2005年天文学课程

1、脉冲星的形成与结构04 级物理系041120094摘要： 本文简要介绍了中子星的形成过程，并简单证明了脉冲星是中子星的理论，最后根据脉冲星观测的特征，求解出脉冲星的磁层结构。：中子星、脉冲星、脉冲引言：再脉冲星以前，先来看一下中子星是怎么形成的。质量超过极限的恒星，核耗尽以后，塌缩到的体积时，电子其的简并压力并不能与引力相抗衡，星体继续塌缩，密度越来越高，这时就需要出现另外一种力才能支撑住星体停止塌缩。随着中子的发现，和对中子认识的加深，人们认识到这种力来自中子的简并压。而星体中的中子则是由逆 衰变产生的。当电子的速度接近光速的时候（*能量很高的时候*），可以发生如下的反应：p e n ；这个

2、反应就是逆 衰变，即一个高能电子和一个质子碰撞，形成了一个中子，并发射一个中微子。随着星体的塌缩，星体内的密度升高，越来越多的电子获得了很大的动量。一般情况下，这种富含中子的原子核会进行 衰变，但是在高密度的情况下，由于不相容原电子已经占满了各种状态，了原子核进行 衰变。随着逆 衰理，存在原子核外的变得进行，中子数与质子数的比率继续增大，从而原子核的结合力减弱，当密度大到一定程度时（大约为 4 1014 kg / m3 ），中子从原子核中出来，形成核外中子流体。密度再增大，原子核完全解离，物质几乎为中子组成。与简并电子类似，此时的中子也是简并的，其简并压力可以与引力相抗衡，星体形成一种新的平衡

3、，而且主要由中子子星。（*过程比较清晰！*）脉冲星的发现：，所以称其为中1967 年 7 月，英国大学的什小组研制成观测小角径射电源的星际闪烁的射电望远镜，可讯变信号。Bell 于 8 月 6录到一组很强的信号起伏，于 11 月 28 日首次看到了这个奇怪源的信号是一系列规则的脉冲信号。这就是第一个被发现的脉冲星。按照脉冲星发射的不同波段，脉冲星分为射电脉冲星、光学脉冲星、X 射线脉冲星和 射线脉冲星。而光学脉冲星和 射线脉冲星很少。射电脉冲星最多。脉冲星的特点有（1）脉冲时间短，多在 0.001 0.05 秒之间。（2）脉冲周期稳定，比地球上最精确的原子钟还要精确。随着时间的增长，周期极其细

4、微的增长。除了规则的周期增长以外还有不规则的周期突然减小，但在一段时间后又恢复到接近正常的周期。这种周期突然减小的现象叫做自转突变，因为周期的突然减小是由自转突然加快引起的。（3）单个脉冲辐射是高偏振的，具有强磁场。各个脉冲的强度和形状彼此都不相同，呈现的变化。但把几百个脉冲信号叠加起来得出的累积轮廓相当稳定，有单峰，双峰和多峰。（4）射电脉冲星的射电辐射功率很大（1018 1024 W）。（5）由于星际物质中存在小于光速，并且与频率有关。（*比较清晰！*）电子，射电脉冲的群速脉冲星是中子星：由脉冲星的特征，可以通过理论分析得到脉冲星是中子星的结论。具体的理论分析如下：脉冲的周期规则表明脉冲应

5、与恒星的整体性质有关，而且脉冲的持续时间极短，证明脉冲星是体积很小的天体，所以应该是致密星，即恒星演化的三种可能：，中子星，黑洞。首先把黑洞排除掉。因为黑洞只是吸收而不辐射，所以脉冲星不可能是黑洞（*黑洞附近吸积盘可以辐射，黑洞吸积物质可以辐射，所以这个理由不太好！*）。因为精确周期性的运动有 3 种可能：双星轨道运动、星体的脉动和星体的自转。对于轨道运动，如果两颗以脉冲星的周期绕转，它们之间的距离应该比之间的距离小得多。如果是两颗中子星的话，会产生引力辐射，损失能量，改变周期。所以不可能是轨道运动。（*很好，如果有具体计算就更好了，应该不！*）根据恒星的脉动理论得到的脉动周期比脉冲星的脉冲周

6、期太短，所以也不是恒星的脉动。 所以，脉冲星的脉动是由于恒星的自转引起的。那么脉冲的周期应该和自转的周期严格相等。恒星自转的角速度不应该超过一个临界值 ，它是由赤道上的物质所受的引力与离心力向平衡的条件所决定的。 2 2GmR ;R2TM 4 R3;312G所以： T ；最大的密度，它的自转周期至多为 1s 的数量级，而多数脉冲星的数量级比 1s 要对于短。经过上面的简单分析，可以得出脉冲星是中子星的结论。（*以上分析得很好*）下面论脉冲星的辐射机理.射电脉冲星的辐射机理：再讨脉冲星的脉冲周期就是中子星的自转周期，射电脉冲星的周期在变短的事实说明中子星的自转在缓慢减慢，所以辐射的能量是来自转动

7、能的减少，对于一颗以角速度 旋转的球星中子星，转动能表示为： E 1 J2 ，对于密度分布均匀的球体有 J 2 mR2 。k254 2 JP&两边求导得到转动能的损失率为： Ek J& &；脉冲星的自转能的减少完全能P3够提供它辐射所需要的能量。另外脉冲持续的时间比脉冲的周期短很多，说明中子星的射电辐射不是从整个星面向各个方向发出的，而是产生于某个区域，使得辐射成束状，随着中子星的自转，辐射束指向不同的方向，当它扫过地球时就会产生一个脉冲，中子星每自转一周，地球上就能观察到一次脉冲。（*不错！*）而脉冲星的辐射是束状的，就必须要求脉冲星有其独特的结构。只有中子星的磁轴与自转轴不重合，才能产生灯

8、塔效应。随着脉冲星高速旋转,旋转磁场在中子星两磁极区诱导产生很强的电场，大致沿磁场方向。另外，中子星表面壳层的脱出功很高，使得其表面以外存在一个很薄的真空隙。在真空隙区内一旦出现电子或正电子，这个强电场将使它们迅速加速到很高的能量(1014eV)。而正负电子可以由高能的 光子在强磁场下产生。这些正、负电子沿着极区略微弯曲的磁力线向外运动时将辐射能量亦很高的 光子。在强磁场下，当这些 光子同磁场斜交时，将再次产生正、负电子对; 在电场它们再加速。这种连续的过程将产生相当多的正、负电子对。在真空隙的上部大量高能正、负电子对沿着极区开放磁力线运动产生了观测到的射电波段辐射。只有当磁轴和旋转轴相互倾斜时，随着脉冲星的旋转,沿磁轴方向射出的射电会呈现出一个个脉冲形式 灯塔效应。（*不错！*）另外一种看法认为，辐射束产生于中子星表面的磁极区域，并沿着磁轴发射。如图：大质量的恒星塌缩形成中子星，强大的引力使星体的半径缩小到原来的万分之一，由磁通量守恒，中子星的磁场巨增，一颗原来磁场为 0.01T 的主序星塌缩成中子星以后，磁场可以达到108 T。此时，磁场中的带电粒子在力的作用下沿螺旋线运动，同时发出同步电磁辐射，辐