中子星內(nèi)中子超流渦旋及其天文效應(yīng)

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1、北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),第39卷,增刊,2003年12月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.39,S.S.(Dec,2003)中子星內(nèi)中子超流渦旋及其天文效應(yīng)彭秋和(南京大學(xué)天文系,南京,210093)摘要討論了中子星內(nèi)中子超流渦旋。介紹了與之有關(guān)的兩個模型:(1)高速中子星的中微子3火箭噴流模型;(2)脈沖星周期突變的P2中子超流渦旋相振蕩模型。關(guān)鍵詞中子星;超流中圖分類號P124;P144中子星(或脈沖星)主要有如下性質(zhì):(1)質(zhì)量～(012—

2、215)M⊙;(2)半徑～(10—20)km;(3)自轉(zhuǎn)周期P～115ms—815s(已發(fā)現(xiàn)的范圍);(4)中子星表面存在大氣層,其厚度～1010131415cm;(5)絕大多數(shù)脈沖星表面極冠區(qū)磁場～10—10Gs;(6)可能存在磁場～10—10Gs的56中子星(稱為“磁星”);(7)表面溫度～10—10K,因此一些中子星發(fā)射非脈沖軟X射線熱輻射;(8)已發(fā)現(xiàn)約30個脈沖星同超新星遺跡成協(xié);(9)脈沖星具有高速空間運動,大多數(shù)速度V～(200—500)kmPs,但有5顆脈沖星的速度V>1000kmPs,然而通常恒星(包括

3、產(chǎn)生中子星的前身星)的空間運動速度只有～20—50kmPs。當(dāng)今脈沖星研究中存在一些重大疑難問題。諸如:(1)自轉(zhuǎn)減慢(Spindown)的物理機制?(2)脈沖星射電、X、γ輻射的物理機制?(3)輻射產(chǎn)生區(qū)域在哪里?(4)年輕脈沖星周期突跳(glitch)現(xiàn)象的產(chǎn)生機制?(5)制動指數(shù)n為何同標準磁偶極輻射模型不符,n<3?(6)真的存在磁星嗎?(7)脈沖星非常高的空間運動速度是如何產(chǎn)生的?(8)脈沖星是中子星還是奇異(夸克)星?關(guān)于脈沖星自轉(zhuǎn)減慢問題,現(xiàn)有的理論包括:標準磁偶極模型,超流渦旋的中微子輻射模[1]型,盤吸

4、積模型,脈沖星表面電流效應(yīng),誕生初期的引力波輻射,磁層表面歐姆加熱,等等。[2]Malov的統(tǒng)計認為,可能存在兩類脈沖星。對P>1125s的脈沖星,其自轉(zhuǎn)減慢只能由中國小[1]組的NSV(中子超流渦旋)模型描述;對011s

5、密度高于～5×10gPcm的核心區(qū)(～1km)的物質(zhì)組成,目前還未定論,不過可能存在夸克物質(zhì)。一個有趣的問題是,中子超流體的能隙值到底有多大?早在1971年,Yang和Clark用變分1213311方法計算發(fā)現(xiàn):在密度7×10<ρ<5×10gPcm范圍內(nèi),純中子流體的S0能隙:Δ(S0)≥收稿日期:200321221572增刊彭秋和:中子星內(nèi)中子超流渦旋及其天文效應(yīng)1331132MeV;當(dāng)ρ≈2×10gPcm時,Δ≈2135MeV。實際上,可能從ρ>10gPcm開始,中子就形成14133Cooper對;而對應(yīng)于ρ>114

6、×10時,Δ(S0)≈0。關(guān)于P2能隙Δ(P2)的計算,從1970年代開[3]3始就出現(xiàn),至今不斷改進。根據(jù)Elgaroey等人的計算,對于純中子物質(zhì):Δ(P2)>0(Fermi動-1-1量:112fm

7、數(shù),V(r)=。2mnr渦絲中心釘扎在正常原子核上。在中子星赤道平面上,超流渦絲呈三角點陣分布。超流渦旋管的核心是正常狀態(tài)的中子流體,其半徑的半徑為ha0≈≈10fm。4mnΔ1P2nh-21P2P這些渦絲間的距離是宏觀尺度,b=≈10ncm。mnΩ011s每個渦旋管內(nèi)的絕大多數(shù)中子都處于超流狀態(tài)。當(dāng)中子星內(nèi)部溫度低于ΔPkB時,中子系統(tǒng)處于就將表現(xiàn)為相應(yīng)的宏觀量子力學(xué)(超流)現(xiàn)象。[1]作渦旋運動的超流中子將存在兩種輻射:(1)中微子回旋輻射導(dǎo)致自轉(zhuǎn)減慢,其原理是:按照粒子物理學(xué)中Wenberg2Salam弱電統(tǒng)一理論

8、,作回旋運動的中子會輻射中微子2反中微子對(類似于作回旋運動的電子而輻射光子)。出射的中微子直接逃逸出中子星,消耗中子星轉(zhuǎn)動能,帶走角動量,使脈沖星自轉(zhuǎn)減慢。(2)各向異性的中子超流渦旋的磁偶極輻射導(dǎo)致中3子星內(nèi)部加熱,其原理為:P2中子Cooper對具有磁矩,在繞磁力線作回旋運動中產(chǎn)生X射線輻射。這些光子被中子星物