化學加熱機制對中子星熱演化的影響

余俊

摘 要：中子星由致密核物質組成，它的內部組成有中子、電子、質子到奇異性物質等許多可能，因為中子星的內部可能會出現超導、超流等一系列性質，所以中子星的內部物質的成分和物態是許多科學家目前研究的方向。中子星的熱演化和它內部致密核物質的物態方程、組成成分緊密相關。通過將理論上的熱演化曲線與實際觀測到的數據進行對比，是一種研究中子星的結構、物質和解釋一些物理現象的有效方法。

關鍵詞：中子星；熱演化；化學加熱

1 中子星的形成過程

1.1中子星是一個超密中子簡并星，主要是有中子和少量的質子，電子構成。

中子星的形成過程主要分為三個部分。第一部分中子化階段。當恒星的質量大于106g/cm-3 時，中子星內部會達到β 衰變過程的條件，電子和質子發生碰撞，形成了中微子和中子，質子數減少，原子核的能量越來越大，由此在原子的中心形成了富中子核，這一過程被人們稱為中子化。第二部分就是自由中子發射。當星體的中子化程度越來越高，質子數下降，中子的能量增大，中子就會逃離原子核。第三個部分是，當恒星的密度達到了10×1014g/cm-3這個數量級時，中子星的原子核就會全部離解，電子和質子結合形成中子，這樣整個中子星就為中性。

1.2中子星的結構

根據目前科學家所研究的結果，可以將中子星的結構分為5個部分。大氣層：它的厚度約為0.1-10cm。外殼層：外殼層厚度大概有幾百米。內殼層：內殼層的厚度有幾千米。外核：中子星的外核厚度大約有幾千米。內核：它的內核半徑有幾千米。

2 中子星的冷卻理論

中子星的冷卻主要有以下三個階段：

第一階段：熱弛豫階段，當時間t小于10～100yrs時，中子星的內部的中微子發生輻射，使其中子星的核心很快冷卻，但是中子星的外殼層冷卻速度并沒有核心那么快，因此殼層的溫度要高于核心，這時候中子星的外殼可以在一定程度上減緩熱量的散失的熱量，這樣中子星的外殼就像一個保溫套，外殼的冷卻主要靠熱傳導，將外殼的溫度傳遞到核心部分，因此，中子星的溫度反映的是外殼的熱狀態。

第二個階段：中微子的冷卻階段，這個階段的時間t小于等于105yrs。

這個階段中微子的輻射光度遠大于表面輻射光度，因此中子星的冷卻主要由中微子的輻射決定，這時候中子星的表面溫度主要依賴中子星的內部溫度。

第三個階段：光子冷卻階段，這個階段的時間t大于等于105yrs。這時候中微子的輻射光度遠遠小于中子星表面光子的輻射光度。因此，中子星的溫度主要取決于表面光子輻射所散失的能量。中子星內部溫度的變化被表面的熱性質決定

中子星的冷卻理論是由Tsuruta & Cameron這兩個人建立的。由能量守恒定律和熱傳導的公式可知：在單位時間內，中子星單位體積能量E的減少等于中微子輻射帶走的能量和溫度梯度差導致的熱量散出的總和。可以得到如下公式

這里的cv表示的是單位體積的熱容量，￡v表示的是中微子輻射過程的能量的損失率。通過一系列的計算，我們可以得到以下公式

我們研究熱演化理論的目的是為了模擬中子星的熱演化曲線，將理論曲線和實際曲線進行比較。我們考慮中子星內部沒有加熱機制的冷卻曲線。它可以解釋一部分中子星的觀測數據，但這種模型還有一定的局限性，

在實際觀測數據中，我們發現有些中子星在t大于109yrs后它的表面溫度依然高于105k，但是我們的標準模型的冷卻曲線是低于實際值。因此，我們考慮到中子星的內部存在一些加熱機制，影響著標準模型，所以上述表達式并不準確，我們在此式的基礎上進行一定的修改。

cv表示的是單位體積的熱容量，表示表面光子輻射光度，表示中微子的輻射光度

下面我們主要研究化學加熱機制對中子星熱演化的影響，這樣我們能夠在一定程度上彌補標準模型的不足之處。

3 什么是化學加熱

中子星的內部的化學加熱是因為中子星的旋轉速度逐漸變慢，從而導致中子星里面β平衡的偏離。當中子星的旋轉速度變慢，它的離心力變小，星體的體積減少，這樣中子星的里面物質的濃度變大，它的平衡狀態發生了改變。這樣中子星的內部會再次發生化學反應，這樣中子星的內部會在次達到一個平衡。當星體內部的化學反應的速率小于中子星旋轉導致濃度上升的反應，這樣這個系統將永遠不會達到平衡。中子星的內部會偏向化學反應，因此星體內部會產生一些額外的能量，額外的能量會通過某些反應轉化為熱能是中子星加熱。我們會通過星體的旋轉過程和物態方程計算化學加熱對中子星熱演化的影響。

3.1化學加熱機制對中子星熱演化的影響

Reisenegger等幾位科學家研究了簡單中子星物質的化學加熱。在這之后提出了一個簡單的模型，當中子星內部只有npe三種非超流物質。我們可以定義質子數的密度來表示這種物質的化學轉態。當星體處于平衡狀態時，中子星的表面的能量密度￡和表面的壓強p都是常數，并且質子數的密度x也是一個定值。我們可以定義旋轉過程中中子星表面的中子數密度之比為

根據一些科學家的大量計算，可以得到以下圖像

從上圖可以得知，當中子星不考慮加熱機制的情況下，中子星的熱演化分為三個階段，在t小于10～100yrs的時間內，由于中子星的外殼冷卻速度較慢，因此對于中子星內部相當于一個保護層，使中子星的溫度在一定時間內不會有很大的變化。T小于等于105yrs時，中微子輻射，中子星的能量大量散失，導致中子星的的溫度急劇下降.t大于等于105yrs，發生光子輻射。

但是當有化學加熱機制存在的情況下，我們可以看到，在即將發生光子輻射階段之前，中子星的溫度會有一定的提升，使其溫度下降速度變慢。因此，我們就可以建立相應的模型，去解釋其他中子星的熱演化。