磁星的物理本質(zhì)與活動(dòng)性

1、磁星的物理本質(zhì)與活動(dòng)性第1頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五磁星-奇特的天文現(xiàn)象觀測證據(jù):脈沖星磁場測定 自轉(zhuǎn)周期很長: 周期增長率很高: 在10 keV處觀測到x-ray發(fā)射譜線,被認(rèn)為是在電子(或質(zhì)子)在超強(qiáng)磁 場下的Landau能級躍遷譜線探測到能量為1044 ergs的x-ray巨型耀斑衰減的尾巴。磁星是一類中子星,它(衰變)的超強(qiáng)磁場作為它強(qiáng)大x-ray或-ray輻射以及粒子發(fā)射的源泉。兩類磁星:1)反常x-脈沖星(Anormalous X-ray Pulsars - AXPs)2)軟重復(fù)暴(Soft Gamma Repeaters - SGRs)第2頁，共3

2、9頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五我們研究探討的問題欲探討的問題:磁星(1014-1015 gauss)的物理本質(zhì)?磁星的活動(dòng)性: 難以利用脈沖星自轉(zhuǎn)能的損失率來解釋。而且磁星的表面溫度107 K, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通常中子星的表面溫度 (105-106 K)第3頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五磁星超強(qiáng)磁場的物理本質(zhì)?己經(jīng)提出的模型:Ferrario & Wickrammasinghe(2005)suggest that the extra-strong magnetic field of the magnetars is descended from the

3、ir stellar progenitor with high magnetic field core. Duncan & Thompson (1992, 1993): -dynamo with initial 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 fr

4、om rapid ratating proto-neutron stars. 我們探討3P2 中子超流體的誘導(dǎo)磁矩產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場。我們計(jì)算發(fā)現(xiàn):磁星超強(qiáng)磁場來自在原有本底(包括電子Pauli順磁磁化)磁場下，各向異性中子超流體3P2中子Cooper對的Pauli磁化現(xiàn)象(磁疇) 。中子反常磁矩:第4頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu): 中子超流渦旋運(yùn)動(dòng)核心(1km)3P2(各向異牲) 中子超流渦旋區(qū)1S0 (各向同性) 中子超流渦旋區(qū) (5-8)% 質(zhì)子 ( II 型超導(dǎo)體?) (正常)電子Fermi氣體= (g/cm3)10141011107內(nèi)殼超富中子

5、核、晶體、自由電子 外殼(重金屬晶體)夸克物質(zhì) ?51014104第5頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五1S0 與 3PF2 中子超流體 1S0中子超流渦旋1S0 中子Cooper 對: 自旋= 0, 各向同性(1S0) 0, 1011 (g/cm3) 1.41014 (1S0)2MeV 71012 (g/cm3) 510133P2中子超流渦旋(3P2中子Cooper 對: 自旋=1, 各向異性, (反常)磁矩 10-23 c.g.s.) n(3P2) n(3P2) max 0.05MeV (3.31014 (g/cm3) 2, 這種由各向異性(3P2)超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘

6、導(dǎo)磁場遠(yuǎn)低于中子星的本底磁場(主要由相對論性簡并電子氣體的Pauli順磁性產(chǎn)生的強(qiáng)磁場。但是，隨著中子星內(nèi)部冷卻，溫度下降，由各向異性(3P2)超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場將逐漸增加。當(dāng)溫度下降到遠(yuǎn)低于這種誘導(dǎo)磁場將會(huì)超過原初本底磁場。形成磁疇(鐵磁體)(B 107 K )第13頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五 從順磁磁化(paramagnetism)到磁疇(鐵磁性 ferromagnetism)相變A)高溫、低磁場情形 (B 107 K )令 從順磁磁化體向鐵磁體(磁疇)的相變, 相變溫度可由令第14頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五第15頁，共3

7、9頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五中子星磁場的上限物理圖象: 當(dāng)溫度T0 的極限情形下, 3P2中子超流體所有3P2Cooper對的磁矩全部都順著外磁場方向排列，這時(shí)3P2中子超流體的總誘導(dǎo)磁矩的上限為由它產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場的上限為B(in)max因?yàn)榈?6頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Bin- T 曲線(取=1)(未考慮相互作用)第17頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五物理圖象絕大多數(shù)3P2中子Cooper對的磁矩投影指向都是混亂的,順著磁場方向排列的3P2中子Cooper對的數(shù)量略微多于逆磁場方向排列的3P2中子Cooper對

8、的數(shù)量(數(shù)量差為N1) 。正是這微弱的相差，造成了3P2 中子超流體的各向異性與誘導(dǎo)磁矩。即磁星的超強(qiáng)磁場是由3P2 中子超流體中，偏離ESP狀態(tài)的(數(shù)量約占千分之一) 3P2中子Cooper對的誘導(dǎo)磁矩造成的(3P2中子Cooper對的中子總數(shù)只占3P2 中子超流體內(nèi)中子總數(shù)的8.7%)。第18頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五中子星磁場的變化當(dāng)中子星內(nèi)部冷卻到3P2超流體的相變溫度T=2.8108K以后,發(fā)生相變:正常Fermi狀態(tài) 3P2 中子超流狀態(tài)。 這時(shí)中子星磁場會(huì)發(fā)生變化, 這是由于中子3P2 Copper對的磁矩在外磁場作用下會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向順著外磁場方向排列

9、。在溫度較高的條件下，絕大多數(shù)中子3P2Copper對的磁矩方向排列是混亂的。只有極少數(shù)中子3P2 Copper對的磁矩順著外磁場方向排列。但是，隨著在中子星冷卻的過程，它內(nèi)部的溫度下降，順著外磁場方向排列的中子3P2 Copper對數(shù)量迅速(指數(shù))增長。當(dāng)溫度下降到T7 2以后, 3P2 中子超流體的這種誘導(dǎo)磁矩產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場超過它原有的初始本底磁場。隨著中子星的進(jìn)一步冷卻, 兩個(gè)因素使得中子星磁場增長1) (百分比)愈來愈多的中子3P2 Copper對的磁矩方向(在原有的初始本底磁場作用下)轉(zhuǎn)向順磁排列。增強(qiáng)了磁矩，因而增強(qiáng)了誘導(dǎo)磁場。2) 3P2 中子超流區(qū)擴(kuò)大， 3P2 中子超流體的總

10、質(zhì)量不斷增長(見圖); 第19頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五3P2中子能隙圖(Elgagy et al.1996, PRL, 77, 1428-1431)第20頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五脈沖星磁場的增長隨著在原有3P2 中子超流體區(qū)域(3.31014 (g/cm3) 100 .( pz pF )第27頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五總的能級占有狀態(tài)數(shù)近似估計(jì)第28頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Landau quantization n=0n=1n=4n=3n=2n=5n=6pzp第

11、29頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五在低溫、超強(qiáng)磁場下(單位體積內(nèi))電子氣體的微觀狀態(tài)數(shù)估算(與量子數(shù)n無關(guān))由第30頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Principle of Paulis incompatibilityPauli 不相容原理:The total number states ( per unite volume) occupied by the electrons in the complete degenerate electron gas should be equal to the number density of t

12、he electrons. 第31頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五沿著磁場方向的Fermi能量第32頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Basic ideaWhen the energy of the electron near the Fermi surface is rather high (EF600 MeV)Energy of the resulting neutrons will be rather high and they will react with the neutrons in the 3P2 Cooper pairs an

13、d 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頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Induced magnetic moment disappears The energy of a 3P2 Cooper pair of neutrons will be released

14、 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 sea .第34頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Total released energ

15、yx-ray Luminosity of AXPs:It will be maintained 105 -106 yr第35頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Phase OscillationAfterwards, Revive to the previous state just before formation of the 3P2 neutron superfluid. Phase Oscillation . 第36頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五Questions?Detail process: The rate of the proc

16、essTime scale ? 2. What is the real maximum magnetic field of the magnetars? 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頁，共39頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)23分，星期五我的目標(biāo):統(tǒng)一解釋的脈沖星的主要觀測現(xiàn)象1)高速中子星的物理原因? (2003)2)中子星強(qiáng)磁場(1011-13 gauss)的物理本質(zhì)?(2006)3)磁星超強(qiáng)磁場(1014-15 gauss)