超新星与中子星

中子星及其内部超导、超流(涡旋)状态效应彭秋和(南京大学天文系)1054超新星遗迹---蟹状星云(Crab)及其脉冲星(PSR0531)中子星的预言和脉冲星的发现•1932年,Chadwick发现中子•1932年,Landau预言中子星(卢瑟福回忆录)•1934年Baade&Zwicky正式提出中子星观念,并且作了天才的预言恒星死亡超新星爆发中子星超新星爆发高能宇宙线的产生1967年Bell(导师Hewish)意外地发现射电脉冲星1968年Gold指出:脉冲星就是高速旋转的中子星1983年毫秒脉冲星(基本上都是双星系统内)的发现射电脉冲•射电波段上发现•观测到的脉冲很复杂(由于地球运动影响,脉冲到达时间上出现频率色散)•各个单个脉冲彼此变化、不同。但多次射电脉冲平均后的脉冲轮廓非常稳定•脉冲周期非常稳定(10-12)周期(P)Interpulse(中介脉冲)~P/10pulse射电脉冲星正常射电脉冲星周期:十几毫秒到几秒。集中在：0.1s-1sCrab脉冲星(PSRB0531):P=0.0334sVela脉冲星(PSRB0833):P=0.0893s自转逐渐(稳定地)变慢(Spindown)原因:(主要原因)旋转的脉冲星辐射消耗转动能;或周围吸积的旋转物质同磁层相互作用,使脉冲星旋转角动量减少。•周期增长率典型值：•dP/dt~10-15ss-1•毫秒脉冲星(Millisecond)(在密近双星系统中或位于球状星团内物质密集区内)P~几毫秒它们不是年轻脉冲星,而是一种再生(或再加速,Recycle)脉冲星:通过吸积它周围旋转物质而使脉冲星本身转动加快—螺旋桨机制周期变率典型值：dP/dt~10-20ss-1脉冲星—中子星的推断•×星体脉动的白矮星(?)P1s;Crab脉冲星:P=0.0334s高速旋转中子星?GMm/R2mV2rot/R,Vrot=2R/P,(引力)(离心力)M=(4/3)R3(3)/(GP2),Pcrab~(1/30)s1.31011g/cm3(白矮星~106g/cm3)结论:脉冲星—高速旋转的中子星中子星(脉冲星)性质概要质量~(0.2-2.5)Msun•半径~(10-20)km•自转周期P~1.5ms–8s(己发现的范围)中子星大气层厚度~10cm•表面磁场:1010-1013Gauss(绝大多数脉冲星)•磁星(?)1014-1015Gauss•表面温度:105-106K—非脉冲(软)x射线热辐射•脉冲星同超新星遗迹成协(?)发现10个•脉冲星的空间运动速度:高速运动。大多数:V~(200–500)km/s;5个:V1000km/s通常恒星(包括产生中子星的前身星):20-50km/s脉冲星的磁层光速园柱面开放磁力线辐射束r=c/B封闭磁层中子星M=1.4MSunR=10kmB=108to1013Gauss年轻脉冲星的Glitch现象•脉冲周期平稳地增长背景上偶然地脉冲周期会突然变短(周期变化幅度为10-6-10-10),随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复过去的周期增长率。这种现象称为Glitch现象。VelaPRS和CrabPSR,3-4年出现一次。后来陆续发现更多的脉冲星出现微Glitch现象(周期变短幅度低于10-12)glitchPtGlitch:脉冲周期突然变短现象磁偶极模型(标准模型)•辐射功率•自转能减慢•磁场•特征年龄dtdEWrotem221IErot321RBmpP2,2332mcWem制动指数n(brakingindex)•定义：•变形式：•磁偶极模型制动指数:n=3•目前的观测结果:只有5颗年轻的脉冲星的n的测定必较可靠脉冲星研究中的重大疑难问题•自转减慢(Spindown)机制?•脉冲星射电(X-ray,-ray)辐射机制?辐射产生区域?•年轻脉冲星Glitch现象产生机制?•制动指数n3(同磁偶极辐射(标准)模型不符)?•磁星?•脉冲星非常高(空间)运动速度产生机制?•是否存在奇异(夸克)星?脉冲星自转减慢（现有理论）•磁偶极模型(标准模型,1968)•超流涡旋的中微子辐射(Pengetal.,1982)•盘吸积模型•脉冲星表面电流效应•诞生初期的引力波辐射•磁层表面欧姆加热Malov统计(2001,AstronomyReports,Vol.45,389)•Log(dP/dt)-15=(1.750.56)logP–(0.010.15)(对P1.25s脉冲星(87个))对P1s.25脉冲星自转减慢只能由中国小组的NSV(中子超流涡旋)模型描述;对0s.1P1s.25脉冲星自转减慢可由磁偶极辐射和NSV辐射联合模型来描述。(Peng,Huang&Huang1982;Peng,Huang&Huang,1980;Huang,Lingenfelter,PengandHuang,1982)中子星内部结构核心(1km)3P2(各向异牲)中子超流涡旋区1S0(各向同性)中子超流涡旋区(5-8)%质子(II型超导体)(正常)电子Fermi气体=(g/cm3)10141011107内壳超富中子核、晶体、自由电子外壳(重金属晶体)夸克物质???51014104超流与超导现象•(1908年发现)当温度接近于绝对零度时，几乎所有的物质都要凝结成固体状态，而唯独氦却仍然保持其液体状态。通常液体内部存在内摩擦力—粘滞力。可是，当温度低于2.7K时，液态氦却完全丧失了这种粘滞性。液态氦的这种性质称为超流性。(低温下液氦还存在超导的特性)(1911年发现)许多金属，半导体，合金低温下具有超导性质:a）超导性:每一种物质都有一个临界温度(称为相变温度)Tλ。•当TTλ，电阻率ρT5，•当TTλ，ρ～0，即电阻几乎为0,存在永久性电流。•(实验上表明:其中环形电流持续两年而无衰减的迹象)•b)当T=Tλ时，正常相超导相的转变为二级相变•两种相的热力学势相等Gn(H.T)=Gs(H.T)•但无潜热，比热有跃变•c)超导体的完全抗磁性——Meissnel效应中子Cooper对中子星内部中子密度达到1011～1015克/厘米3情况下，中子(质子、电子)都处于高度简并状态。中子系统费米能量的大小约为100MeV，而中子星内部即使在5亿度的高温，每个中子可能分到的热运动能不过只有0.05MeV，还不到费米能的1/200。因此，绝大多数能级附近很少一部分的中子可能参与热运动。最多只有费米能级附近很小一部分的中子可能参与热运动。但是，这小部分中子（它们绝对数量仍然可观）如果能够参与热运动的话，也就不可能出现超流现象。中子星的密度特别高，中子之间的距离接近1fm时，中子之间就会产生很强的核力相互作用(吸引力)。由于这种核力作用，使得费米能级附近的、动量大小相等、方向相反的中子稳定地互相配对地结合在一起，称为中子对或称为Cooper对。从量子统计知道，中子、质子、电子的自旋量子数都是半整数1/2，是费米子。它们服从费米-狄拉克统计法，遵从泡利不相容原理。但是，一旦两上中子结合成Cooper对以后，它就是一个统一的整体，它的自旋就等于0或1。于是，由中子对组成的系统的统计性质就要改变，变成了玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。这时泡利不相容原理不成立。因此，所有的中子Cooper对可以全部处于最低能量状态，即库柏对的总速度（总动量）为零。这个现象称为爱因斯坦凝聚现象。Cooper对之间彼此可看成独立的，它们没有相互作用，因而没有摩察作用。两种性质不同的中子超流体•在密度很高时，当核力起作用时，在核力短稳强相互作用下，中子间产生很强的吸引力，这种吸引的能量量级～1MeV。•1995年Gintzberg就预言中子星内中子流体处于超流状态，但未深入讨论，也未讨论观测效应•1969年Baym等为了解释Vala和Crab自转突然增快现象（Glitch）提出中子星内部超流涡旋状态，才正式引起人们重视。自由的两个中子不可能结合成稳定的束缚态（两个核子系统只有氘核(n-p)才存在很浅的束缚态）。但在集体效应下(在动量空间中)可能组成稳定的Cooper对。•自旋为1/2的两个中子组成的Cooper对有两种可能性:1)1S0Cooper对(总自旋为0,无磁矩)。(1S0)～2MeV,更稳定。1S0中子超核体为各向同性,类似于液态4He—HeII2)3P2Cooper对(总自旋为1,磁矩为中子反常磁矩的两倍)。(3P2)～0.05MeV,只有在核密度下才会出现•3P2为各向异性,类似于液态3He。质子Cooper对质子、电子与此类似。两质子之间在远距离上虽然是库仑排斥力，但是当它们之间的距离短到1fm(10-13cm)量数时，两个质子之间就会出现强大的核力吸引作用，其强度超过库仑排斥力。虽然单独的两质子系统是不稳定的，但在原子核密度下,质子的系统也会因近距核力吸引相互作用而形成质子1S0Cooper对。当然,由于质子间的库仑排斥力的抵消，质子间的吸引力弱于中子间的吸引力。因而质子1S0Cooper对的结合能(能隙p)远低于中子1S0Cooper对的的结合能(能隙n)。近年来核物理理论计算的结果完全表明了这一定性分析结论。电子-格点正离子-电子相互作用对于电子系统来说，两个电子之间只有库仑排斥作用，并没有直接的吸引作用。不过,在金属晶格点阵中,在一级近似下，所有的自由电子都在平均自洽(电)场背景中运动。电子之间，以及电子同离子之间原有的库仑相互作用都归并到一个统一的平均自洽(电)场之中。自由电子之间不再去考虑它们通常的库仑排斥作用。但是，当热运动的电子偶尔跑到格点离子附近时，它同离子之间的相互吸引作用远远超过了平均自洽(电)场下的平均值。在二级近似下必须考虑。当一个自由电子通过同点阵格点处带正电的离子之间的库仑吸引作用，引起格点离子振动状态的改变(低温物理中称它们之间交换“声子”),而振动状态发生改变的格点离子(通过库仑吸引作用)又反过来影响它附近的另外一个电子的运动(它们之间也交换“声子”)。晶格点阵中自由电子与离子间的相互作用格点正离子电子A交换声子电子B离子振动状态变化交换声子电子A的库仑吸引作用使离子的振动状态变化，这种改变影响另一邻近电子B的运动,这导致了电子A同电子B之间的间接相互作用—剩余的库仑相互作用。这种剩余相互作用能量大小只有10-4eV电子Cooper对通过(以格点离子为枢纽)两次交换声子的二级过程，在格点离子附近的两个电子间接地呈现了相互作用。在接近绝对零度环境下，当电子的热运动能量(kT)远低于等离子体(电子)振荡能量(pe)时，两个电子之间的这种间接相互作用呈现出吸引。这种吸引作用导致在动量空间中，在费米能级附近、动量大小相等、方向相反的两个电子会结合成一个“小家庭”,称为Cooper对。形成Cooper对的吸引相互作用正是由于上述库仑相互作用的剩余作用造成的。电子Cooper的结合能(对能)—(电子超导能隙)10-4eV能级图E=0E=EF正常Fermi粒能级占据图超流超导Fermi粒子能级占据图E=EFkTCooper对与能隙由于电子(中子、质子)的自旋为1/2,所以两个电子(中子)Cooper对的自旋可以为O或为1。当两个电子结合成一个Cooper对时需要消耗一定的结合能(),因此一个Cooper对(作为一个单元)在能级图上的位置在Fermi能以下间距处。原先位于Fermi面(下面)附近的所有电子都两两相互配对(动量大小相同、方向相反的两个电子配成一对)形成一个以Cooper对作为单元的系统。每个电子Cooper对的自旋为零，因而这个电子Cooper对系统可以看作是一个“Bose子”系统，有全同粒子效应,可凝聚在一起。Bose子系统不受Panli原理限制，可以处于可能的最低能态(Bose-Einsten凝聚)。所有的电子Cooper对的能量都比Fermi能要低的数值。即原来的Fermi分布不稳定，能级发生了变化。此时在Fermi面(下面邻近处)能级出现了一个