天体物理学课件09中子星

NeutronStarin3C58第八章

中子星

1.射电脉冲星

(radiopulsars)(1)发现

1967年剑桥大学穆拉德射电天文台研究生JocelynBell利用A.Hewish领导研制的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星PSR1919+21，脉冲周期P＝1.3373sec。1968年发现位于船帆座（VelaNebula）超新星遗迹中的脉冲星PSR0833-45和蟹状星云（CrabNebula）中的脉冲星PSR0531+21，脉冲周期分别为89ms和33ms.CrabpulsaroffandonVelapulsar(2)主要特征数目超过2000颗。集中分布在银道面附近。脉冲周期~1ms-10s,随时间缓慢增长（周期导数~10-19-10-13

ss-1）。单个脉冲高度偏振→强磁场大部分为单星，约60颗位于双星系统中。(3)脉冲的发现与解释1971年发现的X射线脉冲星—双星系统，可由多普勒效应和它们间的掩食可以测得各子星的质量约为一个太阳质量。通过该星体的辐射中的回旋吸收线推出它具有1012G的强磁场。1976年发现的X射线爆发源，被认为是起源于双星系统中吸积至某种致密天体表层的物质所产生的热核反应燃烧过程。该辐射谱可由黑体辐射所模拟，由所得温度可推断出该天体半径为10千米。转动供能（rotation-powered）吸积供能（accretion）温度较低的X射线源，射线爆发源。20世纪90年代末，发现一类特殊的X射线脉冲，没有任何观察迹象表明是来自于双星系统中的一员，这一类天体被称为反常X射线脉冲星。后来发与1979年发现的软射线重复爆发源性质相似。它们的共同特征：持续X射线的光度大大超过自转能损率，且均未发现双星特征。？供能软射线重复爆：磁能？反常X射线脉冲星：磁能？致密中心天体：热能？暗热“中子”星：热能？！2.

中子星的形成

中子的形成—URCA过程（逆β衰变）当电子处于简并态时，第二步反应受到Pauli不相容原理的抑制。电子数减少→电子简并压降低→加速核心坍缩中子数增加→原子核结合能降低当ρn=4×1011gcm-3,中子从原子核中滴出当ρn=1014gcm-3,原子核瓦解，形成中子海洋

诞生温度的估计（原中子星）：总能量（引力能）：Eg~GM2/R~1053ergFermi气简并能

：

平均重子数密度nB=M/(mu4R3/3)=2.861038cm-3 Fermi动量，cpF=9.7510-17

nB-1/3=6.4210-4erg=400MeV Fermi气简并能Ed~

cpFM/mu~1053erg~Eg自转动能Er~I(2/P)2~1050erg<<Eg踢动能Ek~MVk2~1047

Vk72

erg<<Eg。

热能与简并能同量：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)超新星爆发数值模拟：原中子星温度(30~50)MeV冷却机制：T>~109K：热中微子发射，如：e++e-

+T<~109K：URCA过程

DURCA：np+e-+，p+e-

n+e MURCA：b+nb+p+e-+，b+p+e-

b+n+eDURCA发生的条件（运动学） 参与反应粒子：Fermi面附近 能量守恒：自然满足 动量守恒：pF(n)=pF(p)+pF(e)

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

又：pF~n1/3，电中性np=ne

2np1/3>nn1/3。即：(np/nn)>1/8

如何计算质量-半径关系？作冷星处理，依状态方程和流体静力学平衡方程定星结构模型理想流体Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程（考虑GR修正后）

计算过程：3.中子星的质量-半径关系质量-半径关系计算一例：极限质量相近，~M⊙极限质量时半径~10km小质量中子星：

M

R-3小质量夸克星：

M

R3中子星Mmin~0.1M⊙夸克星Mmin~0观测到SAXJ1808.4的

M-R关系不与NS吻合~10km,~M⊙中子星的质量上限质量－半径关系：中子星的质量越大，半径越小。Oppenheimer极限质量：～2-3M⊙4.结构（由外向内）大气层热X射线辐射于此外壳层

固体，富中子核内壳层

超流中子钉扎过程：glitch?中子物质区

超流n、超导p中子星的核

夸克物质相？渐近自由夸克物质Witten猜想：奇异夸克物质是最稳定的！由几乎等量的自由u、d、s等夸克组成奇异（夸克）星：奇异夸克物质组成星体粲星？（

>1017~1018

g/cm3）5.物理模型—倾斜自转磁中子星确定致密天体性质脉冲持续时间≤100ms→辐射源大小≤c×t≈31010×0.1≈3×109cm→白矮星或中子星脉冲的规则性→恒星整体运动

脉冲星自转磁中子星脉冲周期=自转周期←恒星坍缩时角动量守恒辐射能源：中子星转动能能损率蟹状星云脉冲星4.7×1038

ergs-1≥蟹状星云辐射功率~1×1038

ergs-1

其辐射机制磁偶极辐射→磁场强度~108-10