【正文】 高質(zhì)量X雙星(HMXB)內(nèi)的中子星磁場很強。為什么? 7)毫秒脈沖星重要特性: 低磁場, 無Glitch, 空間速度不高, 物理原因? 我們的目標: 統(tǒng)一解釋的脈沖星的主要觀測現(xiàn)象 8) 脈沖星射電 (Xray, ?ray)輻射(fsh232。)機制? 輻射產(chǎn)生區(qū)域? 9)是否存在(裸)奇異(夸克)星?,第一百零八頁，共一百五十二頁。,VII 年輕(ni225。nqīng)脈沖星 Glitch的物理本質(zhì): 3P2 中子超流體B相 ? A相 的相震蕩模型,第一百零九頁，共一百五十二頁。,年輕脈沖星的Glitch現(xiàn)象: (非常規(guī)則緩慢增長(zēngzhǎng)的)脈沖周期 (P) 突然變短現(xiàn)象,脈沖周期平穩(wěn)地增長背景上偶然地脈沖周期會突然變短(周期變化幅度為1061010) ，隨后較之前更迅速地變慢，持續(xù)直到恢復過去的周期增長率。這種現(xiàn)象稱為Glitch現(xiàn)象。 迄今已發(fā)現(xiàn)約72個脈沖星出現(xiàn)Glitch現(xiàn)象(共約189次),至少(zh236。shǎo)有8個脈沖星的Glitch幅度超過1.0106。 PRS Vela : 36年出現(xiàn)11次 Glitch ,其中9次Glitch的幅度超過1.0106。 PSR Crab: 36年出現(xiàn)19次Glitch,幅度超過1.0106的僅1次。 PSR 173730 呈現(xiàn)9次Glitch,它的最大幅度僅達到0.7106。 此外，還發(fā)現(xiàn)更多脈沖星呈現(xiàn)微Glitch現(xiàn)象(周期變短幅度低于1012),glitch,P,t,第一百一十頁，共一百五十二頁。,After Glitch (Lyne et.al., 2000),第一百一十一頁，共一百五十二頁。,圖上Glitch脈沖星的分布(fēnb249。),圖中菱形的高度(gāod249。)表征脈沖星Glitch的 菱形的寬度表征脈沖星Glitch出現(xiàn)的次數(shù)(頻數(shù)),第一百一十二頁，共一百五十二頁。,在B –τc 圖上Glitch脈沖星的分布(fēnb249。),B:磁場強度(c237。chǎng qi225。ngd249。),脈沖星的特征(t232。zhēng)年齡,第一百一十三頁，共一百五十二頁。,脈沖星Glitch幅度同脈沖周期(zhōuqī)的關系(觀測) ( Lyne,1995),第一百一十四頁，共一百五十二頁。,Glitch幅度同相繼Glitch的時間間隔(ji224。n g233。)間的關系,Slop ~ 400 days ppm1 。 Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531。 ppm= 106,PSR J05376910 (LMC),第一百一十五頁，共一百五十二頁。,Glitch幅度(fd249。)同其后平穩(wěn)時間間隔間的關系,Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531。 ppm= 106,第一百一十六頁，共一百五十二頁。,Glitch現(xiàn)有的理論(lǐl249。n)模型???,1.(殼層)星震模型(Baym, 1969) : 這個模型下，Vela PSR相繼兩次Glitch出現(xiàn)的時間間隔約為103年，這同觀測事實(26年11次)相差太遠。此模型失敗。 2. 中子星核心震動模型 (Pines et al., 1972) :在這模型下幾年可能出 現(xiàn)一次Glitch,每次核心震動會釋放(sh236。f224。ng) 1045erg 的能量。它將立即加熱 中子星并很快地使它變成為一個強X射線源。但是在Glitch現(xiàn)象期間 或之后，從未發(fā)生這種現(xiàn)象。這個模型己被排除。 3. 殼層超流體耦合作用下的超流渦絲爬行模型(Anderson and Ruderman,1984):困難在于它無法解釋Vela PSR 的巨Glitch現(xiàn)象。,4. 中子超流渦絲同質(zhì)子超導磁通管的扭纏效應(Ruderman, Zhu and Chen(1998):此模型被B.Link等人對PSR B181811 定時觀測資料的分析(fēnxī)完全否定(Link Rezania,2003,Aamp。A, 399,653). (B.Link,2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101),第一百一十七頁，共一百五十二頁。,4. 中子超流渦絲同質(zhì)子超導(chāo dǎo)磁通管的扭纏效應 (Ruderman, Zhu and Chen(1998),B.Link的計算發(fā)現(xiàn) (2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101), 這種較強的纏繞相互作用將引起中子星的自轉(zhuǎn)軸繞著磁軸快速地進動，進動 速率達到 Ωp ≈ 10 rad s1. (進動周期Pp = 2π/ Ωp 1s) B. Link從PSR B181811 定時觀測資料的分析發(fā)現(xiàn)它的自轉(zhuǎn)軸 進動周期約為1年，幅度≈3186。 (Link Rezania,2003,Aamp。A, 399,653). B.Link的結(jié)論:上述中子超流渦絲質(zhì)子超導磁通管纏繞相互作用引 起的進動不可能是長時標(1年)的。由此推斷(tuīdu224。n): 中子超流渦旋區(qū)域同II型質(zhì)子超導態(tài)(超導磁通管)區(qū)域是不會共存 的。這類型模型是不成立的。,第一百一十八頁，共一百五十二頁。,3P2中子超流渦旋(wō xu225。n)的磁偶極輻射,在較強的外磁場下，中子星內(nèi)3P2 中子超流體處于各向異性（B相) 狀態(tài)，在一定(yīd236。ng)溫度下磁矩方向沿著外磁場方向排列的3P2 中子 Cooper對數(shù)量多于逆磁場方向排列的3P2 中子Cooper對。這就導致 了3P2 中子Cooper對整體的Pauli順磁磁矩(當溫度降低時，這種 Pauli順磁磁矩增強)。這些處于超流渦旋運動狀態(tài)的中子繞著超流 渦絲軸線高速旋轉(zhuǎn)。離渦絲軸線愈近的中子其旋轉(zhuǎn)角速度愈大(距 離平方成反比, 最高角速度可達1020/sec以上)。具有磁矩的中子就 會發(fā)出磁偶極輻射。 處于超流渦旋運動狀態(tài)的中子在進行磁偶極輻射的同時是通過 Ekman泵循環(huán)機制來進行的。它將導致中子星殼層內(nèi)的(正常中子) 向內(nèi)遷移。這種3P2中子超流渦旋的磁偶極輻射的能量最終從中子 星殼層內(nèi)中子向內(nèi)遷移過程中釋放的引力勢能。這種3P2中子超流 渦旋的磁偶極輻射產(chǎn)生的(X射線)的光子將很快地被物質(zhì)吸收而加 熱。,第一百一十九頁，共一百五十二頁。,3P2中子超流體內(nèi)每個中子的平均(p237。ngjūn)(有效)磁矩,3P2中子(zhōngzǐ)超流體(由于3P2中子Cooper對)的總磁矩,3P2中子(zhōngzǐ)超流體內(nèi)每個中子(zhōngzǐ)的平均(有效)磁矩,第一百二十頁，共一百五十二頁。,具有(j249。yǒu)磁矩的中子的磁偶極輻射,其中α為磁傾角(磁矩方向與旋轉(zhuǎn)(xu225。nzhuǎn)軸線方向間夾角),在相干的體積(tǐjī)內(nèi)中子氣體發(fā)射的磁偶極輻射功率為,第一百二十一頁，共一百五十二頁。,續(xù),,一條超流渦絲輻射(fsh232。)的功率:,第一百二十二頁，共一百五十二頁。,中子星內(nèi)所有3P2中子(zhōngzǐ)超流渦絲磁偶極輻射總功率,第一百二十三頁，共一百五十二頁。,各向異性(ɡ232。 xi224。nɡ y236。 x236。nɡ)3P2超流體中的加熱率,3P2 中子超流渦旋的磁偶極輻射—產(chǎn)生(x射線(sh232。xi224。n))輻射。被中子星物質(zhì)吸收而使中子星加熱。對年輕脈沖星，磁偶極輻射很強，使中子星內(nèi)加熱率超過了冷卻率，反而使溫度上升。,第一百二十四頁，共一百五十二頁。,冷卻(lěngqu232。)率,修正的Urca過程(發(fā)射中微子): 1)未考慮(kǎolǜ)超流體的抑制,2) 計入超流體(litǐ)的抑制后的修正Urca過程,第一百二十五頁，共一百五十二頁。,附：說明(shuōm237。ng),第一百二十六頁，共一百五十二頁。,冷卻(lěngqu232。)率__PBF,PBF (pair Breaking and formation)中微子發(fā)射過程 在兩個正常(zh232。ngch225。ng)中子結(jié)合成中子Cooper對過程中，通過中性流弱作用發(fā) 射中微子對。由于熱運動(或其它加熱機制)供給能量拆散Cooper對 構(gòu)成一個循環(huán)過程,導致中子星冷卻。這種機制僅僅正在從正常中 子轉(zhuǎn)變?yōu)槌髦凶訝顟B(tài)的相變過程中才出現(xiàn)。對于完全沒有正常中 子成分的超流狀態(tài)(溫度明顯低于相變溫度)情形，這種機制不起作 用。,一旦這種機制起作用, 它的冷卻效率遠遠超過修正的Urca過程。 但是，當這種PBF機制不出現(xiàn)時，修正的Urca過程就成為重要的冷卻機制。在本問題中，由于在A相中僅存在極少部分(b249。 fen)(ζq 1)正常中子,因此在冷卻過程中, PBF過程可以忽畧。,第一百二十七頁，共一百五十二頁。,直接的Urca過程(gu242。ch233。ng)的冷卻率,直接(zh237。jiē)的Urca過程的條件:,直接(zh237。jiē)的Urca過程的中微子發(fā)射率,對于處于β平衡的中子星情形, Xp 8%, 直接的Urca過程 不會出現(xiàn)。,第一百二十八頁，共一百五十二頁。,3P2中子超流體的A?B的相震蕩 — 導致(dǎozh236。) Glitch現(xiàn)象,我們的3P2中子Cooper對磁矩的磁偶極輻射(3P2 MDRA)的加熱機制 將使偏離ESP狀態(tài)(B相)的3P2中子Cooper對的磁矩投影指向恢復到 完全混亂的ESP狀態(tài)(A相，即 “等概率狀態(tài)”)。一旦3P2中子超流 體恢復ESP狀態(tài)，原來偏離ESP狀態(tài)(B相)的誘導磁矩也就隨之消 失。我們的3P2 MDRA也就不出現(xiàn)。這時, 只有通常的冷卻機制起 作用。在這個加熱過程的同時, 3P2 MDRA也提供能量(n233。ngli224。ng)使得一部分 (ζ) 3P2中子Cooper對解體。每一個被解體的3P2Cooper對釋放出 兩個正常中子。這些正常中子具有一定數(shù)量時，它們同正常質(zhì)子的 強烈耦合作用將使自轉(zhuǎn)較慢的中子星殼層被核心超流體的快速旋轉(zhuǎn) 而帶動，這就產(chǎn)生了Glitch現(xiàn)象。 一旦 3P2 中子超流體的B相 → A相, 加熱機制消失，冷卻機制的 作用將使得3P2 中子超流體很快地再度偏離ESP狀態(tài)， A相 → B 相。 3P2 中子超流體再度出現(xiàn)誘導磁矩，產(chǎn)生相應的的誘導磁場。,第一百二十九頁，共一百五十二頁。,主要(zhǔy224。o)思路,1) 3P2中子超流體溫度明顯低于相變溫度 2) 當3P2中子超流體處于B相狀態(tài)時，(除了超流渦絲核心區(qū)域外) 沒有正常中子成分。因此，PBF冷卻機制不出現(xiàn)。在從3P2中子超流 體的B相向A相轉(zhuǎn)變的過程中，只有修正的Urca中微子發(fā)射的冷卻 機制和3P2 中子超流渦旋的磁偶極輻射(fsh232。)的加熱機制過程的競爭。 我們的3P2中子Cooper對磁矩的磁偶極輻射(3P2 MDRA)的產(chǎn)熱率 超過修正的Urca過程的冷卻率，由于這種凈剩的熱量供給，使得那 些偏離ESP狀態(tài)的3P2中子Cooper對的磁矩逐漸地恢復到完全混亂的 ESP狀(即 “等概率狀態(tài)”的A 相)。這段時間即加熱時標,3) 在這段加熱時標內(nèi)，同時也會有一部分3P2中子Cooper對因加熱而解體(設其數(shù)量占百分比為ζ),轉(zhuǎn) 變?yōu)檎Ｖ凶?。即?P2中子超流體恢復A相的同時, 數(shù)量為ζN(3P2)的3P2中子Cooper對被拆散為正常中子(總共(zǒngg242。ng)數(shù)量為2ζN(3P2))。它占總的中子數(shù)目的比例為ζq ( 所有3P2中子Cooper對內(nèi)的中子數(shù)目占中子總數(shù)的比例為q ),第一百三十頁，共一百五十二頁。,Glitch(中子星殼層旋轉(zhuǎn)突然(tūr225。n)加快),4) 根據(jù)B.Link的論證：中子超流渦旋區(qū)域同II型質(zhì)子超導態(tài)(超導磁通管)區(qū)域是不會共存的(2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101), 因此我們可以認為在中子超流渦旋區(qū)域內(nèi)，質(zhì)子系統(tǒng)處于正常的Fermi 流體狀態(tài)。而質(zhì)子系統(tǒng)（通過Coulomb 相互作用)同中子星內(nèi)部和殼層的電子系統(tǒng)緊密地結(jié)合,它們同中子星外殼共同以(脈沖星)觀測到的角速度(Ω=2π/P)統(tǒng)一地繞中子星旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，基本上同中子星內(nèi)部中子超流渦旋區(qū)域脫耦,它們僅僅通過質(zhì)子同中子超流渦絲軸線核心區(qū)域數(shù)量極少的正常中子之間的作用的或電子磁矩同它們的磁矩之間極為微弱相互作用來聯(lián)系。 但是， 數(shù)量(指所占比例)為ζq 的(剛被拆散(chāi sǎn)的)正常中子則將會通過核力即正常的質(zhì)子強烈地耦合,正是由于這種強烈耦合, 使得內(nèi)部快速旋轉(zhuǎn)的整個中子流體系統(tǒng)將通過較強的耦合作用帶動外部慢速旋轉(zhuǎn)的殼層，使它突然加快旋轉(zhuǎn),即導致了中子星整體磁球(包括殼層)的轉(zhuǎn)動突然加快，呈現(xiàn)出Glitch現(xiàn)象。,第一百三十一頁，共一百五十二頁。,Glitch的間隔(ji224。n g233。)時標,5)一旦3P2中子超流體恢復ESP狀態(tài)，原來偏離ESP狀態(tài)(B相)的 誘導磁矩也就隨之消失(由B相轉(zhuǎn)變?yōu)锳相,加熱時標為theat)。 此后,我們的3P2 中子超流渦旋體的磁偶極輻射 (3P2 MDRA) 也 就不會出現(xiàn)。加熱機制消失，僅僅只有冷卻機制起作用。這種冷 卻機制將使前述被拆散的一部分(ζ ) 3P2中子Cooper對的正常中 子再次恢復為Cooper對。同時，隨著溫度的下降, 在各向異性中 子超流體內(nèi)的3P2中子 Cooper對的磁矩在中子星內(nèi)部強磁場環(huán)境 下有著自發(fā)地轉(zhuǎn)向外磁場方向(fāngxi224。ng)排列的趨勢, 即部分3P2中子 Cooper對的磁矩(自旋)又迅速偏離ESP狀態(tài)。它們再次迅速地趨 向于統(tǒng)計平衡的B相 (即3P2 中子超流體從ESP狀態(tài)的A相完全轉(zhuǎn) 變?yōu)槠xESP的狀態(tài)的B相)。 相繼兩次Glitch的時間間隔 ? 加熱時標 + 冷卻時標,第一百三十二頁，共一百五十二頁。,冷卻(lěngqu232。)時標,Glitch現(xiàn)象的發(fā)生是由于旋轉(zhuǎn)很慢的外部殼層同內(nèi)部旋轉(zhuǎn)很快的中子超流體(在Glitch觸發(fā)時標內(nèi))突然同強烈耦合在一起而被它拖曳(tuōy232。)帶動迅速加快引起的。物理實質(zhì)是中子星內(nèi)部的正常中子(源自被拆散的一部分(ζ ) 3P2中子Cooper對) 通過正常中子質(zhì)子(核力)相互作用與質(zhì)子電子間庫侖相互作用同外面殼層之間相互耦合造依的。 由于冷卻機制, 隨著溫度的下降, 在各向異性中子超流體內(nèi)的3P2中子 Cooper對的磁矩在中子星內(nèi)部強磁場環(huán)境下有著自發(fā)地轉(zhuǎn)向外磁場方向排列的趨勢, 即部分3P2中子Cooper對的磁矩(自旋)又開始偏離ESP狀態(tài)。它們再次迅速地趨向于統(tǒng)計平衡的B相 (即3P2 中子超流體從A相完全轉(zhuǎn)變?yōu)锽相)。與此同時, 上述被拆散的一部分(ζ ) 3P2中子Cooper對的正常中子由于中微子發(fā)射(PBF或MUrca過程)再度恢復為C