天体物理学课件09中子星.ppt

1、Neutron Star in 3C 58第八章中子星 1.射电脉冲星(radio pulsars)(1)发现 1967年剑桥大学穆拉德射电天文台研究生Jocelyn Bell 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PSR 1919+21，脉冲周期P1.3373 sec。1968年发现位于船帆座（Vela Nebula）超新星遗迹中的脉冲星PSR 0833-45和蟹状星云（Crab Nebula）中的脉冲星PSR 0531+21，脉冲周期分别为89 ms和33 ms.Crab pulsar off and onVela pulsar(2)主要特征 数目超过2000颗。集

2、中分布在银道面附近。脉冲周期 1 ms-10 s,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1012 G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。转动供能转动供能（rotation-powered）吸

3、积供能吸积供能（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？供能软软 射线重复爆射线重复爆：磁能？：磁能？反常反常X射线脉冲星射线脉冲星：磁能？：磁能？致密中心天体致密中心天体：热能？：热能？暗热暗热“中子中子”星星：热能？！：热能？！2.中子星的形成 中子的形成URCA过程（逆衰变）当电子处于简并态时，第二步反应受到Pau

4、li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n=41011 gcm-3,中子从原子核中滴出当n=1014 gcm-3,原子核瓦解，形成中子海洋 eA)1,(ZeA)(Z,eeA)(Z,A)1,(Zenep诞生温度诞生温度的估计（原中子星）：的估计（原中子星）：总能量（总能量（引力能引力能）：Eg GM2/R 1053 ergFermi气简并能气简并能：平均重子数密度nB=M/(mu 4 R3/3)=2.86 1038 cm-3Fermi动量，动量，cpF=9.75 10-17 nB-1/3=6.42 10-4 erg=400 MeVFermi气简

5、并能气简并能Ed cpFM/mu 1053 erg Eg自转动能自转动能Er I(2/P)2 1050 erg Eg踢动能踢动能Ek M Vk2 1047 Vk72 erg 109K：热中微子发射热中微子发射，如：，如：e+e-+T pF(n)又：又：pFn1/3，电中性，电中性 np=ne 2np1/3 nn1/3。即：(np/nn)1/8 如何计算质量如何计算质量-半径关系半径关系？作冷星冷星处理，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理想流体Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程（考虑GR修正后）计算过程计算过程：23222411()2()1d()dPGm

6、rrPr Pcm r cGm rcrrTOVEoSMREoSTOVEoSc0d(0)(0)()(0)().drPrP rP rrP rrrrr 3.中子星的质量-半径关系质量质量-半径关系计算一例半径关系计算一例：极限质量相近极限质量相近，M 极限质量时半径极限质量时半径10km小质量中子星：M R-3小质量夸克星：M R3中子星Mmin0.1M 夸克星Mmin 0观测到SAX J1808.4的 M-R关系不与NS吻合10 km,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：2-3 M4.结构（由外向内）大气层大气层 热X射线辐射于此外壳层外壳层

7、 固体，富中子核内壳层内壳层 超流中子 钉扎过程：glitch?中子物质区中子物质区 超流n、超导p中子星的核中子星的核 夸克物质相？渐近自由渐近自由 夸克物质夸克物质Witten猜想猜想：奇异夸克物质是最稳定的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）星：奇异夸克物质组成星体奇异夸克物质组成星体 粲星？（10171018 g/cm3）T5.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 100 ms 辐射源大小 ct 3 10100.13109 cm 白矮星或中子星 脉冲的规则性恒星整体运动221IWIdtdWdtdW 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 4.71038 ergs-1 蟹状星云辐射功率11038 ergs-1 其辐射机制 磁偶极辐射 磁场强度 108-1012 G快速自转+强磁场 强电场 加速带电粒子 （沿磁力线向外运动）曲率辐射 高能光子e的产生和湮灭 次级光子 次级e的产生和湮灭射电辐射 灯塔效应强磁场 辐射呈束状倾斜转子 辐射周期性扫过观测者产生脉冲图样一些定量的计算