中子星加热与脉冲星

年轻脉冲星Glitch物理原因━我 们的模型:
模型I : ―各向异性中子超流体正常中子流体相震荡模型”
(Chin. J. Astron. Astrophys. Vol. 6(2006) No.3, 297-304 )
—— 可能对某些脉冲星巨 Glitch有效。
模型II: ― 3P2中子超流体的A相B相的相震荡模型 ”
И.Φ. MaЛОВ, <PAДИОПУЛЬСАРЫ>, 2004,(p.83)
Log(dP/dt)-15=(1.750.56)logP – (0.01 0.15) (对 P > 1.25s 脉冲星 (87个) )
对 P > 1s.25 脉冲星
自转减慢只能由中国小组的NSV(中 子超流涡旋)模型描述;
弱磁场(<1010 Gauss) 未探测到Glitch现象 空间运动速度不高(V<100km/s)
脉冲星自转减慢（现有理论）
•磁偶极模型(标准模型, 1968)
•超流涡旋的中微子辐射
(Peng et al., 1982) •盘吸积模型 •脉冲星表面电流效应 •诞生初期的引力波辐射 •磁层表面欧姆加热
2) 3P2 Cooper对(总自旋为1, 磁矩为中子反常磁矩的两倍)。 Δ(3P2 ) ～0.05MeV (Ø. ElgarØy et al. , PRL,77(1996)1428) (3.31014 < (g/cm3) < 5.21014) (ρnuc=2.8×1014 g/cm3) 3P 为各向异性,类似于液态3He。 2
–– For Heating 原理: 3P2 中子Cooper对具有磁矩,在回旋运动中它产生 (x-射线)辐射。被中子星物质吸收而使中子星加热。
(Peng, Huang & Huang, 1980 ; Huang, Lingenfelter, Peng and Huang,
脉冲星(自转减慢)混杂(Hybrid)模型

脉冲星转动动能损失率

周ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ增长率
A0 2.441016 sin 2
B0 3.01108 sin 2

超流涡旋的演化(假设)
比较
混杂模型 磁偶极辐射模型
const . n
β 3 <3 3 →n n <3
Malov统计(2001,Astronomy Reports, Vol.45,389)
Anderson, 2001, MNRAS, 324,811; Rezania,2003,A&A, 399,653).
B.Link的结论:上述中子超流涡丝-质子超导磁通管缠绕相互作用引 起的进动不可能是长时标(1年)的。由此推断: 中子超流涡旋区域同II型质子超导态(超导磁通管)区域是不会共存 的。这类型模型是不成立的。
1)高速中子星的物理原因?(2003) 2)中子星强磁场(1011-13 gauss)的起源?(2006) 3) 磁星(1014-15 gauss)及其活动性的物理本质?(2009) 4)年轻脉冲星周期突变(Glitch)现象的物理本质?(2010) 5)缺脉冲(Null-pulse)和Some times pulsars现象 6)低质量X-双星(LMXB)内的中子星磁场很低; 高质量X-双星(HMXB)内的中子星磁场很强。为什么? 7)毫秒脉冲星重要特性: 低磁场, 无Glitch, 空间速度不高, 物理原因? 8) 脉冲星射电 (X-ray, -ray)辐射机制? 辐射产生区域? 9)是否存在(裸)奇异(夸克)星? 我们的目标: 统一解释的脉冲星的主要观测现象
Glitch幅度同其后平稳时间间隔间的关系
Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531; ppm= 10-6
缓慢Glitch现象
王娜等人(2005): 发现有一颗脉冲星出现Glitch现象，但周 期 “突变”时标明显长于几天。
III 有关背景
正常Fermi粒能级占据图
脉冲星辐射的磁偶 2 2 W m em 极模型(标准模型,1969 ) 3
3c
1 m Bp R3 2
2 P
Wem
dE rot dt
Erot
1 I 2 2
• 辐射功率 • 自转能减慢
,
• 磁场 • 特征年龄
中子超流涡旋的两种辐射
––
1)
27年前我们的研究
(Peng, Huang & Huang 1982)
两种性质不同的中子超流体
自由的两个中子不可能结合成稳定的束缚态（两个核子系 统只有氘核 (n-p)才存在很浅的束缚态）。但在集体效应 下(在动量空间中)可能组成稳定的Cooper对。 自旋为1/2的两个中子组成的Cooper对有两种可能性: 1) 1S0 Cooper对(总自旋为0,无磁矩),非常稳定。 1011 < ρ (g/cm3) < 1.4 × 1014 时, Δn(1S0) > 0。 大部分区域 Δ(1S0) ～2MeV, 1S 中子超流体为各向同性, 类似于液态4He — HeII 0
脉冲星Glitch现象的物理本质
—3P2中子超流体(A相B相)相震荡模型
彭秋和
(南京大学天文系)
涡丝核心(正常中子流体)
中子超流体
I 引言
射电脉冲星
正常 射电脉冲星
周期:十几毫秒到几秒。 集中在：0.1 s-1 s Crab 脉冲星(PSR B0531): P = 0.0334s Vela 脉冲星(PSR B0833): P = 0.0893s 自转逐渐变慢(主要)原因: 脉冲星辐射消耗转动能; 或吸积的旋转物质同磁层相 互作用,使脉冲星旋转变慢。 周期增长率典型值： dP/dt 10-15ss-1
E=EF
超流超导Fermi粒子能级占据图 BCS理论 E=EF
kT

能级图
当 T <Tλ =∆/k 时, 系统处于超导 (或超流)状态 Tλ: 相变温度
E=0
中子星内部的中子超流体 （BEC超流）
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 Δ～1MeV。 1959年Gintzberg就预言中子星内中子流体处于超流状态, 未讨论观测效应。 1969年Baym等为了解释Vala和Crab自转突然增快现象 （Glitch）提出中子星内部超流涡旋状态，才正式引起 人们重视。
夸克物质 ???
外壳 (重金属晶体)
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 flow (Eddy current, Whirling fluid)
2n V dl 2mn
量子化环量( 涡旋强度):
超流体
n (r ) 2 2mn r
0 106 0
4. 中子超流涡丝同质子超导磁通管的扭缠效应
(Ruderman, Zhu and Chen(1998) B.Link的计算发现 (2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101), 这种较强的 缠绕相互作用将引起中子星的自转轴绕着磁轴快速地进动，进动 速率达到 Ωp ≈ 10 rad s-1. (进动周期Pp = 2π/ Ωp <1s) B. Link从PSR B1818-11 定时观测资料的分析发现它的自转轴 进动周期约为1年，幅度≈3º (Link & Epstein, 2001, ApJ. 556,392; Jones &
对 0s.1 < P < 1s.25 脉冲星
自转减慢可由磁偶极辐射和NSV辐射 联合模型来描述。
Peng, Huang & Huang 1980;
Peng, Huang & Huang, 1982 ;
Huang, Lingenfelter, Peng and Huang, 1982
中子星(脉冲星)的主要疑难问题
中子星内部结构: 中子超流涡旋运动
= (g/cm3) 1011 51014 1014 10
7
10
4
内壳
1S 0
(各向同性)
核心 (1km)
3P (各向异牲) 2 中子超流涡旋区
中子超流涡旋区 (5-8)% 质子 ( II 型超导体?) (正常)电子Fermi气体
超富中 子核、 晶体、 自由电 子
— 导致 Glitch现象
3P 中子超流体的A相与B相 2
1) 3P2中子超流体的A相: 当环境磁场非常弱时，平均来说，每个3P2 中子Cooper对的自旋 投影的分布是 “等概率分布”,称为 ESP (Equal Spin pair)。在 Fermi海深处的中子自旋投影的分布也是 “等概率分布”。它们 不呈现有整体磁矩。基本上各向同性, 我们把它称为3P2 中子超 流体的A相（类似于零温附近液态3He的A相)。 2) 3P2 中子超流体的B相 在较强磁场下,3P2 中子超流体偏离“等概率分布” 状态，即它 的3P2 中子Cooper对以及位于Fermi海深处的简并中子的自旋投影 的分布都不是 “等概率分布”, 这时3P2 中子超流体整体将呈现 诱导磁矩,性质是各向异性的。其统计性质是同每个Cooper 对的 磁矩能量以及同温度相关的。我们称这种各向异性的状态为3P2 中子超流体的B相(类似于零温附近液态3He的B相)。
P
1/ P

glitch
t
~ 10 2 10 3
~ 10 6 10 10
After Glitch (Lyne et.al., 2000)
图上Glitch脉冲星的分布
0 图中菱形的高度表征脉冲星Glitch的 菱形的宽度表征脉冲星Glitch出现的次数(频数)
n: 涡旋量子数
n V (r) 2mn r
涡旋管核心(正常中子状态
Glitch现有的理论模型?
1.(壳层)星震模型(Baym, 1969): 这个模型下，Vela PSR相继两次Glitch出现的时间间隔约为103年， 这同观测事实(26年11次)相差太远。因而此模型失败。 2. 中子星核心震动模型 (Pines et al., 1972):在这模型下几年可能出 现一次Glitch,每次核心震动会释放 1045erg 的能量。它将立即加热 中子星并很快地使它变成为一个强X射线源。但是在Glitch现象期间 或之后，从未发生这种现象，因而这个模型己被排除。 3. 壳层-超流体耦合作用下的超流涡丝爬行模型(Anderson and Ruderman,1984):这个模型的困难在于它无法解释Vela PSR 的巨 Glitch现象
毫秒脉冲星(Millisecond)
(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
毫秒脉冲星的典型性质:
(
0
)
在B –τc 图上Glitch脉冲星的分布
B:磁场强度
c P P
脉冲星的特征年龄
脉冲星Glitch幅度同脉冲周期的关系(观测)
( Lyne,1995)
Glitch幅度同相继Glitch的时间间隔间的关系
PSR J0537-6910 (LMC)
Slop ~ 400 days ppm-1 ; Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531; ppm= 10-6
中微子回旋辐射––For Spin down
原理:按照粒子物理学中Wenberg – Salam 弱电统一理论,
作回旋运动的中子会辐射中微子-反中微子对 (类似于作回旋运动的电子会辐射一对光子) 出射的中微子直接逃逸出中子星,消耗中子星转动能，带 走角动量，使脉冲星自转减慢。
2) 各向异性的中子超流涡旋的磁偶极辐射
II 年轻脉冲星 Glitch的 观测现象
年轻脉冲星的Glitch现象:
(非常规则缓慢增长的)脉冲周期 (P) 突然变短现象 • 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。 迄今已发现约72个脉冲星出现Glitch现象(共约189次),至少有 8个脉冲星的Glitch幅度超过1.0×10-6。 PRS Vela : 36年出现11次 Glitch ,其中9次Glitch的幅度超过1.0×10-6; PSR Crab: 36年出现19次Glitch,幅度超过1.0×10-6的仅1次; PSR 1737-30 呈现9次Glitch,它的最大幅度仅达到0.7×10-6。 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)