磁星的物理本質(zhì)與活動性——各向異性中子超流體3P2中子

1、磁星的物理本質(zhì)磁星的物理本質(zhì)與活動性與活動性各向異性中子超流體各向異性中子超流體3P2中子中子Cooper對對的的Pauli順磁磁化現(xiàn)象順磁磁化現(xiàn)象 彭秋和彭秋和( (南京大學(xué)天文系南京大學(xué)天文系) )磁星磁星-奇特的天文現(xiàn)象奇特的天文現(xiàn)象觀測證據(jù)觀測證據(jù): :脈沖星磁場測定脈沖星磁場測定 自轉(zhuǎn)周期很長自轉(zhuǎn)周期很長: : 周期增長率很高周期增長率很高: : 在在10 keV10 keV處觀測到處觀測到x-rayx-ray發(fā)射譜線發(fā)射譜線, ,被認(rèn)為是在電子被認(rèn)為是在電子( (或質(zhì)子或質(zhì)子) )在超強磁在超強磁 場下的場下的LandauLandau能級躍遷譜線能級躍遷譜線探測到能量為探測到能量為

2、10104444 ergs ergs的的x-rayx-ray巨型耀斑衰減的尾巴。巨型耀斑衰減的尾巴。磁星是一類中子星磁星是一類中子星, ,它它( (衰變衰變) )的超強磁場作為它強大的超強磁場作為它強大x-rayx-ray或或-ray輻射以及粒子發(fā)射的源泉。輻射以及粒子發(fā)射的源泉。兩類磁星兩類磁星: :1)1)反常反常x- -脈沖星脈沖星( (Anormalous X-ray Pulsars - AXPs) )2)2)軟軟重復(fù)暴重復(fù)暴( (Soft Gamma Repeaters - SGRs)12110Pss 5 12Ps,12160.32pBPPGauss我們研究探討的問題我們研究探討的問

3、題欲探討的欲探討的問題問題: :磁星磁星(10(101414-10-101515 gauss) gauss)的物理本質(zhì)的物理本質(zhì)? ?磁星的活動性磁星的活動性: : 3436(1010 )/secxLerg難以利用脈沖星自轉(zhuǎn)能的損失率來解釋。難以利用脈沖星自轉(zhuǎn)能的損失率來解釋。而且磁星的表面溫度而且磁星的表面溫度107 K, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通常中子星的表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通常中子星的表面溫度 (105-106 K)磁星超強磁場的物理本質(zhì)磁星超強磁場的物理本質(zhì)? ?己經(jīng)提出的模型己經(jīng)提出的模型: :Ferrario & Wickrammasinghe(2005)suggest that the extra

4、-strong magnetic field of the magnetars is descended from their stellar progenitor with high magnetic field core. Duncan & Thompson (1992, 1993): -dynamo with initial spin period less than 3msIwazaki(2005)proposed the huge magnetic field of the magnetars is some color ferromagnetism of quark matter.

5、 Vink & Kuiper (2006) suggest that the magnetars originate from rapid ratating proto-neutron stars. 我們探討我們探討3 3P P2 2 中子超流體的誘導(dǎo)磁矩產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場。中子超流體的誘導(dǎo)磁矩產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場。我們計算發(fā)現(xiàn)我們計算發(fā)現(xiàn): :磁星超強磁場來自在原有本底磁星超強磁場來自在原有本底( (包括電子包括電子Pauli順磁磁化順磁磁化) )磁場下，磁場下，各向異性中子超流體各向異性中子超流體3 3P P2 2中子中子Cooper對的對的Pauli磁化現(xiàn)象磁化現(xiàn)象( (磁疇磁疇) ) 。中子反常

6、磁矩中子反常磁矩:gaussergn/10966. 023中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu): 中子超流渦旋運動中子超流渦旋運動核心核心(1km)3P2 (5-8)% 質(zhì)子質(zhì)子 ( II 型超導(dǎo)體型超導(dǎo)體?) (正常正常)電子電子Fermi氣體氣體 = (g/cm3)10141011107內(nèi)殼內(nèi)殼超富中子超富中子核、晶體、核、晶體、自由電子自由電子 外殼外殼(重金屬晶體重金屬晶體)夸克物質(zhì)夸克物質(zhì) ?510141041S0 與與 3PF2 中子超流體中子超流體1S0中子超流渦旋中子超流渦旋1S0 中子中子Cooper 對對: 自旋自旋= 0, 各向同性各向同性(1S0) 0, 1011 (g/cm3

7、) 1.41014 (1S0)2MeV 71012 (g/cm3) 510133P2中子超流渦旋中子超流渦旋3P2中子中子Cooper 對對: 自旋自旋=1, 各向異性各向異性, (反常反常)磁矩磁矩 10-23 c.g.s.) n(3P2) n(3P2) max 0.05MeV (3.3 1014 (g/cm3) 2, , 這種由各向異性這種由各向異性( (3 3P P2 2) )超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場遠(yuǎn)低于中子星的本底磁場超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場遠(yuǎn)低于中子星的本底磁場( (主要由相對論主要由相對論性簡并電子氣體的性簡并電子氣體的PauliPauli順磁性產(chǎn)生的強磁場。但是，隨著中子星順磁性產(chǎn)

8、生的強磁場。但是，隨著中子星內(nèi)部冷卻，溫度下降，由各向異性內(nèi)部冷卻，溫度下降，由各向異性( (3 3P P2 2) )超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場將超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場將逐漸增加。逐漸增加。當(dāng)溫度下降到遠(yuǎn)低于當(dāng)溫度下降到遠(yuǎn)低于)0()(BBBin)0(17)() 19 . 1(BTBin71/(1.9 )2T這種這種誘導(dǎo)磁場將會超過原初本底磁場。形成磁疇誘導(dǎo)磁場將會超過原初本底磁場。形成磁疇(鐵磁體鐵磁體)(B 107 K ) 從順磁磁化從順磁磁化( (paramagnetism) )到到磁疇磁疇( (鐵磁性鐵磁性 ferromagnetism) )相變相變A)高溫、低磁場情形高溫、低磁場情形nB

9、kT (B 107 K )( )bf x(071.40 ()xbbT ()maxininBbB(0)(0)()maxinBbB()max(/)innBBfB kT( )4 /31f xxx)0()(BBBin令令(0)0b7210cTK 從順磁磁化體向鐵磁體從順磁磁化體向鐵磁體( (磁疇磁疇) )的相變的相變, , 相變溫度可由令相變溫度可由令中子星磁場的上限中子星磁場的上限物理圖象物理圖象: : 當(dāng)溫度當(dāng)溫度T0 的極限情形下的極限情形下, , 3P2中子超流體所有中子超流體所有3P2Cooper對的磁矩全部都順著外磁場方向排列，這時對的磁矩全部都順著外磁場方向排列，這時3 3P P2 2中

10、子超流體的總誘中子超流體的總誘導(dǎo)磁矩的上限為導(dǎo)磁矩的上限為3()33322max22()()()1.0 10 ( . . .)0.1totAnSunmPPqN mPc g sm由它產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場的上限為由它產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場的上限為B(in)max()14max2.02 10inBgauss(/)10fB kTwhenT因為因為Bin- T 曲線曲線(取取=1)(未考慮相互作用未考慮相互作用)物理圖象物理圖象絕大多數(shù)絕大多數(shù)3P2中子中子Cooper對的磁矩投影指向都是混亂的對的磁矩投影指向都是混亂的, ,順著磁場方順著磁場方向排列的向排列的3P2中子中子Cooper對的數(shù)量略微多于逆對的數(shù)量略微

11、多于逆磁場方向排列的磁場方向排列的3P2中中子子Cooper對的數(shù)量對的數(shù)量( (數(shù)量差為數(shù)量差為N1) ) 。正是這微弱的相差，造成了。正是這微弱的相差，造成了3P2 中子超流體的中子超流體的各向異性與誘導(dǎo)磁矩。各向異性與誘導(dǎo)磁矩。即即磁磁星的星的超超強磁場是由強磁場是由3P2 中子超流體中，偏離中子超流體中，偏離ESPESP狀態(tài)的狀態(tài)的( (數(shù)量約占千分之一數(shù)量約占千分之一) ) 3P2中子中子Cooper對的誘導(dǎo)磁矩造成的對的誘導(dǎo)磁矩造成的( (3P2中子中子Cooper對的中子總數(shù)只占對的中子總數(shù)只占3P2 中子超流體內(nèi)中子總數(shù)的中子超流體內(nèi)中子總數(shù)的8.7%)。中子星磁場的變化中子星

12、磁場的變化當(dāng)中子星內(nèi)部冷卻到當(dāng)中子星內(nèi)部冷卻到3 3P P2 2超流體的相變溫度超流體的相變溫度T=2.8108K以后以后, ,發(fā)生發(fā)生相變相變: :正常正常Fermi狀態(tài)狀態(tài) 3P2 中子超流狀態(tài)。中子超流狀態(tài)。 這時中子星磁場會發(fā)這時中子星磁場會發(fā)生變化生變化, , 這是由于中子這是由于中子3P2 Copper對的磁矩在外磁場作用下會逐漸對的磁矩在外磁場作用下會逐漸轉(zhuǎn)向順著外磁場方向排列。在溫度較高的條件下，絕大多數(shù)中子轉(zhuǎn)向順著外磁場方向排列。在溫度較高的條件下，絕大多數(shù)中子3P2Copper對的磁矩方向排列是混亂的。只有極少數(shù)中子對的磁矩方向排列是混亂的。只有極少數(shù)中子3P2 Coppe

13、r對的磁矩順著外磁場方向排列。但是，隨著在中子星冷卻的過程，對的磁矩順著外磁場方向排列。但是，隨著在中子星冷卻的過程，它內(nèi)部的溫度下降，順著外磁場方向排列的中子它內(nèi)部的溫度下降，順著外磁場方向排列的中子3P2 Copper對數(shù)量對數(shù)量迅速迅速( (指數(shù)指數(shù)) )增長。當(dāng)溫度下降到增長。當(dāng)溫度下降到T7 100 100 . .( pz pF )總的能級占有狀態(tài)數(shù)總的能級占有狀態(tài)數(shù)4(1)7(,)10 (/)0,0ezcrcrBBg pB BTBkTmax30(, , )04(,)(,0)(, ,)(,)(,0,)FzpetotalzzzcrnpBezzncrzBBNg ppp np dpBkTh

14、BP p nBg pBkTP p n近似估計近似估計Landau quantization n=0n=1n=4n=3 n=2n=5n=6pzp在低溫、超強磁場下在低溫、超強磁場下( (單位體積內(nèi)單位體積內(nèi)) )電子氣體的微觀狀態(tài)數(shù)電子氣體的微觀狀態(tài)數(shù)pp222( , ,)(21)2/eepB nnm cBc 估算估算222222(1)( )4/20.261(/ )eecrpppnpnm cB cBMeV cB( (與量子數(shù)與量子數(shù)n n無關(guān)無關(guān)) )由由62( )340.261(1.6 10 )(,)()zetotalFzcrcrBBBNEg phcBBkTPrinciple of Pauli

15、s incompatibilityPauli 不相容原理不相容原理:The total number states ( per unite volume) occupied by the electrons in the complete degenerate electron gas should be equal to the number density of the electrons. totalAeNN Y沿著磁場方向的沿著磁場方向的Fermi能量能量62( )340.261(1.6 10 )(,)()zeFzAecrcrBBBEg pN YBBkThc( )611275.02 1

16、0( (,) ()()()0.055 10 ()()()0.05zeeFzcrnuccrenuccrBYBBEg pMeVBkTBYBTMeVBBasic ideaWhen the energy of the electron near the Fermi surface is rather high (EF600 MeV)eepnEnergy of the resulting neutrons will be rather high and they will react with the neutrons in the 3P2 Cooper pairs and will destroy t

17、hese 3P2 Cooper pairs . It will cause the isotropic superfluid disappear and then the magnetic field induced by the 3P2 Cooper pairs will be also disappear. Induced magnetic moment disappears The energy of a 3P2 Cooper pair of neutrons will be released as thermal energy when the magnetic moment disa

18、ppear.815151010nBB ergB keVEnergy range: (X-ray soft -ray )The x-ray (or soft -ray ) may be observed directly, because The thermal photons will not be absorbed by most electrons andprotons in the deep of their Fermi sea .Total released energyx-ray Luminosity of AXPs:()32323328215347215()()0.0876.02

19、102 1010()0.1()10()0.1totASunSunEqN mPmPBergsmmPBergsm 34361010/secxLergsIt will be maintained 105 -106 yrPhase OscillationAfterwards, enpeRevive to the previous state just before formation of the 3P2 neutron superfluid. Phase Oscillation . Questions?1.Detail process: The rate of the processeepnTime scale ? 2. What is the real maximum magnetic field of the magnetars? 3. How long is the period of oscillation above?4. How to compare with obser