1、超超 新新 星星 与与中中 子子 星星彭秋和(南京大学天文系)历史上的超新星历史上的超新星爆发时间(AD)光度极大星等发现者遗迹185?-8中国天文学家RCW 86393-1中国天文学家837?-8?中国天文学家IC 4431006-10中/阿天文学家SN 10061054-5中中/日天文学家日天文学家Crab Nebula1181-1中/日天文学家3C 581572-4Tycho BraheTycho1604-3KeplerKepler16805?John lamsteedCas A1987+2.9Ian SheltonSN 1987A1054超新星遗迹超新星遗迹-蟹状星云蟹状星云(Crab
2、)及其脉冲星及其脉冲星(PSR0531)近代超新星研究的序幕近代超新星研究的序幕 1934年Baade&Zwicky在对河外星系的超新星进行系统地观测研究的基础上，在1/3页的短论文中提出了四个完全崭新的重要预言，它不仅正式提出中子星的观念,而且创见性地以超新星为枢纽把它同恒星死亡、中子星、高能宇宙线的起源联系起来。恒星死亡 超新星爆发 中子星 超新星爆发 高能宇宙线的起源1942年Gamow利用Urca过程机制来探讨大质量恒星晚期核心坍缩的可能性1960年丘宏义等人首先研究大质量恒星内正负电子对湮灭发射中微子对过程并提出它可能导致超新星爆发。这实际拉开了现代高能天体物理理论研究的序幕。196
3、6年Colgate 从流体动力学出发,首次从解析角度探讨了超新星核心坍缩的动力学过程。正式拉开了现代超新星研究的序幕超新星分类超新星分类分类：I型（Ia,Ib/Ic）无H线；II型有H线光变曲线不同两类超新星的主要特征两类超新星的主要特征超新星类型 Ia II极大光度极大光度3 x 109 L 3 x 108 L 光谱光谱无氢光谱线无氢光谱线;重元素光谱重元素光谱线很多线很多;后期后期Fe线最强线最强最强的是氢光谱线最强的是氢光谱线前身星前身星双星系统中的白矮星双星系统中的白矮星大质量恒星大质量恒星爆发原因爆发原因伴星物质被致密白矮星伴星物质被致密白矮星吸积而流入白矮星吸积而流入白矮星大质量恒
4、星的铁核心坍大质量恒星的铁核心坍缩缩爆发物理机制爆发物理机制吸积白矮星吸积白矮星C/O 核心的核心的热核大爆炸热核大爆炸 转化为铁转化为铁族元素族元素从新生中子星表面向外从新生中子星表面向外行进的反弹激波行进的反弹激波:中微子中微子压强压强残骸残骸无致密残骸无致密残骸中子星中子星超新星遗迹内的核产物超新星遗迹内的核产物主要是铁主要是铁各种元素都有各种元素都有大质量恒大质量恒星热核演星热核演化结束化结束硅硅燃烧阶段结束燃烧阶段结束 M(12-25)MH-包层包层H-燃烧壳层燃烧壳层He-燃烧壳层燃烧壳层C-燃烧壳燃烧壳层层Ne-燃烧壳层燃烧壳层O-燃烧壳层燃烧壳层Si-燃烧壳层燃烧壳层Fe 核心
5、核心T (3-5)109K 3 109K大质量恒星核心坍缩的主要原因大质量恒星核心坍缩的主要原因电子俘获过程电子俘获过程:引起引起 超新星核心坍缩的关键过程超新星核心坍缩的关键过程eAZeAZ),1(),(),()(AZQEECECF32/3226/1),()(2/(10952.1cmgcmZAQeECeECcQEC(A,Z):原子核原子核(A,Z)电子俘获的能阈值电子俘获的能阈值重要原子核电子俘获的密度阈值重要原子核电子俘获的密度阈值表中表中EC过程的能阈值己扣除电子的静止能量过程的能阈值己扣除电子的静止能量广义相对论引力坍缩的临界密度广义相对论引力坍缩的临界密度310)(2/106.284
6、.5cmgMYMMGRcSunechcore c(GR)同同 EC 的比较的比较:结论结论:引起引起SNII(SNIb、SNIc)核心坍缩的首要物理因素是电子俘获过程核心坍缩的首要物理因素是电子俘获过程(EC)。引起吸积白矮星坍缩引起吸积白矮星坍缩(它导致它导致SNIa 爆发爆发)的主要因素是广义相对论的主要因素是广义相对论效应。效应。(光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素光子致使铁原子核碎裂反应只是辅助因素)导致超巨质量恒星坍缩的主要因素是电子对湮灭为中微子对过程导致超巨质量恒星坍缩的主要因素是电子对湮灭为中微子对过程 e+e-+反反核心坍缩型超新星爆发机制核心坍缩型超新星爆发机制内核心内核
7、心:同模坍缩同模坍缩Vr r(亚声速区亚声速区)外核心外核心:自由坍缩自由坍缩Vr Vff/2M内核心内核心 0.6 M内外核心交界面附近内外核心交界面附近:V Vr r (1/8 1/4)c(光速光速)超新星的瞬时爆发机制超新星的瞬时爆发机制(1)随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它达到随着星体坍缩的进行，星体中心的密度迅速增长。一旦它达到原子核密度原子核密度(2-4)nuc (nuc =2.81014 g/cm3)以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论简并压强，以上，核子的非相对论简并压强超过了电子的相对论简并压强，物质状态方程物质状态方程 P P 中的多方指数中的多
8、方指数=5/3,变成了稳定的系统，不再坍缩。但由于惯变成了稳定的系统，不再坍缩。但由于惯性，直到中心密度达到性，直到中心密度达到 时，内核心的坍缩才完全中止。而时，内核心的坍缩才完全中止。而内核心外围的物质却继续以超音速坍塌，它们猛烈地撞击内核心外围的物质却继续以超音速坍塌，它们猛烈地撞击在突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在内核心外不远在突然停止坍缩的坚硬的内核心上，因而在内核心外不远处立即产生一个很强的向外行进的反弹激波，其能量高达处立即产生一个很强的向外行进的反弹激波，其能量高达 Eshock 1051-52 ergs。这巨大的能量是由星体核心在坍缩过程中释放出的自引力势能转化这巨大的能
9、量是由星体核心在坍缩过程中释放出的自引力势能转化而来的。激波波阵面后的温度上升到而来的。激波波阵面后的温度上升到 1011K 以上，平均热运动能以上，平均热运动能量高达量高达 10 MeV,超过了超过了56Fe 平均每个核子的结合能平均每个核子的结合能(8.8 MeV)。铁族元素的原子核很快地被热光子打碎铁族元素的原子核很快地被热光子打碎:npnFe302641356这个光致裂变反应过程耗费反弹激波的能量为这个光致裂变反应过程耗费反弹激波的能量为 1.0/69.1/1044.8/26.4921856foegmergsFeergsmE核M(5656F)F)ergsfoe51101)()(mEEM
10、激波外核心如果如果则激波可以冲出外核心。而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，则激波可以冲出外核心。而且当它完全摧毁外核心的全部铁核以后，初始激波能量只要尚能剩下初始激波能量只要尚能剩下1%1%以上的能量以上的能量(即即 10104949ergs),ergs),残留的激残留的激波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发。上述图波就可以把整个星幔和大气抛向太空，形成超新星的爆发。上述图像就称为瞬时爆发机制。像就称为瞬时爆发机制。)()(mEEM激波外核心如果如果特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在特则当上述反弹激波尚未穿透外核心之前，激波能量全部都消耗在铁核光致裂解
11、的过程中。它不可能把星幔和大气层吹散。不会导致铁核光致裂解的过程中。它不可能把星幔和大气层吹散。不会导致超新星的爆发。而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，超新星的爆发。而且由于核心外围的星幔和大气继续问中心坠落，原来向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波。也就是说，这原来向外行进的反弹激波转变成为一个吸积驻激波。也就是说，这种情形下，瞬时爆发机制失败。种情形下，瞬时爆发机制失败。结论结论:瞬时爆发机制能否成功的关键在于它的外瞬时爆发机制能否成功的关键在于它的外(铁铁)核心的质量是核心的质量是否过大否过大?迄今对所有合理的模型计算而言，瞬时爆发机制是迄今对所有合理的模型计算而言，瞬时爆
12、发机制是不成功的不成功的(铁铁)核心的质量太大核心的质量太大)。中微子延迟爆发机制中微子延迟爆发机制为了解释瞬时爆发的困难，Wilson(Bowers,Wilson,1985)等人提出了中微子的延迟爆发机制。可以由下图加以说明：本图描述了反弹激波在停止后景象。为激波所在的位置，此处物质以 的速度向下降落（速度接近自由落体）。物质经过激波的减速之后，以较为缓慢的速度经过加热和冷却区向新生中子星的表面运动。为中微子球半径 新生中子星的半径。加热和冷却相平衡处的半径。而前中子星中的能量沉积来源于物质对于电子中微子的吸收。.MRnsRgRsR中微子延迟爆发机制中两个尚未解中微子延迟爆发机制中两个尚未解
13、决的关键问题决的关键问题 1)1)新生的高温中子星能否在非常短的时标内产生如新生的高温中子星能否在非常短的时标内产生如此巨大的中微子流此巨大的中微子流?产生如此强大的中微子流的具体产生如此强大的中微子流的具体物理过程是什么物理过程是什么?(凝聚的中微子发射凝聚的中微子发射?核物质向核物质向(u,d)(u,d)夸克物质的转夸克物质的转化化?均未成功均未成功)2)2)即使在极短时标内出现了强大的中微子流，它们即使在极短时标内出现了强大的中微子流，它们同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向外冲压，同物质相互作用究竟能否产生如此强大的向外冲压，导致超新星的爆发，而且爆发物质向外的初始速度高导致超新星的
14、爆发，而且爆发物质向外的初始速度高达达 10104 4 km/s km/s 左右，爆发总动能否达到左右，爆发总动能否达到 10104949 erg?erg?我们的研究我们的研究:巨大中微子流如何在瞬间产生巨大中微子流如何在瞬间产生?19951995年，我们南京大学研究小组年，我们南京大学研究小组(Dai Z.Peng Q.and Lu T.Dai Z.Peng Q.and Lu T.ApJApJ.,1995,440:815).,1995,440:815)提出了由超新星坍缩核心形成的高温中子提出了由超新星坍缩核心形成的高温中子-质子星内相继出现的核物质质子星内相继出现的核物质-(u,d)-(u,
15、d)两味夸克两味夸克-(s,u,d)-(s,u,d)三味夸克三味夸克的相变过程的相变过程u+eu+e-d+d+e e,u+eu+e-s+s+e e,u+d,u+d u+s u+s 将在短于将在短于1 1微秒的时标内产生大量中微子流，其平均能量为微秒的时标内产生大量中微子流，其平均能量为1010MeVMeV左右，总能量达左右，总能量达 以上。这种相变过程导致星体核心区出现负以上。这种相变过程导致星体核心区出现负熵梯度引起内外物质的熵梯度引起内外物质的SchwarshildSchwarshild对流将使这强大中微子流向对流将使这强大中微子流向外输送外输送,迅速抵达中微子球表面。迅速抵达中微子球表面
16、。我们提出的这种机制大大有利于中微子延迟爆发机制。在我们的我们提出的这种机制大大有利于中微子延迟爆发机制。在我们的初步探讨中，我们用理想初步探讨中，我们用理想FermiFermi气体作为夸克系统的最简单模型。气体作为夸克系统的最简单模型。很快地，印度德里大学的一个研究小组在我们研究的基础上，很快地，印度德里大学的一个研究小组在我们研究的基础上，进一步计入了夸克之间相互作用，发现中微子流量将更加增强进一步计入了夸克之间相互作用，发现中微子流量将更加增强1/41/4左右。目前这方面研究还在深入之中左右。目前这方面研究还在深入之中。SNII仍然未解决的关健问题仍然未解决的关健问题中微子流能否激活强大
17、的向外激波中微子流能否激活强大的向外激波?迄今仍然也迄今仍然也是悬案。人们不仅考虑了己知各种粒子是悬案。人们不仅考虑了己知各种粒子(e e-,e e+,p,n,p,n,0 0，,以及以及 1616O O等原子核等原子核)同中同中微子的相互作用，而且还探讨了在致密等离子微子的相互作用，而且还探讨了在致密等离子体中，中微子振荡有可能引起这种相互作用的体中，中微子振荡有可能引起这种相互作用的增强。但上述中微子流仍然无法产生如此强大增强。但上述中微子流仍然无法产生如此强大的冲压。也就是说，即使中微子延迟爆发机制，的冲压。也就是说，即使中微子延迟爆发机制，迄今卜在理论上人们也仍然无法自洽地实现超迄今卜在
18、理论上人们也仍然无法自洽地实现超新星的爆发新星的爆发(向外爆发总动能达到向外爆发总动能达到 10104949 erg erg 以以上。上。我们新近的探讨我们新近的探讨:电荷屏蔽效应对电子俘获电荷屏蔽效应对电子俘获过程以及坍缩核心质量影响的研究过程以及坍缩核心质量影响的研究同太阳内不同同太阳内不同,超新星内电子俘获过程是当电超新星内电子俘获过程是当电 子的子的Fermi 能超过电子俘获的能阈能超过电子俘获的能阈值时，值时，Fermi 面附近的电子打入原子核而发生的。在这种情形下，电荷屏蔽面附近的电子打入原子核而发生的。在这种情形下，电荷屏蔽效应从三方面对电子俘获过程有着重要影晌效应从三方面对电子
19、俘获过程有着重要影晌:1)降低入射电子的能量，降低入射电子的能量，2)使超使超过电子俘获能阈值的电子数目减少，过电子俘获能阈值的电子数目减少，3)等效於提高了电子俘获的能阈值。我等效於提高了电子俘获的能阈值。我们已经对这一问题进行过初步试探性研究们已经对这一问题进行过初步试探性研究(1996,2000,2003)。利用通常人们采用的等离子体强屏蔽的利用通常人们采用的等离子体强屏蔽的Salpeter屏蔽公式，我们发现屏蔽公式，我们发现,在超新星在超新星内物质高密度环境下电荷屏蔽效应对内物质高密度环境下电荷屏蔽效应对 等少数几种原子核上电子俘获率的影响等少数几种原子核上电子俘获率的影响可达可达30
20、-80%。最近，我们还对超新星内部电子俘获率最高的。最近，我们还对超新星内部电子俘获率最高的20个核素进行这个核素进行这种计算种计算(由于不同原子核的结构大不相同，这种计算是相当麻烦的由于不同原子核的结构大不相同，这种计算是相当麻烦的)。电荷屏蔽效应提高了电子俘获过程的有效能阈值，由此明显地提高了爆前超新星电荷屏蔽效应提高了电子俘获过程的有效能阈值，由此明显地提高了爆前超新星核心坍缩的临界密度阈数值，这必将导致实际坍缩核心坍缩的临界密度阈数值，这必将导致实际坍缩(以铁为主要成份的以铁为主要成份的)核心核心质量低于迄今国际上质量低于迄今国际上(未考虑电荷屏蔽效应未考虑电荷屏蔽效应)计算的数值。只
21、要坍缩核心质量计算的数值。只要坍缩核心质量减少减少3-5%3-5%，至今仍然一筹莫展的超新星瞬时爆发机制有可能成功。但是，我，至今仍然一筹莫展的超新星瞬时爆发机制有可能成功。但是，我们如果采用等离子体强屏蔽的们如果采用等离子体强屏蔽的SalpeterSalpeter公式，则发现它只能使超新星坍缩核公式，则发现它只能使超新星坍缩核心的质量降低心的质量降低1%1%。电荷屏蔽效应对电荷屏蔽效应对56Ni、55Co 电子俘获率的影响电子俘获率的影响56Ni的电荷屏蔽效应随密度的变化，点线、线段和实线分别对应的是温度为1010K，5*109K和109K的情形横坐标为物质质量密度(对数标,应为log()纵
22、坐标为 C=s/;为电子俘获率,上标s代表电荷屏蔽。55Co的电荷屏蔽效应随密度的变化，点线、线段和实线分别对应的是温度为1010K,5*109K和3.24*109K 的情形超新星爆发前夕主要核素的电子俘获率超新星爆发前夕主要核素的电子俘获率、s 分别是未计及和考虑分别是未计及和考虑电荷屏蔽效应下的电子俘获率影响。这里的核素由电荷屏蔽效应下的电子俘获率影响。这里的核素由于电荷屏蔽的影响俘获率要比原来下降于电荷屏蔽的影响俘获率要比原来下降10%-15%左右。左右。(罗志全，彭秋和，罗志全，彭秋和，1996)引起大质量恒星核心大规模坍缩的首要原因引起大质量恒星核心大规模坍缩的首要原因 电子丰度电子
23、丰度(Ye):平均每个核子占有的自由电子数平均每个核子占有的自由电子数 中子剩余参量中子剩余参量:(Nn-Np)/(Nn+Np),=1-=1-2 2Ye M Mchch =5.84=5.84 Ye2 M在硅燃烧开始后不久，星体核心内仍以对称核物质在硅燃烧开始后不久，星体核心内仍以对称核物质(5656Ni)Ni)为主，为主，中子剩余参量中子剩余参量 0.001 0.001 或或 Ye 0.495。相应的相应的Chandrasekhar 极限质量为极限质量为1.43M.硅燃烧阶段时标是相当短的硅燃烧阶段时标是相当短的:最多为几天最多为几天(有对流情形有对流情形)或几个小时或几个小时(无对流情形无对
24、流情形)。因此，只有在大量和快速的因此，只有在大量和快速的(原子核上原子核上)电子俘获过程之后，电子丰电子俘获过程之后，电子丰度度 Ye才会显著减少才会显著减少(或中子剩余参量或中子剩余参量 明显增长明显增长)。电子简并气体中电子俘获一旦大量进行，星体核心将在动力学上变电子简并气体中电子俘获一旦大量进行，星体核心将在动力学上变为不稳定，发生引力坍缩现象。为不稳定，发生引力坍缩现象。即电子俘获过程是导致大质量恒星核心坍缩的第一位物理因素。即电子俘获过程是导致大质量恒星核心坍缩的第一位物理因素。大质量恒星核心大规模坍缩开始时的临界点大质量恒星核心大规模坍缩开始时的临界点大质量恒星核心坍缩的临界点条
25、件是大质量恒星核心坍缩的临界点条件是:星体核心内原子核星体核心内原子核5656NiNi上电子俘获过程非上电子俘获过程非常迅速，其特征时标短于流体动力学时标常迅速，其特征时标短于流体动力学时标:tEC(56Ni,r=Rc)t hydro(r=Rc)4.46 10-1/2(Rc)ms (A)或或 tEC(56Ni,r=Rc)t s(r=Rc)(声速声速)Rc,6Ye-2/3 9-1/6 ms (B)tEC(56Ni,r=Rc)=EC(ne)-1,ne=NAYe 以前在计算电子俘获率以前在计算电子俘获率EC时时,并未考虑电荷屏蔽效应。并未考虑电荷屏蔽效应。当考虑电荷屏蔽效应后当考虑电荷屏蔽效应后,E
26、C sEC tEC因此因此,满足条件满足条件(A)(或或(B)的临界点处的密度值的临界点处的密度值*要求更高要求更高,或只有在更高的密度或只有在更高的密度(对应的对应的Rc也更小也更小)点以内的物质才会极迅速地向内坍缩。因而，由于点以内的物质才会极迅速地向内坍缩。因而，由于电荷屏蔽效电荷屏蔽效应的影响，应的影响，坍缩核心质量必定小于原来坍缩核心质量必定小于原来未考虑电荷屏蔽效应时的数值。即未考虑电荷屏蔽效应时的数值。即 Msc Mc结论结论:考虑考虑电荷屏蔽效应必定会使得超新星坍缩核心质量数值下降，电荷屏蔽效应必定会使得超新星坍缩核心质量数值下降，有利于瞬时爆发机制。有利于瞬时爆发机制。具体研
27、究必须结合最新核物理研究进行数值模拟计算。具体研究必须结合最新核物理研究进行数值模拟计算。Ia型超新星爆发机制型超新星爆发机制密近双星系统大质量吸积白矮星的质量增长达到密近双星系统大质量吸积白矮星的质量增长达到Chandrasekhar临界质量临界质量(5.86Ye2 M M)时时,广义相对论效应广义相对论效应致使整个星体引力坍缩。急速坍缩过程中密度、温度迅速致使整个星体引力坍缩。急速坍缩过程中密度、温度迅速增长增长(但等离子体中微子发射过程延缓温度增长但等离子体中微子发射过程延缓温度增长)。当达到。当达到爆炸性核燃烧条件时爆炸性核燃烧条件时,立即点燃爆炸性立即点燃爆炸性C燃烧，核燃烧波迅燃烧
28、，核燃烧波迅速向外传播。从亚声速的爆燃波演变为超声速的爆轰波，速向外传播。从亚声速的爆燃波演变为超声速的爆轰波，爆炸性爆炸性C燃烧则演变为爆炸性的燃烧则演变为爆炸性的(不完全不完全)Si燃烧。它使得燃烧。它使得整个星体向外爆炸，几乎不遗留致密残骸。整个星体向外爆炸，几乎不遗留致密残骸。SNIa理论中尚待研究的问题理论中尚待研究的问题 彭秋和，彭秋和，I Ia a 型超新星爆发理论型超新星爆发理论 I:I:主要观测特征及爆发机理主要观测特征及爆发机理 天文学进展，天文学进展，1616(1998)50(1998)50 彭秋和，彭秋和，I Ia a型超新星爆发理论型超新星爆发理论 II:II:理论研
29、究中的重要疑难问理论研究中的重要疑难问题题 天文学进展，天文学进展，1616(1998)60(1998)60 彭秋和，彭秋和，演化和 恒星演化和超新星爆发理论中某些重要问题的核物问核物问题题,物理学进展物理学进展,21(2001)225-236,21(2001)225-236一一SNIa理论中尚待研究的问题理论中尚待研究的问题彭秋和彭秋和,恒星演化和超新星爆发理论中某些重要问题中的核物理问题恒星演化和超新星爆发理论中某些重要问题中的核物理问题,21(2001)225-236彭秋和，彭秋和，I Ia a 型超新星爆发理论型超新星爆发理论 I:I:主要观测特征及爆发机理主要观测特征及爆发机理 天文
30、学进展，天文学进展，1616(1998)50(1998)50彭秋和，彭秋和，I Ia a型超新星爆发理论型超新星爆发理论 II:II:理论研究中的重要疑难问题理论研究中的重要疑难问题 天文学进展，天文学进展，1616(1998)60(1998)60脉冲星脉冲星-高速旋转的中子星(Pulsar Rapidly Rotating Neutron Star)中子星概述：中子星概述：历史、现状 脉冲星自转减慢：脉冲星自转减慢：观测、理论、应用 高速中子星：高速中子星：观测、统计模拟、理论中子星的预言和脉冲星的发现 1932年,Chadwick发现中子 1932年,Landau 预言中子星(卢瑟福回忆录
31、)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年毫秒脉冲星(基本上都是双星系统内)的发现射电脉冲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(中介脉冲中介脉冲)P/10pulse脉冲星脉冲星中子星的推断中子星的推断 星体
32、脉动的白矮星(?)P1s;Crab 脉冲星:P=0.0334s 高速旋转中子星?GMm/r2 mV2rot/r,Vrot=2r/P,M=(4/3)R3 (3)/(GP2),G=6.6710-8(cgs),PCrab(1/30)s 1.3 1011 g/cm3 (白矮星 106 g/cm3)结论:脉冲星脉冲星高速旋转的高速旋转的中子星中子星中子星(脉冲星)性质概要质量 (0.2-2.5)Msun 半径 (10-20)km自转周期 P 1.5 ms 8s(己发现的范围)表面磁场:大多数脉冲星:1010-1013 Gauss磁星(?)1014-1015 Gauss表面温度:105-106K 非脉冲(
33、软)x射线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 中子星表面大气的标高与大气层厚度中子星表面大气的标高与大气层厚度 p=p0 exp-h/h0,h0=kT/mg 表面重力加速度:g=GM/R2 1014 cm/s2 表面温度 T 106K,R 10 km M Msun=2 1033 克 对氢原子 mH=1.6710-24 克h0 1 cm推论:中子星大气层厚度 10 cm94颗脉冲(单)星的空间速度V(km/s)脉冲星数脉冲星数 所占百分比所占百分比 100 71 3/4 300 36 38
34、%500 14 15%1000 5 5%脉冲星的磁层光速光速园柱面园柱面开放磁力线开放磁力线辐射辐射束束r=c/B封闭封闭磁层磁层中子星中子星M=1.4 MSunR=10 kmB=10 8 to 10 13 Gauss正常正常 射电脉冲星射电脉冲星周期周期:十几毫秒到几秒。集中在：0.1 s-1 sCrab 脉冲星(PSR B0531):P=0.0334sVela 脉冲星(PSR B0833):P=0.0893s自转逐渐自转逐渐(稳定地稳定地)变慢变慢(周期,Spin down)原因原因:(主要原因)旋转的脉冲星辐射消耗转动能或周围吸积的旋转物质同磁层相互作用脉冲星旋转角动量减少 周期增长率典
35、型值：dP/dt 10-15ss-1射电脉冲星Millisecond 脉冲星脉冲星(在密近双星系统中或位于球状星团内物质密集区内)P 几毫秒它们不是年轻脉冲星,而是一种再生(或再加速,Recycle)脉冲星:通过吸积它周围旋转物质而使脉冲星本身转动加快 螺旋桨机制 周期变率典型值：dP/dt 10-20 ss-1年轻脉冲星的Glitch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。Vela PRS 和Crab PSR,3-4年出现一次。后来陆续发现更多的脉冲星出现
36、微Glitch现象(周期变短幅度低于10-12)glitchPtGlitch:脉冲周期脉冲周期突然变短现象突然变短现象脉冲星的射电辐射机理脉冲星的射电辐射机理中子星表面壳层的脱出功很高，使得其表面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以外存在一个很薄的真空隙(gap)。随着脉冲星高速旋转随着脉冲星高速旋转,(通过单极感应通过单极感应)旋转磁旋转磁场在中子星两磁极区诱导产生很强的电场场在中子星两磁极区诱导产生很强的电场(大大致沿磁场方向致沿磁场方向)。在真空隙区内一旦出现电子或正电子在真空隙区内一旦出现电子或正电子(偶尔外来的偶尔外来的高能高能光子在强磁场下就可以产生正、
37、负电子对光子在强磁场下就可以产生正、负电子对),这这个强电场将使它们迅速加速到很高的能量个强电场将使它们迅速加速到很高的能量(1014eV)。这些极端相对论性的正、负电子沿着极区这些极端相对论性的正、负电子沿着极区(略微弯略微弯曲的曲的)磁力线向外运动时将辐射能量亦很高的磁力线向外运动时将辐射能量亦很高的光光子。子。在强磁场下这些在强磁场下这些光子光子(当它们同磁场斜交时当它们同磁场斜交时)再次再次产生正、负电子对产生正、负电子对;在电场下它们再加速在电场下它们再加速.。这种级联过程雪崩式地产生正、负电子对。在真空这种级联过程雪崩式地产生正、负电子对。在真空隙的上部大量高能正、负电子对沿着极区
38、开放隙的上部大量高能正、负电子对沿着极区开放(有有些弯曲些弯曲)磁力线运动磁力线运动 曲率辐射曲率辐射产生了我们观测到产生了我们观测到的射电波段辐射的射电波段辐射而高能电子绕磁力线旋转的同步加速辐射产生光学而高能电子绕磁力线旋转的同步加速辐射产生光学和和x-ray辐射辐射(在光学园柱面附近在光学园柱面附近)RS(Ruderman-Sutherland)模型。模型。只有当磁轴和旋转轴相互倾斜时，随着脉冲星的旋只有当磁轴和旋转轴相互倾斜时，随着脉冲星的旋转转,沿磁轴方向射出的射电波才会呈现出一个个脉沿磁轴方向射出的射电波才会呈现出一个个脉冲形式冲形式 灯塔效应。灯塔效应。X-射线脉冲星与磁星除了射
39、电脉冲外，Crab等少数几个脉冲星脉冲星在光学波段、X-ray 或-ray也都呈现出(频率相同的)脉冲辐射。其他的脉冲星只有射电脉冲辐射。包含致密星的密近双星系统内光学主星的大气物质流向致密星时可能会伴随发射X射线脉冲辐射，称为X-射线脉冲星。HMXB(高质量x射线双星系统,约150多个)己发现50多颗X-射线脉冲星;LMXB(低质量x射线双星系统,也有150多个)只发现四、五个X-射线脉冲星,而且它们的磁场非常弱，低于1010Gauss SNR(超新星遗迹)内的一类射电射电宁静的X射线点源中 有的已探测到X射线脉冲AXPs(反常X射线脉冲星)SGRs(软重复爆)周期（5-12 s）,dP/d
40、t 10-11ss-1(典型值)在AXPs和SGRs中(迄今发现总数量已超过10个),磁场非常强，B (1014 -1015)Gauss称为磁星磁星(Magnitar)高质量高质量X-ray双星双星(HMXB)吸积物质提供者是早型(O,B)星,M10M(主星)150多个HMXB中己发现50多个x-ray脉冲星(其中光学主星多数为Be星)低质量低质量X-ray 双星双星(LMXB)中子星中子星(主星主星)充分演化充分演化的的红矮星红矮星(辅星辅星)M1.2M吸积盘吸积盘Roche 点点150多个LMXB中只发现5多个x-ray脉冲星。一般认为它们可能产生x-ray暴。例EXO0748-676EX
41、O0748-676星周星周物质物质X-ray暴的源暴的源X射线双星X-ray双星双星X-ray 脉冲星脉冲星周期为1-1000 s的规则脉冲星X-ray 暴暴Frequent Outbursts of 10-100s durationwith lower,persistent X-ray flux inbetween I型型X射线暴射线暴 Burst energy proportionalto duration of preceedinginactivity periodBy far most of the burstersII型型X射线暴射线暴Burst energy proportiona
42、lto duration of followinginactivity period“Rapid burster”and GRO J1744-28?(Bursting pulsar:GRO J1744-28)Others(e.g.no bursts found yet)中子星内部结构核心3P2 (5-8)%质子 (II 型超导体)(正常)电子Fermi气体=(g/cm3)10141011104107内壳(超富中子核、晶体、自由电子)外壳(重金属晶体)夸克物质?1S0 和 3P2 中子超流体1S03P2 中子超流中子星内的中子超流涡旋运动Vortex flow涡丝核心(正常中子流体)Vortex
43、 flow(Eddy current,Whirling fluid)()2nnVrm rn:涡旋量子数超流体2()2nnrm rnmndlV22量子化环量(涡旋强度):脉冲星自转减慢（现有理论）磁偶极模型磁偶极模型(Magnetic Dipole Model)辐射功率 自转能减慢 磁场 特征年龄dtdEWrotem221IErot321RBmpP2,2332mcWem 制动指数 n(braking index)定义：变形式：磁偶极模型制动指数:n=3 目前的观测结果:只有5颗年轻的脉冲星的n的测定必较可靠从左上方向右下方的点线代表等磁场线从左下方向右上方的点线代表等年龄线(磁偶极模型)AXPs
44、&SGRs在(P,dP/dt)图上脉冲星的分布脉冲星N-LogB12 分布图(观测)脉冲星研究中的重大疑难问题 自转减慢(Spin down)机制?脉冲星射电(X-ray,-ray)辐射机制?辐射产生区域?年轻脉冲星Glitch现象产生机制?制动指数 n1.25s 脉冲星(87个)中子星的超流涡旋管(涡丝)涡丝间的距离涡丝间的距离:cmmhan1211010104MeVPMeVS)10.005.0()(2)(2301cmsPnmnbn2/12/12)1.0(10能隙能隙(Cooper对的结合能对的结合能):涡丝间的间距为宏观尺度。每个涡旋管内的绝大多数中子处于超流状态当中子星内部温度 T/kB下,中子系统处于超流状态中子超流涡旋的两种辐射中子超流涡旋的两种辐射脉冲星脉冲星(自转减慢自转减慢)混杂混杂(Hybrid)模型模型2160sin1044.2A280sin1001.3B比较比较33n nconst.nnJiJfJpfiJJJ中微子左右不对称导致中子星的反冲中子星的加速曲线中子星的加速曲线P/P0模型下中子星的加速曲线NSV模型的主要结论
