中子星的形成

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1、中子星的形成（转载）奇特的中子星脉冲星是二十世纪六十年代射电天文的四大发现子之一，当 时震动了全世界。不久脉冲星即被证实为三十年代理论所预 言的中子星，为天文学摘取了诺贝尔物理奖。它的发现不仅 为天文学开辟了一个新的领域，而且对现代物理学的发展也 产生了重大的影响，它导致了致密态物理学的诞生，双脉冲 双星更是为验证爱因斯坦广义相对论所预言的引力波效应 立下了汗马功劳。一石击起千层浪！中子星的发现，在当时 已显得有些沉寂，平静的银河系内掀起了波澜，给河内天文 注入了勃勃生机，它把人们的目光，热点从遥远的河外拉回 了我们的银河系。中子星的半径约为 10 公里，质量和太阳 相当或稍大，因而密度高达十

2、的十四次方到十的十六次方克 每立方厘米 ，是典型的致密星。因受超强磁场和超强引力 场的约束，使其辐射只能从两端对称的磁极冠区发射出来， 加上高速自转，辐射周期性地扫过地球，形成脉冲效应，被 人门形象地称之为“宇宙中的灯塔”。 它具有超高温， 超高压， 超强磁场，超强引力场和超强辐射的物理特征。成为地球上 不可能有的极端物理条件下的天空实验室。 同白矮星一样 中子星也是核能已耗尽，垂死的恒星的星核，但它由超新星 爆发而形成，是富含中子的中子简并星。恒星是从星际分子 云中收缩而形成，从星胚到零龄主序星正式进入主序星的行 列，然后经历一系列复杂的过程变成致密星而死亡。在赫罗 图上恒星的演化进程可表示

3、为：原恒星主序星红巨 星（或红超巨星，有的会成为造父变星或天琴座 RR 变星） 致密星（白矮星，中子星或黑洞）。对于8M3以上的大 质量恒星在主序星后则会成为红超巨星，最后发生超新星爆 发，其残骸为中子星或黑洞。主序星阶段是恒星一生中最重 要然而却是最平稳的阶段，恒星一生的绝大部分时间 （占 80-90% ）是在主序阶段渡过的，而晚期充满着短促壮观的事 件，如超新星爆发，是恒星物理中最引人入胜的一个阶段。 恒星一旦离开主序，演化过程将加快，耗能大大增加。红超 巨星阶段恒星内部的氢燃料已耗尽，并产生强大的星风物质 抛射，有些在抛掉大部分星风物质后会形成富含氦的沃尔夫 拉叶星，然后由形成的重元素提

4、供燃料发生核聚变，继续 向恒星提供能量，来维持星体的平衡。此时的恒星恰如巨型 洋葱头，是含有诸多重元素的多瓣层状结构。重元素发生核 聚变需要更高的温度，密度和压力，耗能急剧增加，反应速 度加快（越重的元素，需要的温度越高，消耗量越大，反应 速度越快，维持的时间越短），很快会由于能量的失控而把 自身推向死亡的边缘。于是，出现能量不足，压力降低，引 发恒星内部逐步坍缩，内核温度迅速升高，压力陡增，一时 间，恒星内核成为由众多重元素（ C ， O， Ne,Mg 等）构成的电子简并核。这种简并核的电子是非相对论性简电子气， 可维持星体的平衡。但这只是暂时的平衡，随着核反应一个 接一个地进行下去，最后形

5、成铁核（实际上只有少数质量很 大的恒星最后会形成铁核，很多质量稍小的恒星，有些在出 现“碳闪”时就爆炸了，根本到不了铁核），燃料耗尽，核反应 停止。此时的内核质量已超过钱德拉塞卡极限（1.44M O）密度的增高使电子获得极高的能量，由原先的非相对论性简并 电子气，成为相对论性电子简并。星体在白矮星阶段所具有 的自动调节半径来维持平衡的机制被打破，引力又变得主宰 一切，恒星内部由于能量的匮乏引发了灾变，星体继续坍缩 且变得疯狂！外层物质以极高的速度瞬间撞击到十分坚硬的 内核上，并引发猛烈的反弹，所产 生的强大冲击波在短时 间内穿透整个恒星，加之中微子带走了内部大量的能量，星 体被摧毁了，恒星爆炸

6、了，成为超新星。 超新星爆发的威力无与能比，铁核被破坏了，未能幸存。原 因是高能电子打进了原子核和质子碰撞复合成了中子，内核 完全中子化了。在原子核中当一个中子发生衰变时可产生一 个质子和电子同时发射一个反中微子，一个孤立的中子也可 以产生，这个过程叫做 B衰变。相反当一个电子碰到质子或 是高能电子打进原子核和质子相碰便形成一个中子和一个 中微子，这个过程叫做逆B衰变，反应式为：|Oke1 1 P + 0-1 e 1 On + v 在恒星的密度大于十的六次方克每立方厘米时，便达到了产生逆 B衰变的条件，随着向内深入，电子的能量越大，打进原子核内的数目越多，形成了很 多富含中子的核，这就是中子化

7、过程。逆B衰变过程使原子核中的中子数越来越多，质子数越来越 少，导致原子核内静电斥力减小， 使得原子核的结合力减弱。 当中子的能量大到一定程度时，就会跑出原子核，形成自由 中子发射。自由中子发射需要极高的密度，需要达到或超过 十的十一次方克每立方厘米 数量级。恒星坍缩过程使密度 增大，容易满足这个条件当密度超过十的十四次方克每立方厘米后，原子核便完全离解，质子和电子相碰变为中子，成为中子的海洋。但还有少 量的质子和电子存在，以保持星体的电中性。否则中子星是 不稳定的，质子是 B衰变过程中产生的。中子星的形成包含了逆B衰变，自由中子发射和原子核的离解三个过程。这 三个过程都需要高密度，这在强大的

8、内核坍缩时是可以得到 满足的。在中子星外层的少量电子能以简并态存在，而到了 里面密度奇高，致使中子填满了所有的能态，大部分中子处 于很高的能态，形成了极其巨大的简并中子气压。简并中子 气压和密度的 5/3 次方成正比，着和非相对论性的简并电子 气压与密度的关系一样。但中子流体的密度已超过十的十四 次方克每立方厘米，致使简并中子气所形成的压力远远超过 简并电子气，成为可以抗衡引起星体坍缩的引力，这样稳定的中子星便形成了。同白矮星类似，中子星也有个质量上限， 为2.8MO叫做奥本海默极限，超过这个极限中子简并压力 也无法同引力抗衡，星体会继续坍缩，形成黑洞。 一个实际的中子星，从中心到边缘物质的密

9、度是变化的，因 而它的物态性质是很复杂的。外层是一固体外壳约有 1 公里 厚，它由原子核的点阵结构和简并的自由电子气组成。密度 约为十的六次方克每立方厘米到十的十一次方克每立方厘 米，原子核主要是铁，符合逆 B衰变过程的条件。内壳的 密度为十的十一次方到十的十四次方克每立方厘米 ，满足 自由中子发射的条件。当密度高达十的十五次方克每立方厘 米时，构成中子流体区，其中的流体处于超流状态，同时质 子是超导的，而电子是正常的，中心是约为 1 公里的固体核 心。由中子流体区向内物质密度增加，会出现不同能态的超 子，从而形成超子流体。 中子星尽管是死亡了的恒星的星核，核能已完全耗尽，但仍 有着十分丰富的物理过程， 如，有的会发出无线电脉冲辐射， 有的会发出X射线乃致y射线辐射，有的是某两者兼具，还 有的可能是由于表面发生了星震而发出短时标的y射线爆发等。因此，在高能天体的舞台上中子星担当着主要的角色， 成为天文学家的掌上明珠。 在大质量恒星衰老后，恒星向外的辐射压不能与向内的引力 抗衡，它的外壳就会向外膨胀，它的核却向内收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化，电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原子变得仅 由中子组成。这时恒星的外壳将以一次极为壮观的爆炸来了 结自己的生命。也就是天文学中著名的“超新星爆发”。最终 剩下核，成为了中子星。