【正文】 高質(zhì)量X雙星(HMXB)內(nèi)的中子星磁場(chǎng)很強(qiáng)。為什么? 7)毫秒脈沖星重要特性: 低磁場(chǎng), 無(wú)Glitch, 空間速度不高, 物理原因? 我們的目標(biāo): 統(tǒng)一解釋的脈沖星的主要觀測(cè)現(xiàn)象 8) 脈沖星射電 (Xray, ?ray)輻射(fsh232。)機(jī)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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,年輕脈沖星的Glitch現(xiàn)象: (非常規(guī)則緩慢增長(zhǎng)(zēngzhǎng)的)脈沖周期 (P) 突然變短現(xiàn)象,脈沖周期平穩(wěn)地增長(zhǎng)背景上偶然地脈沖周期會(huì)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(fù)過(guò)去的周期增長(zhǎng)率。這種現(xiàn)象稱為Glitch現(xiàn)象。 迄今已發(fā)現(xiàn)約72個(gè)脈沖星出現(xiàn)Glitch現(xiàn)象(共約189次),至少(zh236。shǎo)有8個(gè)脈沖星的Glitch幅度超過(guò)1.0106。 PRS Vela : 36年出現(xiàn)11次 Glitch ,其中9次Glitch的幅度超過(guò)1.0106。 PSR Crab: 36年出現(xiàn)19次Glitch,幅度超過(guò)1.0106的僅1次。 PSR 173730 呈現(xiàn)9次Glitch,它的最大幅度僅達(dá)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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,After Glitch (Lyne et.al., 2000),第一百一十一頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,在B –τc 圖上Glitch脈沖星的分布(fēnb249。),B:磁場(chǎng)強(qiáng)度(c237。chǎng qi225。ngd249。),脈沖星的特征(t232。zhēng)年齡,第一百一十三頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,脈沖星Glitch幅度同脈沖周期(zhōuqī)的關(guān)系(觀測(cè)) ( Lyne,1995),第一百一十四頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,Glitch幅度同相繼Glitch的時(shí)間間隔(ji224。n g233。)間的關(guān)系,Slop ~ 400 days ppm1 。 Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531。 ppm= 106,PSR J05376910 (LMC),第一百一十五頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,Glitch幅度(fd249。)同其后平穩(wěn)時(shí)間間隔間的關(guān)系,Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531。 ppm= 106,第一百一十六頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,Glitch現(xiàn)有的理論(lǐl249。n)模型???,1.(殼層)星震模型(Baym, 1969) : 這個(gè)模型下，Vela PSR相繼兩次Glitch出現(xiàn)的時(shí)間間隔約為103年，這同觀測(cè)事實(shí)(26年11次)相差太遠(yuǎn)。此模型失敗。 2. 中子星核心震動(dòng)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(dòng)會(huì)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(gè)強(qiáng)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(gè)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(wú)法解釋Vela PSR 的巨Glitch現(xiàn)象。,4. 中子超流渦絲同質(zhì)子超導(dǎo)磁通管的扭纏效應(yīng)(Ruderman, Zhu and Chen(1998):此模型被B.Link等人對(duì)PSR B181811 定時(shí)觀測(cè)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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,4. 中子超流渦絲同質(zhì)子超導(dǎo)(chāo dǎo)磁通管的扭纏效應(yīng) (Ruderman, Zhu and Chen(1998),B.Link的計(jì)算發(fā)現(xiàn) (2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101), 這種較強(qiáng)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(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng) 速率達(dá)到 Ωp ≈ 10 rad s1. (進(jìn)動(dòng)周期Pp = 2π/ Ωp 1s) B. Link從PSR B181811 定時(shí)觀測(cè)資料的分析發(fā)現(xiàn)它的自轉(zhuǎn)軸 進(jìn)動(dòng)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(dǎo)磁通管纏繞相互作用引 起的進(jìn)動(dòng)不可能是長(zhǎng)時(shí)標(biāo)(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(dǎo)態(tài)(超導(dǎo)磁通管)區(qū)域是不會(huì)共存 的。這類型模型是不成立的。,第一百一十八頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,3P2中子超流渦旋(wō xu225。n)的磁偶極輻射,在較強(qiáng)的外磁場(chǎng)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(chǎng)方向排列的3P2 中子 Cooper對(duì)數(shù)量多于逆磁場(chǎng)方向排列的3P2 中子Cooper對(duì)。這就導(dǎo)致 了3P2 中子Cooper對(duì)整體的Pauli順磁磁矩(當(dāng)溫度降低時(shí)，這種 Pauli順磁磁矩增強(qiáng))。這些處于超流渦旋運(yùn)動(dòng)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(dá)1020/sec以上)。具有磁矩的中子就 會(huì)發(fā)出磁偶極輻射。 處于超流渦旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的中子在進(jìn)行磁偶極輻射的同時(shí)是通過(guò) Ekman泵循環(huán)機(jī)制來(lái)進(jìn)行的。它將導(dǎo)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(guò)程中釋放的引力勢(shì)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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,3P2中子超流體內(nèi)每個(gè)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(duì))的總磁矩,3P2中子(zhōngzǐ)超流體內(nèi)每個(gè)中子(zhōngzǐ)的平均(有效)磁矩,第一百二十頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,續(xù),,一條超流渦絲輻射(fsh232。)的功率:,第一百二十二頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,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(duì)年輕脈沖星，磁偶極輻射很強(qiáng)，使中子星內(nèi)加熱率超過(guò)了冷卻率，反而使溫度上升。,第一百二十四頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,冷卻(lěngqu232。)率,修正的Urca過(guò)程(發(fā)射中微子): 1)未考慮(kǎolǜ)超流體的抑制,2) 計(jì)入超流體(litǐ)的抑制后的修正Urca過(guò)程,第一百二十五頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,附：說(shuō)明(shuōm237。ng),第一百二十六頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,冷卻(lěngqu232。)率__PBF,PBF (pair Breaking and formation)中微子發(fā)射過(guò)程 在兩個(gè)正常(zh232。ngch225。ng)中子結(jié)合成中子Cooper對(duì)過(guò)程中，通過(guò)中性流弱作用發(fā) 射中微子對(duì)。由于熱運(yùn)動(dòng)(或其它加熱機(jī)制)供給能量拆散Cooper對(duì) 構(gòu)成一個(gè)循環(huán)過(guò)程,導(dǎo)致中子星冷卻。這種機(jī)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(guò)程中才出現(xiàn)。對(duì)于完全沒(méi)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(jī)制不起作 用。,一旦這種機(jī)制起作用, 它的冷卻效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)修正的Urca過(guò)程。 但是，當(dāng)這種PBF機(jī)制不出現(xiàn)時(shí)，修正的Urca過(guò)程就成為重要的冷卻機(jī)制。在本問(wèn)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(guò)程中, PBF過(guò)程可以忽畧。,第一百二十七頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,直接的Urca過(guò)程(gu242。ch233。ng)的冷卻率,直接(zh237。jiē)的Urca過(guò)程的條件:,直接(zh237。jiē)的Urca過(guò)程的中微子發(fā)射率,對(duì)于處于β平衡的中子星情形, Xp 8%, 直接的Urca過(guò)程 不會(huì)出現(xiàn)。,第一百二十八頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,3P2中子超流體的A?B的相震蕩 — 導(dǎo)致(dǎozh236。) Glitch現(xiàn)象,我們的3P2中子Cooper對(duì)磁矩的磁偶極輻射(3P2 MDRA)的加熱機(jī)制 將使偏離ESP狀態(tài)(B相)的3P2中子Cooper對(duì)的磁矩投影指向恢復(fù)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(fù)ESP狀態(tài)，原來(lái)偏離ESP狀態(tài)(B相)的誘導(dǎo)磁矩也就隨之消 失。我們的3P2 MDRA也就不出現(xiàn)。這時(shí), 只有通常的冷卻機(jī)制起 作用。在這個(gè)加熱過(guò)程的同時(shí), 3P2 MDRA也提供能量(n233。ngli224。ng)使得一部分 (ζ) 3P2中子Cooper對(duì)解體。每一個(gè)被解體的3P2Cooper對(duì)釋放出 兩個(gè)正常中子。這些正常中子具有一定數(shù)量時(shí)，它們同正常質(zhì)子的 強(qiáng)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(dòng)，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(jī)制消失，冷卻機(jī)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(dǎo)磁矩，產(chǎn)生相應(yīng)的的誘導(dǎo)磁場(chǎng)。,第一百二十九頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,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(dāng)3P2中子超流體處于B相狀態(tài)時(shí)，(除了超流渦絲核心區(qū)域外) 沒(méi)有正常中子成分。因此，PBF冷卻機(jī)制不出現(xiàn)。在從3P2中子超流 體的B相向A相轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，只有修正的Urca中微子發(fā)射的冷卻 機(jī)制和3P2 中子超流渦旋的磁偶極輻射(fsh232。)的加熱機(jī)制過(guò)程的競(jìng)爭(zhēng)。 我們的3P2中子Cooper對(duì)磁矩的磁偶極輻射(3P2 MDRA)的產(chǎn)熱率 超過(guò)修正的Urca過(guò)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(duì)的磁矩逐漸地恢復(fù)到完全混亂的 ESP狀(即 “等概率狀態(tài)”的A 相)。這段時(shí)間即加熱時(shí)標(biāo),3) 在這段加熱時(shí)標(biāo)內(nèi)，同時(shí)也會(huì)有一部分3P2中子Cooper對(duì)因加熱而解體(設(shè)其數(shù)量占百分比為ζ),轉(zhuǎn) 變?yōu)檎Ｖ凶?。即?dāng)3P2中子超流體恢復(fù)A相的同時(shí), 數(shù)量為ζN(3P2)的3P2中子Cooper對(duì)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(duì)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(yè)，共一百五十二頁(yè)。,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(dǎo)態(tài)(超導(dǎo)磁通管)區(qū)域是不會(huì)共存的(2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101), 因此我們可以認(rèn)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(guò)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(cè)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(guò)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(lái)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(huì)通過(guò)核力即正常的質(zhì)子強(qiáng)烈地耦合,正是由于這種強(qiáng)烈耦合, 使得內(nèi)部快速旋轉(zhuǎn)的整個(gè)中子流體系統(tǒng)將通過(guò)較強(qiáng)的耦合作用帶動(dòng)外部慢速旋轉(zhuǎn)的殼層，使它突然加快旋轉(zhuǎn),即導(dǎo)致了中子星整體磁球(包括殼層)的轉(zhuǎn)動(dòng)突然加快，呈現(xiàn)出Glitch現(xiàn)象。,第一百三十一頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,Glitch的間隔(ji224。n g233。)時(shí)標(biāo),5)一旦3P2中子超流體恢復(fù)ESP狀態(tài)，原來(lái)偏離ESP狀態(tài)(B相)的 誘導(dǎo)磁矩也就隨之消失(由B相轉(zhuǎn)變?yōu)锳相,加熱時(shí)標(biāo)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(huì)出現(xiàn)。加熱機(jī)制消失，僅僅只有冷卻機(jī)制起作用。這種冷 卻機(jī)制將使前述被拆散的一部分(ζ ) 3P2中子Cooper對(duì)的正常中 子再次恢復(fù)為Cooper對(duì)。同時(shí)，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(duì)的磁矩在中子星內(nèi)部強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境 下有著自發(fā)地轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向(fāngxi224。ng)排列的趨勢(shì), 即部分3P2中子 Cooper對(duì)的磁矩(自旋)又迅速偏離ESP狀態(tài)。它們?cè)俅窝杆俚刳?向于統(tǒng)計(jì)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(shí)間間隔 ? 加熱時(shí)標(biāo) + 冷卻時(shí)標(biāo),第一百三十二頁(yè)，共一百五十二頁(yè)。,冷卻(lěngqu232。)時(shí)標(biāo),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(shí)標(biāo)內(nèi))突然同強(qiáng)烈耦合在一起而被它拖曳(tuōy232。)帶動(dòng)迅速加快引起的。物理實(shí)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(duì)) 通過(guò)正常中子質(zhì)子(核力)相互作用與質(zhì)子電子間庫(kù)侖相互作用同外面殼層之間相互耦合造依的。 由于冷卻機(jī)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(duì)的磁矩在中子星內(nèi)部強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下有著自發(fā)地轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向排列的趨勢(shì), 即部分3P2中子Cooper對(duì)的磁矩(自旋)又開(kāi)始偏離ESP狀態(tài)。它們?cè)俅窝杆俚刳呄蛴诮y(tǒng)計(jì)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(shí), 上述被拆散的一部分(ζ ) 3P2中子Cooper對(duì)的正常中子由于中微子發(fā)射(PBF或MUrca過(guò)程)再度恢復(fù)為C