磁星的物理本质与活动性精.ppt

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1、磁星的物理本质与活动性第1页，本讲稿共39页磁星磁星-奇特的天文现象奇特的天文现象观测证据观测证据:脉冲星磁场测定脉冲星磁场测定 自转周期很长自转周期很长:周期增长率很高周期增长率很高:在在10 keV10 keV处观测到处观测到x-rayx-ray发射谱线发射谱线,被认为是在电子被认为是在电子(或质子或质子)在超强磁在超强磁 场下的场下的LandauLandau能级跃迁谱线能级跃迁谱线探测到能量为探测到能量为10104444 ergs ergs的的x-rayx-ray巨型耀斑衰减的尾巴。巨型耀斑衰减的尾巴。磁星是一类中子星磁星是一类中子星,它它(衰变衰变)的超强磁场作为它强大的超强磁场作为它

2、强大x-rayx-ray或或-ray辐射以及粒子发射的源泉。辐射以及粒子发射的源泉。两类磁星两类磁星:1)1)反常反常x-脉冲星脉冲星(Anormalous X-ray Pulsars-AXPs)2)2)软软重复暴重复暴(Soft Gamma Repeaters-SGRs)第2页，本讲稿共39页我们研究探讨的问题我们研究探讨的问题欲探讨的问题欲探讨的问题:磁星磁星(10(101414-10-101515 gauss)gauss)的物理本质的物理本质?磁星的活动性磁星的活动性:难以利用脉冲星自转能的损失率来解释。难以利用脉冲星自转能的损失率来解释。而且磁星的表面温度而且磁星的表面温度107 K,

3、远远超过通常中子星的表面温度远远超过通常中子星的表面温度(105-106 K)第3页，本讲稿共39页磁星超强磁场的物理本质磁星超强磁场的物理本质?己经提出的模型己经提出的模型:Ferrario&Wickrammasinghe(2005)suggest that the extra-strong magnetic field of the magnetars is descended from their stellar progenitor with high magnetic field core.Duncan&Thompson(1992,1993):-dynamo with initial

4、 spin period less than 3msIwazaki(2005)proposed the huge magnetic field of the magnetars is some color ferromagnetism of quark matter.Vink&Kuiper(2006)suggest that the magnetars originate from rapid ratating proto-neutron stars.我们探讨我们探讨3 3P P2 2 中子超流体的诱导磁矩产生的诱导磁场。中子超流体的诱导磁矩产生的诱导磁场。我们计算发现我们计算发现:磁星超强磁

5、场来自在原有本底磁星超强磁场来自在原有本底(包括电子包括电子Pauli顺磁磁化顺磁磁化)磁场下，磁场下，各向异性中子超流体各向异性中子超流体3 3P P2 2中子中子Cooper对的对的Pauli磁化现象磁化现象(磁畴磁畴)。中子反常磁矩中子反常磁矩:第4页，本讲稿共39页中子星内部结构中子星内部结构:中子超流涡旋运动中子超流涡旋运动核心核心(1km)3P2(各向异牲各向异牲各向异牲各向异牲)中子超流涡旋区中子超流涡旋区中子超流涡旋区中子超流涡旋区1 1S S0 0 (各向同性各向同性各向同性各向同性)中子超流涡旋区中子超流涡旋区中子超流涡旋区中子超流涡旋区(5-8)%质子质子 (II 型超导

6、体型超导体?)(正常正常)电子电子Fermi气体气体=(g/cm3)10141011107内壳内壳超富中子超富中子核、晶体、核、晶体、自由电子自由电子 外壳外壳(重金属晶体重金属晶体)夸克物质夸克物质?51014104第5页，本讲稿共39页1S0 与与 3PF2 中子超流体中子超流体 1S0中子超流涡旋中子超流涡旋1S0 中子中子Cooper 对对:自旋自旋=0,各向同性各向同性(1S0)0,1011 (g/cm3)1.41014(1S0)2MeV 71012(g/cm3)510133P2中子超流涡旋中子超流涡旋(3P2中子中子Cooper 对对:自旋自旋=1,各向异性各向异性,(反常反常)磁

7、矩磁矩 10-23 c.g.s.)n(3P2)n(3P2)max 0.05MeV (3.3 1014 (g/cm3)2,这种由各向异性这种由各向异性(3 3P P2 2)超流体内产生的诱导磁场远低于中子星的本底磁场超流体内产生的诱导磁场远低于中子星的本底磁场(主要由相对论性简并主要由相对论性简并电子气体的电子气体的PauliPauli顺磁性产生的强磁场。但是，随着中子星内部冷却，温顺磁性产生的强磁场。但是，随着中子星内部冷却，温度下降，由各向异性度下降，由各向异性(3 3P P2 2)超流体内产生的诱导磁场将逐渐增加。超流体内产生的诱导磁场将逐渐增加。当温度下当温度下降到远低于降到远低于这种这

8、种诱导磁场将会超过原初本底磁场。形成磁畴诱导磁场将会超过原初本底磁场。形成磁畴(铁磁体铁磁体)(B 107 K)第13页，本讲稿共39页 从顺磁磁化从顺磁磁化(paramagnetism)到到磁畴磁畴(铁磁性铁磁性 ferromagnetism)相变相变A)高温、低磁场情形高温、低磁场情形(B 107 K)令令 从顺磁磁化体向铁磁体从顺磁磁化体向铁磁体(磁畴磁畴)的相变的相变,相变温度可由令相变温度可由令第14页，本讲稿共39页第15页，本讲稿共39页中子星磁场的上限中子星磁场的上限物理图象物理图象:当温度当温度T0 的极限情形下的极限情形下,3P2中子超流体所有中子超流体所有3P2Coope

9、r对的磁矩全部都顺着外磁场方向排列，这时对的磁矩全部都顺着外磁场方向排列，这时3 3P P2 2中子超流体的总诱中子超流体的总诱导磁矩的上限为导磁矩的上限为由它产生的诱导磁场的上限为由它产生的诱导磁场的上限为B(in)max因为因为第16页，本讲稿共39页Bin-T 曲线曲线(取取=1)(未考虑相互作用未考虑相互作用)第17页，本讲稿共39页物理图象物理图象绝大多数绝大多数3P2中子中子Cooper对的磁矩投影指向都是混乱的对的磁矩投影指向都是混乱的,顺着磁场方向排列的顺着磁场方向排列的3P2中子中子Cooper对的数量略微多于逆对的数量略微多于逆磁场方向排列的磁场方向排列的3P2中子中子Co

10、oper对的对的数量数量(数量差为数量差为N1)。正是这微弱的相差，造成了。正是这微弱的相差，造成了3P2 中子超流体的中子超流体的各向各向异性与诱导磁矩。异性与诱导磁矩。即磁星的即磁星的超超强磁场是由强磁场是由3P2 中子超流体中，偏离中子超流体中，偏离ESPESP状态状态的的(数量约占千分之一数量约占千分之一)3P2中子中子Cooper对的诱导磁矩造成的对的诱导磁矩造成的(3P2中子中子Cooper对的中子总数只占对的中子总数只占3P2 中子超流体内中子总数的中子超流体内中子总数的8.7%)。第18页，本讲稿共39页中子星磁场的变化中子星磁场的变化当中子星内部冷却到当中子星内部冷却到3 3

11、P P2 2超流体的相变温度超流体的相变温度T=2.8108K以后以后,发生发生相变相变:正常正常Fermi状态状态 3P2 中子超流状态。中子超流状态。这时中子星磁场会发这时中子星磁场会发生变化生变化,这是由于中子这是由于中子3P2 Copper对的磁矩在外磁场作用下会逐渐对的磁矩在外磁场作用下会逐渐转向顺着外磁场方向排列。在温度较高的条件下，绝大多数中子转向顺着外磁场方向排列。在温度较高的条件下，绝大多数中子3P2Copper对的磁矩方向排列是混乱的。只有极少数中子对的磁矩方向排列是混乱的。只有极少数中子3P2 Copper对的磁矩顺着外磁场方向排列。但是，随着在中子星冷却的过程，对的磁矩

12、顺着外磁场方向排列。但是，随着在中子星冷却的过程，它内部的温度下降，顺着外磁场方向排列的中子它内部的温度下降，顺着外磁场方向排列的中子3P2 Copper对数量对数量迅速迅速(指数指数)增长。当温度下降到增长。当温度下降到T7 2以后以后,3P2 中子超流体的这中子超流体的这种诱导磁矩产生的种诱导磁矩产生的诱导磁场超过它原有的初始本底磁场。诱导磁场超过它原有的初始本底磁场。随着中子星的进一步冷却随着中子星的进一步冷却,两个因素使得中子星磁场增长两个因素使得中子星磁场增长1)(1)(百分比百分比)愈来愈多的中子愈来愈多的中子3P2 Copper对的磁矩方向对的磁矩方向(在在原有的初始本底磁原有的

13、初始本底磁场作用下场作用下)转向顺磁排列。增强了磁矩，因而增强了诱导磁场。转向顺磁排列。增强了磁矩，因而增强了诱导磁场。2)2)3P2 中子超流区扩大，中子超流区扩大，3P2 中子超流体的总质量不断增长中子超流体的总质量不断增长(见图见图););第19页，本讲稿共39页3P2中子能隙图(Elgagy et al.1996,PRL,77,1428-1431)第20页，本讲稿共39页脉冲星磁场的增长脉冲星磁场的增长随着在原有随着在原有3 3P P2 2 中子超流体中子超流体区域区域(3.3(3.3(3.3(3.3 1010101014141414 (g/cm(g/cm(g/cm(g/cm3 3 3

14、 3)5.2)5.2)5.2)100 100.(pz pF)第27页，本讲稿共39页总的能级占有状态数总的能级占有状态数近似估计近似估计第28页，本讲稿共39页Landau quantization n=0n=1n=4n=3n=2n=5n=6pzp第29页，本讲稿共39页在低温、超强磁场下在低温、超强磁场下(单位体积内单位体积内)电子气体的微观状态数电子气体的微观状态数估算估算(与量子数与量子数n n无关无关)由由第30页，本讲稿共39页Principle of Paulis incompatibilityPauli 不相容原理不相容原理:The total number states(per

15、 unite volume)occupied by the electrons in the complete degenerate electron gas should be equal to the number density of the electrons.第31页，本讲稿共39页沿着磁场方向的沿着磁场方向的Fermi能量能量第32页，本讲稿共39页Basic ideaWhen the energy of the electron near the Fermi surface is rather high(EF600 MeV)Energy of the resulting neut

16、rons will be rather high and they will react with the neutrons in the 3P2 Cooper pairs and will destroy these 3P2 Cooper pairs.It will cause the isotropic superfluid disappear and then the magnetic field induced by the 3P2 Cooper pairs will be also disappear.第33页，本讲稿共39页Induced magnetic moment disap

17、pears The energy of a 3P2 Cooper pair of neutrons will be released as thermal energy when the magnetic moment disappear.Energy range:(X-ray soft-ray)The x-ray(or soft-ray)may be observed directly,because The thermal photons will not be absorbed by most electrons andprotons in the deep of their Fermi

18、 sea.第34页，本讲稿共39页Total released energyx-ray Luminosity of AXPs:It will be maintained 105-106 yr第35页，本讲稿共39页Phase OscillationAfterwards,Revive to the previous state just before formation of the 3P2 neutron superfluid.Phase Oscillation.第36页，本讲稿共39页Questions?1.Detail process:The rate of the processTime

19、 scale?2.What is the real maximum magnetic field of the magnetars?3.How long is the period of oscillation above?4.How to compare with observational data5.Estimating the appearance frequency of AXP and SGR?第37页，本讲稿共39页我的目标我的目标:统一解释的脉冲星的主要观测现象统一解释的脉冲星的主要观测现象1)高速中子星的物理原因高速中子星的物理原因?(2003)?(2003)2)2)中子星强

20、磁场中子星强磁场(10(1011-13 11-13 gauss)gauss)的物理本质的物理本质?(2006)?(2006)3)3)磁星超强磁场磁星超强磁场(10(1014-15 14-15 gauss)gauss)的物理本质的物理本质与活动性与活动性?(2007)?(2007)4)4)年轻脉冲星周期突变年轻脉冲星周期突变(Glitch)(Glitch)现象的物理本质现象的物理本质?(2006,2007)(2006,2007)5)5)毫秒脉冲星重要特性毫秒脉冲星重要特性:低磁场低磁场,无无Glitch,Glitch,空间速度不高空间速度不高,物理原因物理原因?6)6)低质量低质量X-X-双星双星(LMXB)(LMXB)内的中子星磁场很低内的中子星磁场很低;高质量高质量X-X-双星双星(HMXB)(HMXB)内的中子星磁场很强。为什么内的中子星磁场很强。为什么?7)7)缓变缓变GlitchGlitch现象现象8)Some times pulsar 8)Some times pulsar 以及缺脉冲现象以及缺脉冲现象第38页，本讲稿共39页谢谢大家谢谢大家第39页，本讲稿共39页