Эволюция и строение звезд

ГОУ Центр образования  №548 "Царицыно"

Вербный Иван Сергеевич

Реферат по АСТРОНОМИИ

Тема реферата: «Эволюция и строение звезд»

Учитель: Закурдаева С.Ю.

г. Рыбница, 2013г.

Оглавление

1. Введение
2. Глава 1
3. Глава 2
4. Глава 3
5. Заключение

Введение.

Когда мы смотрим  на небо, нам кажется, что звезды вечны. Что они не подвержены каким-либо изменениям и всегда будут такими, какими мы их видим. Однако, как и  всё, что нас окружает, как и сам человек, звёзды рождаются, эволюционируют и умирают. Не так давно астрономы считали, что на образование звезды из межзвёздных газа и пыли требуются миллионы лет. Но в пятидесятых годах 20-го века были получены поразительные фотографии области неба, входящей в состав Большой Туманности Ориона, где в течение нескольких лет появилось небольшое скопление звёзд. На снимках 1947 года в этом месте была видна группа из трёх звездоподобных объектов. К 1954 году некоторые из них стали продолговатыми, а к 1959 году эти продолговатые образования распались на отдельные звёзды. Этот беспрецедентный случай показал астрономам, что звёзды могут рождаться за короткий интервал времени и казавшиеся ранее странными рассуждения о том, что звёзды обычно возникают в группах или звёздных скоплениях, оказались справедливыми (http://www.astro.websib.ru/astro). Таким образом, впервые в истории человечества люди наблюдали рождение звёзд буквально на глазах. Этот факт поразил меня, и мне захотелось больше узнать о том, как рождаются и умирают звезды. В данном реферате я бы хотел раскрыть тему рождения звезд и их дальнейшего развития.

Целью данной работы является описание механизма зарождения звезд, их эволюционного пути и конечной стадии существования, проследить свойственные каждому из этих этапов важнейшие характеристики.

Реферат состоит из введения, трех основных глав и заключения. Глава 1 посвящена рождению звезд, во 2-й главе речь пойдет об их дальнейшем развитии, в 3-й главе описана заключительная стадия существования звезд. В заключении сформулированы основные выводы данной работы.

«Если задать наивный  детский вопрос, какие из космических  объектов во Вселенной «самые главные», я, не колеблясь, отвечу: звёзды. Почему? Ну, хотя бы потому, что 97 % вещества в  нашей Галактике сосредоточено  в звёздах.  У многих, если не у  большинства, других Галактик «звёздная субстанция» составляет больше чем 99,9% их массы».

Иосиф Самуилович Шкловский

Глава 1.

В начале XX века немецкий астроном Гартман доказал,  что пространство между звездами представляет собой отнюдь не мифическую пустоту. Оно заполнено газом, правда, с очень малой, но вполне определенной плотностью. Химический состав межзвездного газа в первом приближении оказался довольно близким к химическому составу атмосфер Солнца и звезд. Преобладающими элементами являются водород и гелий, между тем как остальные элементы можно рассматривать как примеси.

К концу XX века (1983 год) наиболее полное исследование химического состава сравнительно близких к нам облаков межзвездного газа было выполнено на американском специализированном астрономическом спутнике, носящем название «Коперник».  Исследования межзвездной среды показали, что химический состав  облаков различен. Например, обилие магния, марганца и хлора по отношению к водороду в облаках межзвездной среды в 4-10 раз меньше, чем в солнечной атмосфере.

Помимо газа в межзвездной среде присутствует еще одна составная часть - межзвездная  пыль. Межзвездная пыль - твердые  микроскопические частицы вещества размерами меньше микрона. Эти пылинки  имеют сложный химический состав (графит, силикаты, загрязненные льдинки и пр.). Установлено, что пылинки имеют довольно вытянутую форму и в какой-то степени ориентируются, т.е. направления их вытянутости имеют тенденцию выстраиваться в данном облаке более или менее параллельно. По этой причине проходящий через тонкую среду звездный свет становится частично поляризованным, причем степень поляризации  достигает 1 - 2 %. Причиной, вызывающей ориентацию пылинок, является наличие в межзвездном пространстве очень слабых магнитных полей.

Температура межзвездной среды, определяемая по плотности заполняющего ее излучения, исключительно низка - порядка нескольких кельвинов. Именно такую температуру должны иметь поверхности твердых пылинок, находящиеся в межзвездном пространстве в тепловом равновесии с окружающим их полем разжиженного излучения: ведь такие пылинки должны поглощать ровно столько же, сколько они излучают.

Области межзвездного  газа, расположенные  в  сравнительной  близости от  горячих звезд-гигантов, полностью ионизованы. Однако в большей части межзвездной среды водород будет не ионизован. Горячие звезды способны ионизовать водород вокруг себя только до определенного расстояния, зависящего как от мощности ультрафиолетового излучения звезды, так и от плотности межзвездной среды. Таким образом, ионизация межзвездной среды выглядит весьма своеобразно: вокруг горячих звезд имеются замкнутые полости, где водород ионизован, в то время как между полостями водород нейтрален. Области межзвездной среды, где водород ионизован, называются зоны Н II, а области нейтрального водорода зоны Н I.

Кинетическая  температура в зонах Н I находится  в пределах 100 К, причем местами она  опускается до немногих десятков градусов. Низкая температура зон Н I объясняется  отсутствием там процессов фотоионизации  водорода. Нагрев газа осуществляется главным образом благодаря его ионизации «мягкими» космическими лучами и рентгеновскими квантами. В зонах Н II, в результате фотоионизации в газе появляется значительное количество довольно энергичных фотоэлектронов, которые, сталкиваясь с атомами и ионами, передают им свою энергию, то есть «греют» их. Кинетическая температура в зонах Н II составляет порядка 7000-10000 К.

Таким образом, межзвездный газ находится в  состоянии тепловой неустойчивости: первоначально однородный, он неизбежно  должен разделиться на две фазы: сравнительно плотные облака и окружающую их весьма разреженную среду. Тепловая неустойчивость межзвездного газа является, таким образом, одной из важнейших причин его клочковатой, облачной структуры. Такая структура хорошо наблюдается на волне 21 см. Размеры, плотность и скорость облаков нейтрального водорода сходны с облаками ионизованного водорода в зонах H II. Следовательно, природа облачной структуры как в областях межзвездной среды, где водород нейтрален, так и областях ионизованного водорода должна быть одинаковой.

В межзвездной  среде плотность распределения  газа весьма неоднородна. Оказывается, что в облаках межзвездного газа средняя плотность  около 10 ионизованных атомов водорода на кубический сантиметр. Отдельные, очень плотные облака имеют концентрацию атомов порядка нескольких тысяч на кубический сантиметр и больше. Такие плотные облака наблюдаются как очень яркие туманности. Концентрация атомов в межзвездном пространстве между облаками, по крайней мере, в сотню раз меньше, чем в облаках. Концентрации атомов в облаках межзвездного газа, где водород не ионизован (зоны Н I), составляет порядка нескольких сотен на кубический сантиметр.

Наряду с  отдельными облаками как ионизованного, так и не ионизованного газа в  Галактике наблюдаются значительно большие по своим размерам, массе и плотности агрегаты холодного межзвездного вещества, получившие название газово-пылевых комплексов. Ключом к пониманию происхождения массивных газово-пылевых комплексов являются некоторые свойства межзвездного магнитного поля. Направление магнитных силовых линий в основном параллельно плоскости галактического экватора. Так как облака межзвездной среды более или менее сильно ионизованы и поэтому представляют собой проводящую среду, они не могут двигаться поперек силовых линий -  это сразу же искривило бы силовые линии и вызвало силу, направленную против движения. Следовательно, облака сравнительно быстро были бы остановлены. Поэтому они могут двигаться только по силовым линиям магнитного поля, как бы скользя вдоль них. Теперь представим себе, что по какой-то причине, может быть даже случайно, в системе «горизонтально» простирающихся силовых линий образовалась небольшая «впадина», «ложбина». Тогда под действием силы тяжести облака будут «соскальзывать» в такую «ложбину». От этого масса газа во впадине увеличится и под влиянием его тяжести «ложбина» будет прогибаться еще сильнее. Ее «склоны» станут круче, и скорость втекания облаков межзвездного газа увеличится. В результате такого своеобразного характера неустойчивости межзвездной намагниченной плазмы  в системе межзвездных силовых линий образуются глубокие «ямы», наполненные довольно плотным газом. Это и есть газово-пылевой комплекс.

При определенной массе, температуре и радиусе  газово-пылевой комплекс под действием собственной гравитации начнет сжиматься. В таких комплексах образуется слой холодного газа, так как ионизующее межзвездный углерод ультрафиолетовое излучение звезд сильно поглощается находящейся в плотном комплексе космической пылью, а нейтральные атомы углерода сильно охлаждают межзвездный газ и «термостатируют» его при очень низкой температуре - порядка 5-10 кельвинов. Так как в холодном слое давление газа равно внешнему давлению окружающего более нагретого газа, то плотность в этом слое значительно выше и достигает нескольких тысяч атомов Н и молекул Н₂ на кубический сантиметр. Под влиянием собственной гравитации холодный слой, после того как он достигнет толщины около одного парсека, начнет «фрагментировать» на отдельные, еще более плотные сгустки, которые под воздействием собственной гравитации будут продолжать сжиматься. Таким вполне естественным образом в межзвездной среде возникают ассоциации протозвезд. Каждая такая протозвезда эволюционирует со скоростью, зависящей от ее массы.

В первой фазе конденсации газово-пылевого облака в звезду, которая называется «стадией свободного падения», освобождается определенное количество гравитационной энергии. Половина освободившейся при этом энергии должна покинуть облако в виде инфракрасного излучения, а половина пойти на нагрев вещества.

Благодаря возросшей  плотности протозвезда (которая  до этого сжималась при более  или менее постоянной температуре) станет непрозрачной к собственному инфракрасному излучению. После  этого температура ее центральных  областей начнет быстро расти. Таким образом, возникает большая разность температур между наружными и внутренними слоями. По этой причине освобождающаяся при сжатии гравитационная энергия должна каким-то образом транспортироваться наружу.

Дальнейшая  эволюция протозвезды была теоретически рассчитана японским астрофизиком  Хаяши,  который первым обратил внимание на то, что транспорт энергии в сжимающейся протозвезде должен осуществляться путем конвекции. Конвекция развивается тогда, когда другие возможности переноса вырабатываемой в недрах звезд энергии ограничены. В самых наружных, фотосферных слоях протозвезды механическая энергия бурных конвективных движений, которыми охвачен весь ее объем, должна трансформироваться в энергию излучения, уходящую в мировое пространство.

В поверхностных  слоях протозвезды баланс между  притоком механической энергии конвекции  и излучением устанавливает температуру, близкую к температуре фотосфер красных гигантов, то есть приблизительно 3500 К. Температура на поверхности  охваченной конвекцией протозвезды на протяжении всей «стадии Хаяши» ее эволюции остается почти постоянной. Так как при этом ее радиус все время уменьшается (ибо она под влиянием собственной гравитации продолжает сжиматься), светимость протозвезды на этой стадии будет непрерывно уменьшаться. Максимальная светимость («вспышка») будет иметь место в течение сравнительно короткого времени, когда во всем объеме протозвезды установится конвекция.

После вспышки, сопутствующей окончанию установления конвекции во всем объеме протозвезды, последняя, как уже  говорилось, продолжает сжиматься, причем температура ее поверхности поддерживается на почти постоянном уровне. Поэтому светимость протозвезды будет убывать обратно пропорционально квадрату ее радиуса. В то же время температура ее недр непрерывно повышается. И вот наступает момент, когда температура там поднимается до нескольких миллионов градусов и «включаются» первые термоядерные реакции на легких элементах (литий, бериллий, бор) с низким «кулоновским барьером». Протозвезда при этом будет продолжать сжиматься, так как «продукция» термоядерной энергии все еще недостаточна для того, чтобы разогреть ее недра до такой температуры, при которой давление газа уравновесит силу гравитации. Только после того как продолжающийся рост температуры в недрах протозвезды сделает возможным протон-протонную или углеродно-азотную реакцию, давление газа наконец ее «стабилизирует». Протозвезда станет звездой и, в зависимости от своей массы, займет совершенно определенное место на диаграмме Герцшпрунга – Рессела (рис.1).

Рис. 1 Диаграмма Герцшпрунга — Рассела

Диаграмма Герцшпрунга  — Рассела показывает зависимость  между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом  и температурой поверхности звезды. Была предложена примерно в 1910 году независимо Эйнаром Герцшпрунгом (Дания) и Генри Расселом (США). Диаграмма используется для классификации звёзд и соответствует современным представлениям о звёздной эволюции.

Массивные звезды садятся на верхнюю часть этой последовательности, звезды со сравнительно небольшой массой (меньше солнечной) садятся на ее нижнюю часть.

Глава 2.

Звезды - это  огромные газовые шары. Весьма существенно, что такой газовый шар «цементируется»  силой всемирного тяготения, то есть гравитацией. На каждый элемент объема звезды действует сила гравитационного притяжения от всех остальных элементов звезды. Именно эта сила препятствует разлету различных частей газа, образующего звезду, в окружающее пространство. Если бы не было этой силы, газ, образующий звезду, вначале расплылся бы, образовав нечто вроде плотной туманности, а потом окончательно рассеялся бы в огромном, окружающем звезду межзвездном пространстве. Если бы не сила гравитационного притяжения, звезды рассеялись бы в окружающем пространстве за ничтожно малое (по астрономическим понятиям) время, исчисляемое сутками для звезд-карликов или годами для гигантов. Значит, без силы всемирного тяготения не было бы звезд. Действуя непрерывно, эта сила стремится сблизить между собой различные элементы звезды. Очень важно подчеркнуть, что сила гравитации по самой своей природе стремится неограниченно сблизить между собой все частицы звезды, то есть в пределе как бы собрать всю звезду в точку. Но если бы на частицы, образующие звезду, действовала только сила всемирного тяготения, то звезда стала бы катастрофически быстро сжиматься. Силой, противодействующей гравитации, является давление газа. Последнее непрерывно стремится расширить звезду, «рассеять» ее на возможно больший объем. Итак, из того простого факта, что звезды - газовые шары – в практически неизменном виде (то есть не сжимаясь и не расширяясь) существуют по меньшей мере миллионы лет, следует, что каждый элемент вещества звезды находится в равновесии под действием противоположно направленных сил гравитации и газового давления. Такое равновесие называется «гидростатическим». Гидростатическое равновесие в звездных атмосферах осуществляется с огромной точностью. Малейшее  его нарушение сразу же приводит к появлению сил, меняющих распределение вещества в звезде, после чего происходит такое его перераспределение, при котором равновесие восстанавливается.

Химический  состав наружных слоев звезд, откуда к нам непосредственно приходит их излучение, характеризуется полным преобладанием водорода. На втором месте находится гелий, а обилие остальных элементов сравнительно невелико. Приблизительно на каждые 10 000 атомов водорода приходится тысяча атомов гелия, около десяти атомов кислорода, немного меньше углерода и азота и всего лишь один атом железа. Количество остальных элементов совершенно ничтожно. Без преувеличения можно сказать, что наружные слои звезд – это гигантские водородно-гелиевые плазмы с небольшой примесью более тяжелых элементов.

Температура в  центральных областях звезд исключительно  велика - примерно в тысячу раз больше, чем на их поверхности. При температуре порядка десяти миллионов кельвинов и при плотностях, которые там существуют, все атомы должны быть ионизованы. Атомы химических элементов теряют свои электронные оболочки, вещество состоит только из атомных ядер и отдельных электронов. Поскольку поперечник атомного ядра в десятки тысяч раз меньше поперечника целого атома, то в объёме, вмещающем всего десяток целых атомов, могут свободно уместиться многие миллиарды атомных ядер и отдельных электронов. При этом расстояния между частицами вопреки высокой плотности будут всё ещё велики по сравнению с их размерами. Вот почему вещество, плотность которого в центре Солнца в 100 раз превышает плотность воды, — более плотное, чем любое твёрдое тело на Земле, — тем не менее, обладает всеми свойствами идеального газа.

Температура внутри звезды тем ниже, чем больше концентрация частиц в газе, т.е. чем меньше его  средняя молекулярная масса. Средняя  молекулярная масса газа, состоящего из атомов водорода, равна 1, из атомов гелия - 4, натрия - 23, железа - 56. В ионизованном газе число частиц увеличивается за счёт электронов, а общая масса вещества сохраняется неизменной. Поэтому молекулярная масса ионизованного водорода будет 1/2 (две частицы: протон и электрон), ионизованного гелия - 4/3 (так как при ионизации одного атома гелия с атомной массой 4 образуются три частицы - ядро гелия плюс два электрона), натрия - 23/12 = 1,92, железа - 56/27 = 2,07. Таким образом, в звёздном веществе все химические элементы, за исключением водорода и гелия, имеют среднюю молекулярную массу, равную примерно 2. Чем больше водорода и гелия по сравнению с более тяжёлыми элементами, тем ниже температура в центре звезды.

Вещество звездных недр представляет собой некоторую  смесь водорода, гелия и тяжелых  элементов. Относительное содержание этих основных компонент звездного  вещества (не по числу атомов, а по массе) обычно обозначается через буквы X, Y и Z, которые характеризуют химический состав звезды. У типичных звезд, более или менее сходных с Солнцем, X = 0,73, Y = 0,25, Z = 0,02. Отношение Y/X ≈ 0,3 означает, что на каждые 10 атомов водорода приходится приблизительно один атом гелия. Относительное количество тяжелых элементов весьма мало. Например, атомов кислорода примерно в тысячу раз меньше, чем водорода. Тем не менее, роль тяжелых элементов в структуре внутренних областей звезд довольно значительна, так как они сильно влияют на непрозрачность звездного вещества.

Хотя химический состав звезд в первом приближении  одинаков, все же имеются звезды, показывающие определенные особенности  в этом отношении. Например, есть звезды с аномально высоким содержанием углерода, или встречаются удивительные объекты с аномально высоким содержанием редких земель. Если у подавляющего большинства звезд обилие лития совершенно ничтожно (∼ 10⁻¹¹ от водорода), то изредка попадаются уникумы, где этот редкий элемент довольно обилен. Есть звезды, в спектрах которых обнаружены линии несуществующего на Земле в естественном состоянии элемента технеция. Этот элемент не имеет ни одного устойчивого изотопа. Самый долгоживущий изотоп живет всего лишь около 200 000 лет – срок по звездным масштабам совершенно ничтожный. Столь удивительная аномалия в химическом составе должна означать, что в наружных слоях этих во многом еще загадочных звезд происходят ядерные реакции, приводящие к образованию технеция. Наконец, известна звезда, в наружных слоях которой гелий представлен преимущественно в виде редчайшего на Земле изотопа ³Не.

Звезда, излучающая за счёт выделения ядерной энергии, медленно эволюционирует по мере изменения её химического состава. Наибольшее время звезда проводит на стадии, когда в её центральной области горит водород. Эта стадия называется главной последовательностью на диаграмме Герцшпрунга - Рессела. Большая часть наблюдаемых звёзд расположена вблизи главной последовательности. Большая длительность этой стадии связана, во-первых, с тем, что водород является самым калорийным ядерным топливом. При образовании одного ядра гелия (альфа-частицы) из 4 ядер водорода выделяется ≈26 МэВ, а при образовании углерода ¹²C из 3 альфа-частиц выделяется всего ≈7,3 МэВ, то есть выделение энергии на единицу массы в 10 раз меньше. Во-вторых, звёзды на главной последовательности значительно меньше излучают, чем на последующих стадиях эволюции, и в итоге оказывается, что время жизни на главной последовательности на два - три порядка больше, чем время всей последующей эволюции. Соответственно количество звёзд на главной последовательности существенно превышает число более ярких звёзд.

Глава 3.

После выгорания  водорода в центре звезды и образования  гелиевого ядра выделение ядерной  энергии в нём прекращается, и ядро начинает интенсивно сжиматься. Водород продолжает гореть в тонкой оболочке, окружающей гелиевое ядро. Оболочка при этом расширяется, светимость звезды растёт, поверхностная температура уменьшается, и звезда становится красным гигантом (в случае менее массивных звёзд) или сверхгигантом (красным или жёлтым) в случае более массивных звёзд. Процесс последующей эволюции определяется в основном массой звезды M.

В звёздах с  массой 0,8M_¤<М<8M_¤ ядерное горение заканчивается после образования углеродного (¹²C) с примесью кислорода (¹⁶О) звёздного ядра массой около 1 M_¤. После сброса всей оболочки, окружающей это ядро, оно превращается в "мёртвую" звезду – белый карлик. Масса белых карликов не слишком отличается от массы Солнца при радиусе, в сотню раз меньшем, чем у Солнца. Отсюда следует огромная средняя плотность вещества, доходящая до 10⁶-10⁷ г/см³ (то есть до десятка тонн, «запрессованных» в кубическом сантиметре!). Светимость белых карликов очень мала: в сотни и тысячи раз меньше солнечной.

Вещество недр белых карликов  это очень плотный  ионизованный газ, который отличается высокой прозрачностью и теплопроводностью. Однако из-за огромной плотности его  физические свойства резко отличаются от свойств идеального газа. По причине  очень высокой прозрачности и теплопроводности в веществе белого карлика не могут возникать большие перепады температуры. Почти весь перепад температуры, если двигаться от поверхности белого карлика к его центру, происходит в очень тонком, наружном слое вещества, который находится в невырожденном состоянии. В этом слое, толщина которого порядка 1% от радиуса, температура возрастает от нескольких тысяч кельвинов на поверхности примерно до десяти миллионов кельвинов, а затем вплоть до центра звезды почти не меняется.

Считается, что  источником энергии белых карликов могут быть водородные ядерные реакции, происходящие в очень тонком сферическом  слое на границе плотного вырожденного вещества их недр и атмосферы. Кроме  того, белые карлики могут поддерживать довольно высокую температуру своей поверхности путем обычной теплопроводности. Это означает, что не имеющие источников энергии белые карлики остывают, излучая за счет запасов своего тепла. А эти запасы весьма солидны. Так как движения электронов в веществе белых карликов обусловлены явлением вырождения, запас тепла в их недрах содержится в ядрах и ионизованных атомах. Согласно оценкам, за первые сотни миллионов лет светимость белого карлика падает на 1% от светимости Солнца. В конце концов, белый карлик должен исчезнуть и стать чёрным карликом, однако на это могут понадобиться триллионы лет, и, по мнению многих учёных, представляется весьма сомнительным, чтобы возраст Вселенной был достаточно велик для появления в ней чёрных карликов. Другие астрономы считают, что и в начальной фазе, когда белый карлик ещё довольно горяч, скорость охлаждения невелика. А когда температура его поверхности падает до величины порядка температуры Солнца, скорость охлаждения увеличивается и угасание происходит очень быстро. Когда недра белого карлика достаточно остынут, они затвердеют.

Массивные звёзды (М>10M_¤) проходят эволюционный путь горения вплоть до образования звёздного ядра из самого стабильного элемента ⁵⁶Fe. В таком ядре выделение ядерной энергии невозможно, рост давления не компенсирует рост сил тяготения при росте плотности, и медленное квазистатическое сжатие сменяется быстрым коллапсом - происходит потеря гидродинамической устойчивости и взрыв сверхновой звезды. При быстром сжатии до плотности радиуса, близкой к плотности вещества в атомном ядре, выделяется огромное количество гравитационной энергии – приблизительно в двадцать раз больше, чем за всё время ядерной эволюции, длящейся десятки миллионов лет.  Подавляющая часть этой энергии уносится нейтрино. После взрыва и сброса оболочки образуется остаток в виде нейтронной звезды – второй тип "мёртвых" звёзд.

Говоря о  нейтронных звёздах, следует учитывать, что их физические характеристики установлены  теоретически и весьма гипотетичны, так как физические условия, существующие в этих телах, не могут быть воспроизведены в лабораторных экспериментах. 

Решающее значение на свойства нейтронных звёзд оказывают  гравитационные силы. По различным  оценкам, диаметры нейтронных звёзд  составляют от 10 до 200 км. И этот незначительный по космическим понятиям объём «набит» таким количеством вещества, которое может составить небесное тело, подобное Солнцу, диаметром около 1,5 млн. км, а по массе почти в треть миллиона раз тяжелее Земли! Естественное следствие такой концентрации вещества - невероятно высокая плотность нейтронной звезды. Фактически она оказывается настолько плотной, что может быть даже твёрдой. Сила тяжести нейтронной звезды столь велика, что человек весил бы там, около миллиона тонн. Расчёты показывают, что нейтронные звёзды сильно намагничены. Согласно оценкам, магнитное поле нейтронной звезды может достигать 1млн. гаусс, тогда как на Земле оно составляет 1 гаусс. Радиус нейтронной звезды принимается порядка 15 км, а масса - около 0,6 - 0,7 массы Солнца. Наружный слой представляет собой магнитосферу, состоящую из разрежённой электронной и ядерной плазмы, которая пронизана мощным магнитным полем звезды. Именно здесь зарождаются радиосигналы, которые являются отличительным признаком пульсаров. Сверхбыстрые заряженные частицы, двигаясь по спиралям вдоль магнитных силовых линий, дают начало разного рода излучениям. В одних случаях возникает излучение в радиодиапазоне электромагнитного спектра, в иных - излучение на высоких частотах. Почти сразу же под магнитосферой плотность вещества достигает 1 т/см3, что в 100000 раз больше плотности железа.

Следующий за наружным слой имеет характеристики металла. Этот слой «сверхтвёрдого» вещества, находящегося в кристаллической  форме. Кристаллы состоят из ядер атомов с атомной массой 26 - 39 и 58 - 133. Эти кристаллы чрезвычайно малы: чтобы покрыть расстояние в 1 см, нужно выстроить в одну линию около 10 млрд. кристалликов. Плотность в этом слое более чем в 1 млн. раз выше, чем в наружном, или иначе, в 400 млрд. раз превышает плотность железа. Двигаясь дальше к центру звезды, мы пересекаем третий слой. Он включает в себя область тяжёлых ядер типа кадмия, он также богат нейтронами и электронами. Плотность третьего слоя в 1 000 раз больше, чем предыдущего.

Глубже проникая в нейтронную звезду, мы достигаем  четвёртого слоя, плотность при этом возрастает незначительно - примерно в пять раз. Тем не менее, при такой плотности ядра уже не могут поддерживать свою физическую целостность: они распадаются на нейтроны, протоны и электроны. Большая часть вещества пребывает в виде нейтронов. На каждый электрон и протон приходится по 8 нейтронов. Этот слой, по существу, можно рассматривать как нейтронную жидкость, «загрязнённую» электронами и протонами.

Ниже этого  слоя находится ядро нейтронной звезды. Здесь плотность примерно в 1,5 раза больше, чем в вышележащем слое. И, тем не менее, даже такое небольшое увеличение плотности приводит к тому, что частицы в ядре движутся много быстрее, чем в любом другом слое. Кинетическая энергия движения нейтронов, смешанных с небольшим количеством протонов и электронов, столь велика, что постоянно происходят неупругие столкновения частиц. В процессах столкновения рождаются все известные в ядерной физике частицы и резонансы, которых насчитывается более тысячи. По всей вероятности, присутствует большое число ещё не известных нам частиц.

Температуры нейтронных звёзд сравнительно высоки. Этого  и следует ожидать, если учесть, как  они возникают. За первые 10 - 100 тыс. лет  существования звезды температура  ядра уменьшается до нескольких сотен  миллионов градусов. Затем наступает новая фаза, когда температура ядра звезды медленно уменьшается вследствие испускания электромагнитного излучения.

Взрывы сверхновых звезд это движущая сила круговорота  материи. Они извергают «галактические фонтаны» - потоки газа, из которого формируются новые звезды. Вместе с оболочкой взрыв уносит в межзвёздную среду различные химические элементы, образовавшиеся в недрах звезды за время её жизни. Новое поколение звёзд, рождающихся из межзвёздного газа, будет содержать уже больше тяжёлых химических элементов.

В звёздах промежуточной  массы (М≈8M_¤) образуется вырожденное углеродно-кислородное ядро, масса которого столь велика, что оно уже не может существовать в виде белого карлика, а продолжает сжиматься до тех пор, пока рост температуры и плотности не приведёт к быстрому (взрывному) сгоранию углерода (углеродная вспышка) и полному разлёту всей звезды. Этот разлёт также наблюдается как взрыв сверхновой, на месте которого не остаётся никакого остатка.

Наконец для  самых массивных звёзд (М>(40-50)M_¤)  коллапс может не остановиться на стадии нейтронной звезды, а продолжиться дальше, образуя релятивистский объект – чёрную дыру. Никакое излучение фотонное, нейтринное или корпускулярное, из такой дыры уже не выходит. Единственное, что остается от этой звезды для внешнего мира, это ее гравитационное поле, определяемое массой.