2022年医学专题—毫秒脉冲星及(1).ppt

中子星内中子超流涡旋(w xun)及其天文效应,涡丝核心(正常中子(zhngz)流体),中子(zhngz)超流体,彭秋和(南京大学天文系),第一页，共一百五十二页。,目录(ml),I.脉冲星(高速旋转的中子星)基本的观测性质II.有关凝聚态(超流与超导)的物理预备知识III.我们的有关研究背景IV.磁星超强磁场的物理本质 各向异性中子超流体3P2中子Cooper对的顺磁磁化现象V.强磁场下电子(dinz)气体的Fermi能同磁场强度的相关性VI.磁星的活动性与高X-射线光度VII.年轻脉冲星Glitch的物理本质:3P2 中子超流体 的相震荡模型,第二页，共一百五十二页。,I.脉冲星(高速旋转的中子星)基本的观测(gunc)性质,第三页，共一百五十二页。,中子星的预言(yyn)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)1934年Baade&Zwicky正式提出中子星观念(gunnin),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年发现毫秒脉冲星(基本都是双星系统内),第四页，共一百五十二页。,射电脉冲(michng),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(binhu)、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(zhuq)(P),Interpulse(中介脉冲),P/10,pulse,第五页，共一百五十二页。,1054超新星遗迹(yj),-蟹状星云(xngyn)(Crab)及其脉冲星(PSR0531),第六页，共一百五十二页。,射电脉冲星,第七页，共一百五十二页。,脉冲星的磁层,第八页，共一百五十二页。,光速(un s)园柱面,开放(kifng)磁力线,辐射(fsh)束,r=c/,B,封闭磁层,中子星M=1.4 MSunR=10 kmB=10 8 to 10 13 Gauss,第九页，共一百五十二页。,中子星(脉冲星)性质(xngzh)概要,质量(zhling)(0.2-2.5)M 半径(10-20)km自转周期 P 1.4 ms 8s(己发现的范围)中子星大气层厚度 10 cm表面磁场:1010-1013 Gauss(绝大多数脉冲星)磁星:1014-1015 Gauss表面温度:105-106K 非脉冲(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 通常恒星(包括产生中子星的前身星):20-50 km/s,第十页，共一百五十二页。,中子星强磁场(cchng)和磁星超强磁场(cchng)的物理原因,中子星的初始(ch sh)本底磁场:通过超新星核心坍缩过程中，由于磁通量守恒:,问题:1)大多数中子星观测到的1011-1013高斯的强磁场的物理原因(yunyn)?2)磁星(1014-1015 gauss)的物理本质?3)磁星高X-射线光度?4)磁星的活动性(Flare&Burst)?,(B(0)为中子星的初始本底磁场)。天文观测表明:（除AP星以外)上半主序星表面磁场低于太阳型恒星的表面磁场(它由光球下面有表层对流区),低于1-10 gauss。通过坍缩难以获得通常中子星(1011-1013)gauss的磁场强度与磁星(1014-1015)gauss的磁场强度。,难以利用脉冲星自转能的损失率来解释其很高的X-射线光度。,第十一页，共一百五十二页。,年轻脉冲星的Glitch现象:(非常规则缓慢增长(zngzhng)的)脉冲周期(P)突然变短现象,脉冲周期(zhuq)平稳地增长背景上偶然地脉冲周期(zhuq)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。迄今已发现约72个脉冲星出现Glitch现象(共约210次),至少有9个脉冲星的Glitch幅度超过1.010-6。PRS Vela:36年出现11次 Glitch,其中9次Glitch的幅度超过1.010-6;PSR Crab:36年出现19次Glitch,幅度超过1.010-6的仅1次;PSR 1737-30 呈现9次Glitch,它的最大幅度仅达到0.710-6。此外，还发现更多脉冲星呈现微Glitch现象(周期变短幅度低于10-12),glitch,P,t,第十二页，共一百五十二页。,高速(o s)中子星,脉冲星诞生于超新星爆发的中心高速脉冲星 v=800 1000 km/s!前身星(大质量主序星):v(20 50)km/s 为什么?不对称的爆发或发射(辐射或中微子)导致(dozh)非常巨大的“kick.”,第十三页，共一百五十二页。,高速(o s)脉冲星的直接观测证据,由于脉冲星相对(xingdu)于Guitar星云(超音速)运动而形成的弓形激波 V 1000 km/sec(Cordes,Romani and Lundgren 1993),Guitar Nebula copyright J.M.Cordes,Guitar PSR B2224+65,第十四页，共一百五十二页。,94颗脉冲(单)星的空间(kngjin)速度,V(km/s)脉冲星数 所占百分比 100 71 3/4 300 36 38%500 14 15%1000 5 5%,第十五页，共一百五十二页。,脉冲星空间速度方向(fngxing)同它的旋转轴共线,至少(zhsho)对Crab and Vela PSR(Lai,Chernoff and Cordes(20001),Crab 星云(xngyn)脉冲星,第十六页，共一百五十二页。,II.有关凝聚态(超流与超导(cho do)的物理预备知识,第十七页，共一百五十二页。,中子星内部(nib)物理环境,核心(hxn)(1km),3P2(各向异牲)中子(zhngz)超流涡旋区,1S0(各向同性)中子超流涡旋区,(5-8)%质子(II 型超导体?)(正常)电子Fermi气体,=(g/cm3),1014,1011,107,内壳超富中子核、晶体、自由电子,外壳(重金属晶体),夸克物质?,51014,104,中子星内部结构:中子超流涡旋运动,电子气体为超相对论简并(非超导)中子(质子)气体为非相对论简并,第十八页，共一百五十二页。,中子星内部物理学:凝聚态物理(wl)+核物理(wl)+粒子物理(wl),中子星壳层:中子数目远远高出质子数目的丰中子重原子核组成的晶格点阵。原子核的质量(结合能)公式对壳层的组分与结构起着决定性作用。中子星内部(nib)物理环境:nuc=2.81014 g/cm3 T 5108 K,EF(e)60MeV(Relativistic electrons)EF(n)60MeV(non-Relativistic neutrons)Ye 0.05(Ye:电子丰度)质子丰度 Xp 0.05(8%)(中子系统与质子系统都处于相对论高度简并状态)中子星外核心(壳层以内(y ni):凝聚态物理(特别是超流超导)起着决定性作用。中子星内核心：夸克物质。粒子物理起决定性作用。,第十九页，共一百五十二页。,超流与超导(cho do)现象,(1908年?发现)当温度接近于绝对零度时，几乎所有的物质都要凝结成固体状态，而唯独氦却仍然保持其液体状态。通常液体内部存在内摩擦力粘滞力。可是，当温度低于2.7K时，液态氦却完全丧失了这种粘滞性。液态氦的这种性质称为超流性。(低温下液氦还存在超导的特性)(1911年发现)许多金属，半导体，合金低温下具有(jyu)超导性质:a）超导性:每一种物质都有一个临界温度(相变温度)T。当 T T，电阻率T5，当 T T，0，即电阻几乎为0,存在永久性电流。(实验上表明:其中环形电流持续两年而无衰减的迹象)b)当T=T 时，正常相 超导相的转变为二级相变两种相的热力学势相等 Gn(H.T)=Gs(H.T)但无潜热，比热有跃变 c)超导体的完全抗磁性 Meissnel效应,第二十页，共一百五十二页。,晶格点阵中自由电子(z yu din z)与离子间的相互作用,格点正离子,电子(dinz)A,交换(jiohun)声子,电子B,离子振动状态变化,交换声子,电子A的库仑吸引作用使离子的振动状态变化，这种改变影响另一邻近电子B的运动,这导致了电子A同电子B之间的间接相互作用剩余的库仑相互作用。这种剩余相互作用能量大小只有10-4 eV,第二十一页，共一百五十二页。,电子(dinz)Cooper对,通过(以格点离子为枢纽)两次交换声子的二级过程，在格点离子附近的两个电子间接地呈现了相互作用。在接近绝对零度环境(hunjng)下，当电子的热运动能量(kT)远低于等离子体(电子)振荡能量(Epe)时，两个电子之间的这种间接相互作用呈现出吸引。这种吸引作用导致在动量空间中，在费米能级附近、动量大小相等、方向相反的两个电子会结合成一个“小家庭”,称为Cooper对。形成Cooper对的吸引相互作用正是由于上述库仑相互作用的剩余作用造成的。电子Cooper的结合能(对能)(电子超导能隙)10-4 eV,第二十二页，共一百五十二页。,能级(nngj)图,E=0,E=EF,正常(zhngchng)Fermi粒能级占据图,超流超导Fermi粒子能级(nngj)占据图,E=EF,kT,当 T T=/k 时,系统处于超导(或超流)状态T:相变温度,第二十三页，共一百五十二页。,中子(zhngz)Cooper对,中子星内部:=10111015克/厘米3中子(质子、电子)都处于高度简并状态。EF(n)60MeV，而中子星内部即使 5108 的高温，中子平均的热运动能 kT 0.05MeV，kT(1/120)EF。中子星的密度特别高，中子之间的距离约 1 fm时，中子之间就会产生(chnshng)很强的核力相互作用(吸引力)。由于这种核力作用，使得费米能级附近的、动量大小相等、方向相反的中子稳定地结合在一起 中子Cooper对。1 MeV(中子1S0 对能随密度变化而显著变化)由于kT,中子星内部呈现中子超流现象。所有的中子Cooper对可以全部处于最低能量状态，爱因斯坦凝聚现象。Cooper对之间彼此可看成独立的，它们没有相互作用，因而没有摩察作用，呈现超流现象。(若为质子,则系统可能处于超导状态),第二十四页，共一百五十二页。,中子星内部(nib)的中子超流体,在密度很高时，当核力起作用时，在核力短稳强相互作用下，中子间产生很强的吸引力，这种吸引的能量量级 1MeV。1959年:Gintzberg就预言中子星内中子流体处于超流状态。由于当时尚未发现脉冲星(高速旋转的中子星),故未讨论观测效应。1969年:Baym等为了解释Vala和Crab等年轻(ninqng)的脉冲星自转突然增快现象（Glitch）,提出了中子星内部超流涡旋状态，才正式引起人们重视。但这只是间接证据。2011年：中子星的内部存在着 3P2 中子超流体的直接证据 2011年2月发表的论文中才给出。D.Page et al.(Physical Review Letters,106,081101(2011),第二十五页，共一百五十二页。,3P2中子(zhngz)超流体存在的直接观测证据,1999年 空间x-望远镜Chndra于1999年对超新星遗迹 Cas A(SN 1680)进行了探测。SNR Cas A的距离约为3.4 Kpc。利用未磁化的碳原子大气模型很好地拟合 Cas A的热的软x-ray谱，表面温度为2106K,发射星体的半径为8-17Km。发现了银河系内最年轻的中子星(目前年龄只有333年)。通过分析2000-2009年间10年的观测资料，Heinke and Ho(ApJL,719,L