毫秒脉冲星及

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1、中子星内中子超流涡旋及其天文效应,涡丝核心(正常中子流体),中子超流体,彭秋和 (南京大学天文系),目录,I. 脉冲星(高速旋转的中子星)基本的观测性质 II.有关凝聚态(超流与超导)的物理预备知识 III. 我们的有关研究背景 IV. 磁星超强磁场的物理本质 各向异性中子超流体3P2中子Cooper对的顺磁磁化现象 V. 强磁场下电子气体的Fermi能同磁场强度的相关性 VI. 磁星的活动性与高X-射线光度 VII. 年轻脉冲星Glitch的物理本质: 3P2 中子超流体 的相震荡模型,I.脉冲星 (高速旋转的中子星) 基本的观测性质,中子星的预言和脉冲星的发现,1932年,Chadwick

2、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年发现毫秒脉冲星(基本都是双星系统内),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

3、脉冲),P/10,pulse,1054超新星遗迹,-蟹状星云(Crab) 及其脉冲星(PSR0531),射电脉冲星,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 = 1.4 MSun R= 10 km B = 10 8 to 10 13 Gauss,中子星(脉冲星)性质概要,质量 (0.2-2.5)M 半径 (10-20) km 自转周期 P 1.4 ms 8s (己发现的范围) 中子星大气层厚度 10 cm 表面磁场: 1010-1013 Gauss (绝大多数脉冲星) 磁星: 1014-1015 Gauss 表面温度:105-106K 非脉冲(软)x射线

4、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: V 1000km/s 通常恒星(包括产生中子星的前身星): 20-50 km/s,中子星强磁场和磁星超强磁场的物理原因,中子星的初始本底磁场: 通过超新星核心坍缩过程中，由于磁通量守恒:,问题:1)大多数中子星观测到的1011-1013高斯的强磁场的物理原因? 2) 磁星(1014-1015 gauss)的物理本质? 3) 磁星高X-射线光度? 4) 磁星的活动性 (Flare &Burst)?,(B(0)为中子星的初始本底磁场)。天文观测表明:（除AP星

5、以外)上半主序星表面磁场低于太阳型恒星的表面磁场(它由光球下面有表层对流区),低于1-10 gauss。通过坍缩难以获得通常中子星(1011-1013) gauss的磁场强度与磁星(1014-1015) gauss的磁场强度。,难以利用脉冲星自转能的损失率来解释其很高的X-射线光度。,年轻脉冲星的Glitch现象: (非常规则缓慢增长的)脉冲周期 (P) 突然变短现象,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。 迄今已发现约72个脉冲星出现Glitch现象(共约2

6、10次),至少有9个脉冲星的Glitch幅度超过1.010-6。 PRS Vela : 36年出现11次 Glitch ,其中9次Glitch的幅度超过1.010-6; PSR Crab: 36年出现19次Glitch,幅度超过1.010-6的仅1次; PSR 1737-30 呈现9次Glitch,它的最大幅度仅达到0.710-6。 此外，还发现更多脉冲星呈现微Glitch现象(周期变短幅度低于10-12),glitch,P,t,高速中子星,脉冲星诞生于超新星爆发的中心 高速脉冲星 v = 800 1000 km/s! 前身星(大质量主序星): v (20 50) km/s 为什么? 不对称的

7、爆发或发射(辐射或中微子)导致非常巨大的 “kick.”,高速脉冲星的直接观测证据,由于脉冲星相对于Guitar星云 (超音速)运动 而形成的弓形激波 V 1000 km/sec (Cordes, Romani and Lundgren 1993),Guitar Nebula copyright J.M. Cordes,Guitar PSR B2224+65,94颗脉冲(单)星的空间速度,V (km/s) 脉冲星数 所占百分比 100 71 3/4 300 36 38% 500 14 15% 1000 5 5%,脉冲星空间速度方向同它的旋转轴共线,至少对Crab and Vela PSR (L

8、ai, Chernoff and Cordes(20001),Crab 星云 脉冲星,II. 有关凝聚态 (超流与超导) 的 物理预备知识,中子星内部物理环境,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),1014,1011,107,内壳 超富中子核、晶体、自由电子,外壳 (重金属晶体),夸克物质 ?,51014,104,中子星内部结构: 中子超流涡旋运动,电子气体为超相对论简并(非超导) 中子(质子)气体为非相对论简并,中子星内部物理学: 凝聚态物理+核物

9、理+粒子物理,中子星壳层:中子数目远远高出质子数目的丰中子重原子核组成的晶格点阵。原子核的质量(结合能)公式对壳层的组分与结构起着决定性作用。 中子星内部物理环境: nuc =2.81014 g/cm3 T 5108 K,EF(e) 60MeV (Relativistic electrons) EF(n) 60MeV (non-Relativistic neutrons) Ye 0.05 (Ye : 电子丰度) 质子丰度 Xp 0.05 ( 8%) ( 中子系统与质子系统都处于相对论高度简并状态) 中子星外核心(壳层以内):凝聚态物理(特别是超流超导)起着决定性作用。 中子星内核心：夸克物质。

10、粒子物理起决定性作用。,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(相变温度) T。 当 T T，电阻率T5， 当 T T ，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= T 时，正常相 超导相的转变为二级

11、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,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10-4 eV,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

12、)振荡能量(Epe)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) 10-4 eV,能级图,E=0,E=EF,正常Fermi粒能级占据图,超流超导Fermi粒子能级占据图,E=EF,kT,当 T T =/k 时, 系统处于超导 (或超流)状态 T: 相变温度,中子Cooper对,中子星内部: = 10111015克/厘米3 中子(质子、电

13、子)都处于高度简并状态。 EF(n) 60MeV， 而中子星内部即使 5108 的高温，中子平均的热运动能 kT 0.05MeV， kT (1/120)EF。 中子星的密度特别高，中子之间的距离约 1 fm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结合在一起 中子Cooper对。 1 MeV (中子1S0 对能随密度变化而显著变化) 由于kT , 中子星内部呈现中子超流现象。 所有的中子Cooper对可以全部处于最低能量状态， 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

14、 察作用，呈现超流现象。 (若为质子, 则系统可能处于超导状态),中子星内部的中子超流体,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。 1959年: Gintzberg就预言中子星内中子流体处于超流状态。由于当时尚未发现脉冲星(高速旋转的中子星),故未讨论观测效应。 1969年: Baym等为了解释Vala和Crab等年轻的脉冲星自转突然增快现象（Glitch）,提出了中子星内部超流涡旋状态，才正式引起人们重视。但这只是间接证据。 2011年：中子星的内部存在着 3P2 中子超流体的直接证据 2011年2月发表的论文中才给出。D.

15、Page et al. (Physical Review Letters, 106,081101(2011),3P2中子超流体存在的直接观测证据,1999年 空间x-望远镜Chndra于1999年对超新星遗迹 Cas A(SN 1680)进行了探测。 SNR Cas A的距离约为3.4 Kpc。利用未磁化的碳原子大气模型很好 地拟合 Cas A的热的软x-ray谱，表面温度为2106K, 发射星体的半 径为8-17Km。 发现了银河系内最年轻的中子星(目前年龄只有333 年)。通过分析2000-2009年间10年的观测资料，Heinke and Ho (ApJL,719,L167(2010)报道了Cas A的表面温度