта в магнитном поле.
К счастью для нас, эти действительно убийственные объекты расположены далеко и нет никакой вероятности, что они могут приблизиться.
Но все же эти удивительные свойства можно было бы использовать в других областях на пользу человеку, например, в медицине.
Глава 3.
Магнетар – как основа идеи лечения
Помимо астрономии я увлекаюсь анатомией, и знаком с некоторыми отклонениями, связанными с недостатком или избытком тех или иных веществ в организме человека. Например, есть такое заболевание – гемохроматоз. Это когда в крови содержится очень много железа, по сути гемоглобина. Он может быть, как наследственным заболеванием, так и ответ организма на недостаток кислорода, что особенно актуально для жителей больших мегаполисов либо промышленных городов.
Симптомы избытка железа сходны с признаками гепатита - желтушное окрашивание кожи, склер, а также неба и языка, зуд, увеличение печени. Кроме того, нарушается сердечный ритм, люди выглядят бледными, худеют. Больше всего железа накапливается в печени, поджелудочной железе, сердечной мышце, что в конечном итоге становится причиной изменения и самого органа: развивается гепатит, цирроз печени, сахарный диабет, заболевания суставов, нервной системы, сердечные патологии, вплоть до внезапной остановки сердца. Избыток железа осложняет ход болезней Паркинсона и Альцгеймера, может спровоцировать рак кишечника, печени, легких.
Избыток железа устранить даже сложнее, чем недостаток. Пожалуй только старый дедовский способ - кровопускание - позволяет добиться нужных результатов , поэтому такому человеку прямой путь в ближайший донорский пункт – сдавать кровь. Сперва два раза в неделю, потом – каждый месяц. В зависимости от уровня железа.
По статистике 1 из 330 человек имеет такое отклонение в разной степени тяжести. А ведь можно было бы помогать людям удалять излишки железа разработанными установками, которые по принципу действия магнетара, высасывали лишнее железо, без необходимости постоянно выпускать кровь.
А в условиях общего ухудшения экологической ситуации, повышается и риск увеличения числа людей, заболевающих данным заболеванием.
Принцип, которым теоретически мог бы действовать магнетар на человека на расстоянии около 30 000 км, когда он вытягивает железо из организма человека, можно было бы применить в случае переизбытка его в организме человека, не прибегая к кровопусканию. Стоит задуматься над разработкой такого прибора.
Заключение
Таким образом, в своей работе я постарался изложить, что же такое магнетар и как бы его принцип мог работать на благо здоровья человека. Эта нейтронная звезда не только завораживает, но и даёт надежду на новые идеи, возможно и улучшение медицины.
Список использованной литературы
Интернет-издание: N+1. www. nplus1.ru. Статья: Астрофизики уточнили предельную массу нейтронных звезд. Автор: Дмитрий Трунин. Дата публикации 17.01.2018г.
Книга: Астрофизика одиночных нейтронных звёзд: радиотихие нейтронные звёзды и магнитары. Автор: С. Б. Попов, М. Е. Прохоров. Год выпуска: 2002. Кол-во страниц: 74.
Книга: Чёрные дыры, белые карлики и нейтронные звёзды / Пер. с англ. под ред. Я. А. Смородинского. Автор: Шапиро С. Л., Тьюколски С. А. Год выпуска: 1985. — Т. 1—2. Кол-во страниц: 656.
Интернет-издание: Space Gid. www.spacegid.com. Статья: Магнетар. Автор: Максим Заболоцкий. Дата публикации 27.06.2015г.
Журнал. Naked science. Февраль 2018 года. Выпуск №34. Статья: Что такое магнетар? Автор: Михаил Ромкин.
Журнал «Вокруг света». Июль 2003 года. Статья: Нейтронные оригиналы. Автор: Николай Андреев.
Интернет-издание: Универсальная научно-популярная онлайн-энциклопедия «КРУГОСВЕТ». Статья: Нейтронная звезда. Создана на материалах книг: Книга 1: Нейтронные звезды и пульсары. М., Автор: Дайсон Ф., Тер Хаар Д. Год издания: 1973. Кол-во страниц: 192. Книга 2: Астрофизика нейтронных звезд. М., 1987. Автор: Липунов В.М. Год издания: 1987.Кол-во страниц: 296.
Интернет-издание: Вселенная сегодня. Что такое магнетар? Дата публикации:5.10.2018г.
Интернет-издание: Ассоциация ИД «ПостНаука». Статья: Великое объединение нейтронных звезд. Автор: Сергей Попов. Дата публикации: 27.01.2014г.
Книга: Нейтронные звезды и пульсары. Автор: Ф. Дайсон, Дирк тер Хаар. Год выпуска: 1973 г. Кол-во страниц: 192.
Книга: Физика нейтронных звезд. Автор: Гурген Саакян. Год издания: 1995 г. Кол-во страниц: 348.
Книга: Суперобъекты: Звезды размером с город. Автор: Сергей Попов. Год издания: 2016 г. Кол-во страниц: 238.
Приложения
Рис.1. Эволюция звезд
Рис.2. Строение нейтронной звезды
Рис.3. Принцип маяка пульсара
Рис.4. Разлом коры магнетара