天體物理學(xué)課件09中子星

NeutronStarin3C58第八章

中子星

1.射電脈沖星

(radiopulsars)(1)發(fā)現(xiàn)

1967年劍橋大學(xué)穆拉德射電天文臺(tái)研究生JocelynBell利用A.Hewish領(lǐng)導(dǎo)研制的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星PSR1919+21，脈沖周期P＝1.3373sec。1968年發(fā)現(xiàn)位于船帆座（VelaNebula）超新星遺跡中的脈沖星PSR0833-45和蟹狀星云（CrabNebula）中的脈沖星PSR0531+21，脈沖周期分別為89ms和33ms.CrabpulsaroffandonVelapulsar(2)主要特征數(shù)目超過2000顆。集中分布在銀道面附近。脈沖周期~1ms-10s,隨時(shí)間緩慢增長（周期導(dǎo)數(shù)~10-19-10-13

ss-1）。單個(gè)脈沖高度偏振→強(qiáng)磁場大部分為單星，約60顆位于雙星系統(tǒng)中。(3)脈沖的發(fā)現(xiàn)與解釋1971年發(fā)現(xiàn)的X射線脈沖星—雙星系統(tǒng)，可由多普勒效應(yīng)和它們間的掩食可以測得各子星的質(zhì)量約為一個(gè)太陽質(zhì)量。通過該星體的輻射中的回旋吸收線推出它具有1012G的強(qiáng)磁場。1976年發(fā)現(xiàn)的X射線爆發(fā)源，被認(rèn)為是起源于雙星系統(tǒng)中吸積至某種致密天體表層的物質(zhì)所產(chǎn)生的熱核反應(yīng)燃燒過程。該輻射譜可由黑體輻射所模擬，由所得溫度可推斷出該天體半徑為10千米。轉(zhuǎn)動(dòng)供能（rotation-powered）吸積供能（accretion）溫度較低的X射線源，射線爆發(fā)源。20世紀(jì)90年代末，發(fā)現(xiàn)一類特殊的X射線脈沖，沒有任何觀察跡象表明是來自于雙星系統(tǒng)中的一員，這一類天體被稱為反常X射線脈沖星。后來發(fā)與1979年發(fā)現(xiàn)的軟射線重復(fù)爆發(fā)源性質(zhì)相似。它們的共同特征：持續(xù)X射線的光度大大超過自轉(zhuǎn)能損率，且均未發(fā)現(xiàn)雙星特征。？供能軟射線重復(fù)爆：磁能？反常X射線脈沖星：磁能？致密中心天體：熱能？暗熱“中子”星：熱能？！2.

中子星的形成

中子的形成—URCA過程（逆β衰變）當(dāng)電子處于簡并態(tài)時(shí)，第二步反應(yīng)受到Pauli不相容原理的抑制。電子數(shù)減少→電子簡并壓降低→加速核心坍縮中子數(shù)增加→原子核結(jié)合能降低當(dāng)ρn=4×1011gcm-3,中子從原子核中滴出當(dāng)ρn=1014gcm-3,原子核瓦解，形成中子海洋

誕生溫度的估計(jì)（原中子星）：總能量（引力能）：Eg~GM2/R~1053ergFermi氣簡并能

：

平均重子數(shù)密度nB=M/(mu4R3/3)=2.861038cm-3 Fermi動(dòng)量，cpF=9.7510-17

nB-1/3=6.4210-4erg=400MeV Fermi氣簡并能Ed~

cpFM/mu~1053erg~Eg自轉(zhuǎn)動(dòng)能Er~I(2/P)2~1050erg<<Eg踢動(dòng)能Ek~MVk2~1047

Vk72

erg<<Eg。

熱能與簡并能同量：Eth~

Eg-Ed~

Eg~1053erg CVT~Eth

T~[cPF

mu

Eth/(k2M)]1/2~1012K~90MeV！

其中：CV~k

M/mu，

~kT/(EF-mc2)超新星爆發(fā)數(shù)值模擬：原中子星溫度(30~50)MeV冷卻機(jī)制：T>~109K：熱中微子發(fā)射，如：e++e-

+T<~109K：URCA過程

DURCA：np+e-+，p+e-

n+e MURCA：b+nb+p+e-+，b+p+e-

b+n+eDURCA發(fā)生的條件（運(yùn)動(dòng)學(xué)） 參與反應(yīng)粒子：Fermi面附近 能量守恒：自然滿足 動(dòng)量守恒：pF(n)=pF(p)+pF(e)

pF(p)+pF(e)>pF(n)

又：pF~n1/3，電中性np=ne

2np1/3>nn1/3。即：(np/nn)>1/8

如何計(jì)算質(zhì)量-半徑關(guān)系？作冷星處理，依狀態(tài)方程和流體靜力學(xué)平衡方程定星結(jié)構(gòu)模型理想流體Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程（考慮GR修正后）

計(jì)算過程：3.中子星的質(zhì)量-半徑關(guān)系質(zhì)量-半徑關(guān)系計(jì)算一例：極限質(zhì)量相近，~M⊙極限質(zhì)量時(shí)半徑~10km小質(zhì)量中子星：

M

R-3小質(zhì)量夸克星：

M

R3中子星Mmin~0.1M⊙夸克星Mmin~0觀測到SAXJ1808.4的

M-R關(guān)系不與NS吻合~10km,~M⊙中子星的質(zhì)量上限質(zhì)量－半徑關(guān)系：中子星的質(zhì)量越大，半徑越小。Oppenheimer極限質(zhì)量：～2-3M⊙4.結(jié)構(gòu)（由外向內(nèi)）大氣層熱X射線輻射于此外殼層

固體，富中子核內(nèi)殼層

超流中子釘扎過程：glitch?中子物質(zhì)區(qū)

超流n、超導(dǎo)p中子星的核

夸克物質(zhì)相？漸近自由夸克物質(zhì)Witten猜想：奇異夸克物質(zhì)是最穩(wěn)定的！由幾乎等量的自由u、d、s等夸克組成奇異（夸克）星：奇異夸克物質(zhì)組成星體粲星？（

>1017~1018

g/cm3）5.物理模型—傾斜自轉(zhuǎn)磁中子星確定致密天體性質(zhì)脈沖持續(xù)時(shí)間≤100ms→輻射源大小≤c×t≈31010×0.1≈3×109cm→白矮星或中子星脈沖的規(guī)則性→恒星整體運(yùn)動(dòng)

脈沖星自轉(zhuǎn)磁中子星脈沖周期=自轉(zhuǎn)周期←恒星坍縮時(shí)角動(dòng)量守恒輻射能源：中子星轉(zhuǎn)動(dòng)能能損率蟹狀星云脈沖星4.7×1038

ergs-1≥蟹狀星云輻射功率~1×1038

ergs-1

其輻射機(jī)制磁偶極輻射→磁場強(qiáng)度~108-10