從中子星的形成及演化機(jī)制探討其衰亡方式

洛陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院 河南 洛陽(yáng) 471934

近年來(lái)中子星的研究一直是天體物理研究的熱點(diǎn)和前沿,關(guān)于中子星的形成和中子星的結(jié)構(gòu)早已有了較成熟的理論模型,關(guān)于中子星的演化(包括熱演化,磁場(chǎng)演化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化)的理論研究也已有了較大進(jìn)展。在有關(guān)中子星演化的理論研究中,許多論文都已提及到一些中子星的衰亡方式,然而沒有對(duì)這些結(jié)果作系統(tǒng)的分析和總結(jié)。本文將依據(jù)已有的中子星結(jié)構(gòu)模型及其形成穩(wěn)定機(jī)制,綜合參考目前已有的關(guān)于中子星熱演化和磁衰減及中子星向奇異星轉(zhuǎn)變等演化理論,總結(jié)出中子星衰亡的兩種結(jié)果：轉(zhuǎn)變?yōu)槠娈愋牵谎莼珊诙础Ｆ娈愋羌仁菬嶂凶有窍蚝诙囱莼囊粋€(gè)過(guò)渡,也是冷中子星的歸宿。

一、中子星的結(jié)構(gòu)模型及其形成穩(wěn)定機(jī)制

中子星,是一種主要由中子以及少量的質(zhì)子、電子所組成的致密星。它的外層是一固體外殼,約有1公里厚,由原子核的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)并的自由電子氣組成,密度約為1011-1014g/cm3。外殼內(nèi)是一層主要由中子組成的流體,其密度大約為1014-1015g/cm3,在這一層還有少量的質(zhì)子、電子和μ介子。中心是約1公里的固態(tài)中子核心。由中子流體區(qū)向內(nèi)物質(zhì)密度不斷增加,可能出現(xiàn)不同能態(tài)的超子,從而形成超子流體,超子又可衰變產(chǎn)生π介子。中子星各層的物態(tài)取決于不同密度下粒子的性質(zhì)及發(fā)生的各種粒子反應(yīng)。

中子星產(chǎn)生于1.4-2.8Μ(設(shè)Μ為一倍太陽(yáng)質(zhì)量)的恒星核塌縮。坍縮過(guò)程產(chǎn)生的強(qiáng)大壓強(qiáng)在新星星體不同層面形成不同的高密度狀態(tài),這些不同的高密度狀態(tài)促成了中子星結(jié)構(gòu)的形成。中子星的形成包含逆β衰變,自由中子發(fā)射和原子核的離解三個(gè)過(guò)程。

逆β衰變：,在恒星的密度大于106g/cm3時(shí),便達(dá)到了逆β衰變產(chǎn)生的條件,隨著向內(nèi)深入,電子的能量越大,打進(jìn)原子核內(nèi)的數(shù)目越多,形成了很多富含中子的核,這就是中子化過(guò)程。

自由中子發(fā)射：逆β衰變過(guò)程導(dǎo)致原子核中的中子數(shù)越來(lái)越多,質(zhì)子數(shù)越來(lái)越少,原子核內(nèi)靜電斥力減小,從而使得原子核的結(jié)合力減弱。當(dāng)中子的能量大到一定程度(即內(nèi)核密度超過(guò)1011g/cm3量級(jí))時(shí)就會(huì)跑出原子核,形成自由中子發(fā)射。

原子核的離解：當(dāng)密度超過(guò)1014g/cm3后,原子核完全離解,質(zhì)子和電子相碰變?yōu)橹凶?成為中子的海洋。但仍有少量質(zhì)子和電子存在,它們是自發(fā)β衰變過(guò)程中產(chǎn)生的。

以上三個(gè)過(guò)程所需要的高密度在恒星強(qiáng)大的內(nèi)核坍縮時(shí)是可以得到滿足的。在中子星外層的少量電子可以以簡(jiǎn)并態(tài)存在,而到了里面,密度奇高,致使中子填滿了所有的能態(tài),大部分中子處于高能態(tài),形成了極其巨大的簡(jiǎn)并中子氣壓。簡(jiǎn)并中子氣壓和密度的5/3次方成正比,這和非相對(duì)論性簡(jiǎn)并電子氣壓與密度的關(guān)系一樣。然而中子流體的密度已超過(guò)1014g/cm3,致使簡(jiǎn)并中子氣所形成的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)簡(jiǎn)并電子氣,達(dá)到可以抗衡引起星體坍縮的引力的狀態(tài),這樣穩(wěn)定的中子星便形成了。

二、中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化

在超新星爆發(fā)形成中子星的過(guò)程中,恒星的質(zhì)量損失了一半以上,半徑也減少了10萬(wàn)倍左右,只余下一個(gè)星核。由角動(dòng)量守恒可知星核保留了恒星原有巨大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的相當(dāng)一部分,尺度縮減后的星核會(huì)高速旋轉(zhuǎn),在爆炸中產(chǎn)生的渦旋場(chǎng)會(huì)加速這一旋轉(zhuǎn),新生的中子星將以每秒數(shù)百轉(zhuǎn)的角速度高速旋轉(zhuǎn)。直到星體各部分所受的作用力與旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力平衡。旋轉(zhuǎn)將帶動(dòng)星體內(nèi)未中子化的質(zhì)子和電子運(yùn)動(dòng),但電子質(zhì)子又與星體各部分旋轉(zhuǎn)不同步,而且星體各部分的溫度相差也很大,因而存在強(qiáng)烈的溫差電,再加上星體的高速自轉(zhuǎn),自然形成異常強(qiáng)大的磁場(chǎng),觀測(cè)表明中子星的強(qiáng)磁場(chǎng)高達(dá)1012G。

當(dāng)中子星自轉(zhuǎn)及磁場(chǎng)形成后,若沒有吸積等外部干擾,中子星將處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),在以后的幾百萬(wàn)年里,中子星將主要通過(guò)放射中微子及極冠處的電磁輻射損耗自身能量。由于中子星磁軸與自轉(zhuǎn)軸不重合,因此有大量粒子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下加速?gòu)膬蓸O噴出,另有部分電子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用在中子星極冠處形成一個(gè)錐形的電磁輻射源。由于中子星旋轉(zhuǎn)太快,錐形輻射源會(huì)快速間斷的掃向地球,在地球上可以接收到脈沖狀輻射。到目前為止我們對(duì)中子星的性質(zhì)了解基本都源自這種脈沖狀輻射。通過(guò)觀測(cè)這種脈沖輻射的周期和強(qiáng)度,我們不僅可以知道被觀測(cè)星體的周期變化率,而且可以推測(cè)其內(nèi)部磁場(chǎng)變化及內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。長(zhǎng)期的觀測(cè)表明,中子星的自轉(zhuǎn)在不斷變慢。目前解釋中子星自轉(zhuǎn)變慢的理論普遍認(rèn)為它取決于中子星的磁場(chǎng)演化。

關(guān)于磁場(chǎng)演化,戴子高等人提出了一個(gè)中子星熱演化和磁衰減的模型。模型認(rèn)為：中子星因磁偶極輻射而自轉(zhuǎn)減慢,在內(nèi)部產(chǎn)生某些加熱過(guò)程,中子星磁場(chǎng)通過(guò)殼層的歐姆耗散來(lái)衰減[1]。結(jié)果表明,磁場(chǎng)衰減提高了加熱過(guò)程的重要性；相反,加熱效應(yīng)減慢了磁衰減。因此可以得出,中子星的熱、自轉(zhuǎn)和磁場(chǎng)也許不是獨(dú)立演化的[1]。

上述理論中加熱過(guò)程包括中子星自轉(zhuǎn)時(shí)摩擦加熱及內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)加熱,不包括吸積加熱。在考慮中子星熱演化和磁衰減的相互作用時(shí),給出了中子星內(nèi)部溫度演化,外部溫度演化及磁場(chǎng)演化圖[1]。從圖中可以看出,在不存在吸積加熱的影響下,中子星的磁場(chǎng)先快后慢地衰減,而中子星內(nèi)部及外部溫度都先慢后快地減弱,總體來(lái)看,中子星磁場(chǎng)不斷減弱,溫度不斷降低而變冷。

中子星變冷,自轉(zhuǎn)減慢會(huì)導(dǎo)致星體在自身引力下進(jìn)一步緊縮,中子星內(nèi)核密度ρ進(jìn)一步升高。當(dāng)ρ≥2ρ0時(shí)(ρ0為核物質(zhì)的飽和密度[2]),將發(fā)生π介子凝聚[3],由于內(nèi)核中π介子與核子之間的相互作用,一個(gè)中子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)π介子,而前面提到超子流體中超子衰變也可以產(chǎn)生π介子,又因?yàn)棣薪樽幼孕秊?,它們會(huì)形成Bose-Einstein凝聚,π介子凝聚將大大增加中微子發(fā)射率,中子星將更快冷卻。這也是圖1和圖2中曲線衰減先慢后快的原因。當(dāng)ρ≥2.75ρ0時(shí),將發(fā)生k介子凝聚[4],同樣k介子凝聚也會(huì)大大增加中微子發(fā)射率,加快中子星的冷卻。盡管中子星在變冷,但其內(nèi)部卻將發(fā)生根本性的變化,即由中子星到奇異星的轉(zhuǎn)變。

三、中子星向奇異星的轉(zhuǎn)變

奇異物質(zhì)是指組成中含有奇異夸克的三味夸克物質(zhì)。它被認(rèn)為比強(qiáng)子物質(zhì)更穩(wěn)定,并被證明能合理存在[5]。在前面中子星內(nèi)核發(fā)生π介子凝聚和k介子凝聚中就已產(chǎn)生了形成奇異物質(zhì)的種子。π介子是由u,d兩味夸克組成(一個(gè)u夸克與一個(gè)反d夸克組成一個(gè)π+介子,一個(gè)d夸克與一個(gè)反u夸克組成一個(gè)π-介子)。k介子是由u,s兩味夸克組成,其中s為奇異夸克。所以當(dāng)中子星內(nèi)核中k介子凝聚時(shí),就已產(chǎn)生了奇異物質(zhì)的種子。由于中子不帶電,它會(huì)擴(kuò)散到奇異物質(zhì)內(nèi),退禁閉后產(chǎn)生兩味夸克物質(zhì),進(jìn)而與奇異夸克組成更穩(wěn)定的三味夸克物質(zhì)。如此一來(lái)即相當(dāng)于奇異物質(zhì)由內(nèi)向外膨脹,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間中子星物質(zhì)都轉(zhuǎn)變?yōu)槠娈愇镔|(zhì),中子星轉(zhuǎn)變?yōu)槠娈愋?這段時(shí)間將是毫秒數(shù)量級(jí)。由于瞬間的結(jié)構(gòu)突變,新生的奇異星必然有大的徑向振動(dòng),其振動(dòng)能將高達(dá)1047爾格量級(jí)。奇異星表面的強(qiáng)烈振動(dòng)將引發(fā)磁場(chǎng)的變化,進(jìn)而產(chǎn)生電場(chǎng),該電場(chǎng)將加速帶電粒子,由于磁場(chǎng)很強(qiáng),較大振幅的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致帶電粒子瞬間被加速到極端相對(duì)論能量。Smith和Epstein證明帶電粒子從電場(chǎng)中獲得能量和磁場(chǎng)曲率輻射中損失的能量將達(dá)到平衡,在此以后曲率輻射光子將引起同步輻射和正負(fù)電子對(duì)的級(jí)聯(lián),正負(fù)電子對(duì)的級(jí)聯(lián)最終會(huì)以γ射線爆的形式表現(xiàn)出來(lái)。因此可以通過(guò)短暫而強(qiáng)烈的γ射線爆的觀測(cè)來(lái)推測(cè)中子星向奇異星的轉(zhuǎn)變。

中子星向奇異星的轉(zhuǎn)變還可由另一種方式--中子星的吸積進(jìn)行。由于一半左右的中子星都有伴星,這些有伴星的中子星可由吸積伴星質(zhì)量來(lái)增加自身質(zhì)量,(此外,中子星還可吸積環(huán)繞它的殘余盤或周圍星際介質(zhì)[6])。由于吸積過(guò)程要產(chǎn)生吸積熱加熱中子星,故這類中子星又被稱為熱中子星。當(dāng)熱中子星吸積使自身質(zhì)量達(dá)到1.4Μ時(shí),其中心密度會(huì)達(dá)到中子物質(zhì)的退禁閉密度,此時(shí),內(nèi)核中心會(huì)同樣經(jīng)由π介子凝聚和k介子凝聚產(chǎn)生奇異物質(zhì)。然后同冷中子星向奇異星轉(zhuǎn)變一樣,熱中子星也將轉(zhuǎn)變?yōu)槠娈愋恰２煌氖菬嶂凶有寝D(zhuǎn)變過(guò)程會(huì)引起很大的脈沖周期突變其大小取決于內(nèi)核物質(zhì)的物態(tài),其轉(zhuǎn)變時(shí)標(biāo)取決于奇異物質(zhì)的物態(tài)。我分析認(rèn)為冷中子星之所以沒有這點(diǎn)突變(或許也有但沒有這么明顯),原因在于冷中子星的脈沖周期沒有經(jīng)過(guò)吸積過(guò)程的影響早已均勻地變長(zhǎng)了。

熱中子星通過(guò)吸積轉(zhuǎn)變成更穩(wěn)定的奇異星,新生的奇異星由于在轉(zhuǎn)變過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)突變,將被中微子和其它類高能粒子及輻射帶走大量能量。這些變化有可能使新生奇異星停止吸積過(guò)程,然而如果這些變化不足以停止吸積過(guò)程,由于奇異物質(zhì)可以近似看成理想相對(duì)論費(fèi)米氣體,奇異星的體積將隨著吸積過(guò)程而加大,這一變化將減緩奇異星的自轉(zhuǎn)卻加速新生奇異星的吸積。當(dāng)奇異星吸積到足夠物質(zhì)使自身內(nèi)核的奇異物質(zhì)簡(jiǎn)并壓不足以抵抗自身的引力時(shí),奇異星將進(jìn)一步坍縮成為黑洞。

四、結(jié)論

通過(guò)研究分析中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化,總結(jié)出中子星衰亡的兩種方式：冷中子星通過(guò)內(nèi)核的π介子凝聚和k介子凝聚產(chǎn)生奇異物質(zhì)種子,在中子星內(nèi)核達(dá)到中子退禁閉密度時(shí),開始內(nèi)核物質(zhì)奇異化并向外膨脹瞬間完成中子星向奇異星的轉(zhuǎn)變。熱中子星通過(guò)吸積伴星質(zhì)量來(lái)使自身質(zhì)量增大到1.4Μ以上,內(nèi)核密度會(huì)達(dá)到中子物質(zhì)的退禁閉密度,從而開始經(jīng)由π介子凝聚和k介子凝聚產(chǎn)生奇異物質(zhì),然后向奇異星轉(zhuǎn)變,熱中子星變成的奇異星若繼續(xù)吸積,將會(huì)進(jìn)一步增大自身體積,從而加快吸積,當(dāng)吸積到足夠物質(zhì)使自身內(nèi)核的奇異物質(zhì)簡(jiǎn)并壓不足以抵抗自身的引力時(shí),奇異星將進(jìn)一步坍縮成為黑洞。由此可以得出奇異星既是熱中子星向黑洞演化的一個(gè)過(guò)渡,也是冷中子星的歸宿。