核天体物理学-研究中心和人才课件.ppt

恒星的恒星的热核热核演化与终结演化与终结彭秋彭秋和和(南京大学天文系)R地球地球     6370 公里公里<   >  ~  1.4 g/cm3                    太阳内部状况太阳内部状况Tc≈(1.4-1.5)≈(1.4-1.5)××10107 7 K Kρρc c≈(50-100) g/cm3H: X≈0.68He: Y≈0.30 Z≈0.02(C、、N、、O以上重元素以上重元素)太阳能源太阳能源 从很远处看从很远处看, 太阳是一个黄色的矮星太阳是一个黄色的矮星太阳中心区域内持续不断的热核燃烧太阳中心区域内持续不断的热核燃烧                       4 1H    4He由由Einstein 的质量的质量-能量关系式能量关系式           E = Mc2ΔM c2 = {4 M(1H) – M(4He)}c2  = 26.73 MeV同时释放同时释放26.73 MeV的能量太太阳阳内内部部每每秒秒钟钟都都有有7,750万万吨吨的的氢氢在在这这种种热热核核爆爆炸炸过过程程中中转转化化为为氦氦, 正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大的光度。

正是由于这种热核燃烧维持着太阳巨大的光度太阳内部这种热核燃烧已经持续了太阳内部这种热核燃烧已经持续了45亿年估计它还可以这样稳定地再燃烧估计它还可以这样稳定地再燃烧50亿年左右亿年左右在恒星世界中太阳是一个普通的恒星在恒星世界中太阳是一个普通的恒星恒星内部热核燃烧与演化恒星内部热核燃烧与演化一颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的一颗恒星的演化史本质上就是它内部核心区域的热核热核( (燃烧燃烧) )演化史大质量恒星演化进程将先后经演化史大质量恒星演化进程将先后经历一系列热核燃烧阶段历一系列热核燃烧阶段: :H燃烧燃烧 ( (稳定核燃烧稳定核燃烧, , 主序星主序星):): 核合成主要结果核合成主要结果: :  4 1H  4He   1.  PP反应链反应链---- Tc< 1.6 107 K                            小质量恒星小质量恒星 < 1.1 M⊙ ⊙                             对太阳对太阳(⊙ ⊙), 稳定燃烧稳定燃烧100亿年亿年    pp链链:氢氢(质子质子)合成氦合成氦(α粒子粒子)  —— 小小质量量(M < 1.1 M(M < 1.1 M⊙⊙) )主序星主序星 的的氢燃燃烧(pp-ν)99.75%0.25%14%86%0.15%99.85%太阳太阳————强强大的中微子源大的中微子源源反应源反应 简称简称 中微子能量中微子能量  E  (MeV)性质性质       极大能量极大能量        平均能量平均能量 中微子流量中微子流量(理论理论) (在地球处每秒穿过在地球处每秒穿过1米米2 面积的太阳中微子数目面积的太阳中微子数目) 1H + 1H 2D + e+ + e低能低能 (pp)中微子中微子 连续连续        0.420           0.2657Be +e-  7Li + e 中能中能 (7Be)中微子中微子 分立分立     0.86  (90%)            0.38  (10%) 8B 8Be+ e++ e 高能高能 (8B)中微子中微子 连续连续         14             7.2      从太阳发射出来的中微子主要是低能中微子。

中能中微子的流量只占低能中微子从太阳发射出来的中微子主要是低能中微子中能中微子的流量只占低能中微子流量的流量的1/201/20高能中微子流量只有低能中微子流量的三十万分之一高能中微子流量只有低能中微子流量的三十万分之一中微子流量理论预言取自文献中微子流量理论预言取自文献:J. :J. BahcallBahcall, , ApJApJ, 2001, , 2001, 555555, 990-1012, 990-1012 Davis中微子探测实验中微子探测实验 氯探测器的能阈值为氯探测器的能阈值为0.814 0.814 MeVMeV太阳出射中微子流的太阳出射中微子流的93%93%是低能是低能中微子中微子(pp-(pp-νν) )流流, , 但是它们的能量却远低于这个能阈值，它们不但是它们的能量却远低于这个能阈值，它们不能引起探测器的反应从太阳射出的具有能量为能引起探测器的反应从太阳射出的具有能量为0.86 0.86 MeVMeV的中能中的中能中微子微子( (7 7Be-Be-νν)()(约占太阳中微子总流量的约占太阳中微子总流量的7%)7%)的能量刚好超过这个能的能量刚好超过这个能阈值，氯探测器虽然可以探测它们，但是灵敏度并不高。

来自太阳阈值，氯探测器虽然可以探测它们，但是灵敏度并不高来自太阳的高能中微子的高能中微子( (8 8B)B)虽只占太阳中微子总流量的虽只占太阳中微子总流量的0.01%,0.01%,但是它们在氯但是它们在氯探测器上引起反应的灵敏度最高氯探测器无法探测太阳的低能中探测器上引起反应的灵敏度最高氯探测器无法探测太阳的低能中微子，它探测到的只是太阳的微子，它探测到的只是太阳的7 7Be(Be(中能中能) )微子和微子和8 8B(B(高能高能) )中微子1958-1968年间，在美国南达科他州年间，在美国南达科他州Homestake这个地点的地下废矿这个地点的地下废矿井中井中,采用采用 455 m3的的C2Cl4作为探测材料作为探测材料, Davis利用放射性化学方利用放射性化学方法法建立了一个大型的中微子探测器建立了一个大型的中微子探测器 — 氯探测器氯探测器 探测结果探测结果 —— 太阳中微子失踪案太阳中微子失踪案太阳中微子单位太阳中微子单位: 1 SNU = 1 : 1 SNU = 1 事例事例/(/(秒秒, ,10103636靶原子靶原子) )理论预言理论预言: :太阳中微子事件数为太阳中微子事件数为 (7.9 (7.9  2.6) SNU 2.6) SNU。

19681968年公布的实测结果仅有理论值的年公布的实测结果仅有理论值的1/31/32/32/3太阳中微子太阳中微子 “ “失踪失踪””了了????为了进一步探测太阳低能中微子流为了进一步探测太阳低能中微子流, ,人们很快地提出了类似的放射人们很快地提出了类似的放射性化学方法性化学方法—— 利用利用GaGa探测器探测器来探测太阳低能中微子来探测太阳低能中微子 ( (能阈值能阈值:0.233MeV ) ::0.233MeV ) : GALLEXGALLEX装置装置( (欧美合作欧美合作) )、、 SAGESAGE装置装置( (美苏合作美苏合作) )、、 GNOGNO装置装置( (美国、加拿大合作美国、加拿大合作) ) 0.35±0.03SNO(首首次测次测定定)D2O0.58±0.07GALLEX+GNO0.59±0.07SAGEGa0.55±0.08Kamiokande0.48±0.02Super-KH2O0.33±0.06HomestakeClDATA/SSM实实验验靶靶中微子振荡理论中微子振荡理论正当正当DavisDavis等人公布首批氯探测器探测结果的等人公布首批氯探测器探测结果的19681968年，年，PontecorvoPontecorvo也就提出了也就提出了ννe e、、ννμμ 和和ννττ这３种味的中微子这３种味的中微子有可能互相来回地转化，称为有可能互相来回地转化，称为““中微子振荡中微子振荡””。

在太阳内部的热核燃烧过程中产生的中微子都是在太阳内部的热核燃烧过程中产生的中微子都是ννe e 但在从太阳到地球漫长的飞行过程中，但在从太阳到地球漫长的飞行过程中，ννe e、、ννμμ、、 ννττ三三者互相来回转化，其典型距离可能只有者互相来回转化，其典型距离可能只有10m10m左右因此，从太阳内部热核反应产生的电子中微子在飞行目地因此，从太阳内部热核反应产生的电子中微子在飞行目地空间距离（空间距离（1.5×101.5×108 8 km km）之后，当它们到达地球上的中）之后，当它们到达地球上的中微子探测器时，平均而言，大约这３味中微子的数量各占微子探测器时，平均而言，大约这３味中微子的数量各占 1/31/3 前面介绍的所有建立在放射性化学方法基础上的（氯、前面介绍的所有建立在放射性化学方法基础上的（氯、镓）中微子探测器探测的都仅仅只是镓）中微子探测器探测的都仅仅只是ννe e ，因而它们的，因而它们的实测流量当然只有太阳内部发出时的实测流量当然只有太阳内部发出时的ννe e 流量的流量的 1/31/3 关健性实验关健性实验——太阳中微子探测站太阳中微子探测站(SNO) 在加拿大安大略湖畔在加拿大安大略湖畔Sudbury市于市于20012001年开始启动的中微年开始启动的中微子探测站子探测站( (简称简称为为SNO):中微子诱导核反应中微子诱导核反应   νe+ 2D → p + p + e-     (只对只对νe 有效有效; ; 能阈值能阈值>1MeV)     只对只对8 8B B高能中微子起反应高能中微子起反应结合日本的超神冈切仑柯夫水探测器结合日本的超神冈切仑柯夫水探测器 (ν+  e- → ν+  e-  弹弹性散射性散射, ,能阈值能阈值 > 3MeV);    只对只对8 8B B高能中微子起反应高能中微子起反应, , 但是对但是对ννe e、、ννμμ、、 ννττ 三种中微子都有效三种中微子都有效。

表明了表明了: :中微子振荡现象确实存在中微子振荡现象确实存在为此为此, Davis , Davis 分享了分享了20022002年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖CNO循环循环(Tc > 2  107 K中中，，大质量恒星的氢燃烧大质量恒星的氢燃烧)                     20Na  0.446s                            Ne-Na循环循环 (p,  ) 18Ne                                   19Ne                        20Ne        (p, )                                                                1.675s                       17.3s                                                                              +                                                                                                                                                                   17F                         18F                          19F                                                                  64.5s                     109.8m        14O                                     15O                     16O 17O                       18O      70.6s                     122s       13N                        14N                     15N                                          AZ      稳定核素稳定核素                                     9.96m                                                                                            AY                放射性核素放射性核素                                                                                                                             1/2                           12C                      13C4He + 4He  8Be + 8Be + 4He  12C + 8Be是非常不稳定的同位素，分裂成两个是非常不稳定的同位素，分裂成两个4He的的时标仅为时标仅为10-12 s。

但它在分裂前有一定概率再但它在分裂前有一定概率再吸收一个吸收一个粒子粒子 而转变为而转变为12C   — 3 反反应氦燃烧氦燃烧 ( (红巨星红巨星) ) — T>108 K点燃核燃烧的临界点燃核燃烧的临界( (极小极小) )质量质量热核燃烧点火条件热核燃烧点火条件星体中心温度星体中心温度核燃烧的点火温度核燃烧的点火温度热核燃烧的点火温度是由核物理的微观性质来决定的，它可以热核燃烧的点火温度是由核物理的微观性质来决定的，它可以从入射核的热运动能从入射核的热运动能( (考虑隧道效应考虑隧道效应) )大约等于库仑位垒高度的大约等于库仑位垒高度的(5-10)%(5-10)%来估算来估算恒星的中心温度则是由恒星整体的宏观性质决定的一般来恒星的中心温度则是由恒星整体的宏观性质决定的一般来说，质量愈大的恒星，其中心温度愈高说，质量愈大的恒星，其中心温度愈高 续续对处于稳定氢燃烧阶段的主序星，其中心温度对处于稳定氢燃烧阶段的主序星，其中心温度和密度同恒星质量的关系分别为和密度同恒星质量的关系分别为太阳太阳:质量很大的主序星例质量很大的主序星例Wolf-Rayet 星，星，M⊙ ⊙推论推论:只有当恒星质量大於某一确定值时只有当恒星质量大於某一确定值时它才可能点燃相应的热核燃烧。

它才可能点燃相应的热核燃烧随着参与反应的原子核的核电荷增长随着参与反应的原子核的核电荷增长, ,其间库仑位垒迅速其间库仑位垒迅速增加，上式中的增加，上式中的 也随之增加也随之增加 因而，质量不太大的因而，质量不太大的恒星内部只能点燃某些轻核的热核反应而不能点燃较恒星内部只能点燃某些轻核的热核反应而不能点燃较重原子核的核燃烧也就是说，它们的核燃烧是不完重原子核的核燃烧也就是说，它们的核燃烧是不完全的核燃烧的密度条件核燃烧的密度条件热核燃烧尚未开始或熄灭时，星体核心收缩，热核燃烧尚未开始或熄灭时，星体核心收缩，Tc↗↗，同时，同时ρc↗ ↗,    能否达到能否达到Tc≧≧Tnuc条件取决于星体核心是否以能够继续收缩取决于星体核心是否以能够继续收缩 星体核心继续收缩条件：星体核心继续收缩条件：ρc≦≦ρD       ρD：电子简并密度（固体状态）：电子简并密度（固体状态）若若ρc>>ρD.电子气体的电子气体的Fermi(量子量子)简并压强非常强大简并压强非常强大,足以抗足以抗 阻引力收缩阻引力收缩,星体不再收缩星体不再收缩,Tc不再升高不再升高(需考虑中微子发射需考虑中微子发射),  (强简并条件强简并条件),质量小的恒星质量小的恒星(主序时主序时ρc高高),容易达到这一条件容易达到这一条件  这时恒星核心停止热核演化。

这时恒星核心停止热核演化结局：白矮星结局：白矮星+行星状星行星状星电子简并压强在星体热核演化的重要作用电子简并压强在星体热核演化的重要作用若若ρC   ρD，弱弱( (电子电子) )简并状态简并状态, P～～Pe与与T无关，但无关，但Pe不够强大，星体核心仍会收缩，不够强大，星体核心仍会收缩， TC↗ ↗Tnuc  核燃烧核燃烧简并物质内核燃烧是完全不稳定的简并物质内核燃烧是完全不稳定的 ——失控热核反应失控热核反应( (局部爆炸性核燃烧局部爆炸性核燃烧) )Brown Stars 和耀星和耀星在原始恒星中在原始恒星中, ,小质量恒星的中心密度较高随着形成恒星的星云小质量恒星的中心密度较高随着形成恒星的星云引力收缩引力收缩, , 原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随原始恒星中心温度不断上升的同时，其中心密度也随着进一步增加所以，着进一步增加所以， 对于质量太小的恒星对于质量太小的恒星( (例如，当恒星质量例如，当恒星质量低于低于0.07 M⊙ ⊙时时) )，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温，当它们的中心温度尚未上升到氢燃烧的点火温度度 ( (107 K) )时时, , 其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并其物质密度也因星体收缩而远远超过了电子简并条件的密度值条件的密度值 此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不此后星体内电子简并压强已足以抗拒星体自引力的压缩，恒星不再收缩，其中温度也不会再升高。

因而其中心温度始终低于氢燃再收缩，其中温度也不会再升高因而其中心温度始终低于氢燃烧的点火温度这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何烧的点火温度这些恒星内部也不能点燃前述能源序列中的任何核燃烧这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的核燃烧这些恒星的光度远远低于以核燃烧为其能源的主序星的光度，这类光度很低的恒星称为褐矮星光度，这类光度很低的恒星称为褐矮星( (Brown Star) ) 在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度达到在原始小质量恒星收缩过程中，如果其中心温度达到H燃烧大规燃烧大规模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并模进行的点火温度附近时，正好物质密度也接近或达到上述简并密度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部密度，则由于简并物质中的热核燃烧是不稳定的，它将导致局部爆炸性的爆炸性的H燃烧不过，它并不会导致整个星体爆炸近年来在燃烧不过，它并不会导致整个星体爆炸近年来在天文观测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为天文观测上发现某些低光度恒星亮度出现短暂的闪亮，人们认为它正是这种正在形成的小质量恒星在弱它正是这种正在形成的小质量恒星在弱( (电子电子) )简并状态下氢燃烧简并状态下氢燃烧开始点火时出现的氢闪现象开始点火时出现的氢闪现象, ,称为耀星。

称为耀星核心核心He燃烧的点燃燃烧的点燃氦燃烧氦燃烧(3反应反应)的点火温度为的点火温度为108K当恒星核心区氢燃烧熄灭后，无核能源，星体核心开始收缩，只有当恒星核心区氢燃烧熄灭后，无核能源，星体核心开始收缩，只有当中心温度上升到当中心温度上升到108K以上，才能点燃以上，才能点燃氦燃烧但是氦燃烧但是,在主序阶在主序阶段低质量恒星的中心密度高于大质量星的密度经历收缩之后，段低质量恒星的中心密度高于大质量星的密度经历收缩之后，当中心温度到达当中心温度到达108K时，不同时，不同质量的恒星质量的恒星, 中心密度分别为中心密度分别为ｍｍ< 0.5ｍｍ⊙ ⊙ 的恒星的恒星 :当它们的当它们的中心温度尚未到达中心温度尚未到达108K时时,                                   c >> D  (强简并状态强简并状态)                               核心核心不能继续收缩升温不能继续收缩升温,不能点燃氦燃烧不能点燃氦燃烧ｍｍ > 0.5ｍｍ⊙ ⊙ 的恒星的恒星,  核心可以点燃氦燃烧核心可以点燃氦燃烧0.5ｍｍ⊙ ⊙＜ｍ＜＜ｍ＜2.2ｍｍ⊙ ⊙,                当它们的中心温度上升到当它们的中心温度上升到108K时时, c   D  (弱简并状态弱简并状态)。

经历经历( (局部局部) )爆炸性爆炸性氦燃烧氦燃烧  —— He- -闪闪ｍｍ > 2.2ｍｍ⊙ ⊙当它们的中心温度上升到当它们的中心温度上升到108K时时,  c << D                  星体核心密度处于非简并状态星体核心密度处于非简并状态, 平稳地平稳地点燃氦燃烧点燃氦燃烧105 g/cm3,10-6 g/cm3红巨星的结构红巨星的结构当核心温度逐渐升到当核心温度逐渐升到108 K，三，三alpha反应可以进行，则进入另反应可以进行，则进入另一个演化阶段一个演化阶段---红巨星阶段红巨星阶段中、小质量恒星的演化图象中、小质量恒星的演化图象H-燃燃烧烧                                                      红巨星红巨星He-燃燃烧烧主序星主序星C-O核心核心         He-燃烧燃烧 壳层壳层         H-燃烧燃烧 壳层壳层白矮星白矮星1324Spirograph nebulaRing NebulaCat’s Eye NebulaAGB星星氦燃烧以后恒星内部的核燃烧氦燃烧以后恒星内部的核燃烧  碳燃烧碳燃烧:    1212C + C + 1212C C 氖燃烧氖燃烧:    光致碎裂反应导致元素重新组合光致碎裂反应导致元素重新组合氧燃烧氧燃烧:    16O  + 16O 硅燃烧硅燃烧(硅熔化硅熔化):光致碎裂反应导致元素重新组合光致碎裂反应导致元素重新组合  铁族元素的核合成铁族元素的核合成 它它们们基基本本上上都都是是由由放放热热核核反反应应组组成成，，作作为为恒恒星星强强大大辐辐射射的的能源。

能源中小质量恒星的氦闪和碳闪中小质量恒星的氦闪和碳闪m≦≦0.07m⊙ ⊙, , 不能点燃不能点燃H- -燃烧燃烧, , 褐矮星褐矮星( (Brown dwarf) )0.07m⊙ ⊙＜＜m≦≦0.5m⊙ ⊙, ,不能点燃不能点燃He- -燃烧燃烧, , He- -白矮星白矮星+ +行星状星云行星状星云0.5ｍｍ⊙ ⊙＜ｍ＜＜ｍ＜2.2ｍｍ⊙ ⊙, ,经历经历He- -闪闪( (太阳不可避免太阳不可避免!!)!!)2.2ｍｍ⊙ ⊙＜ｍ＜＜ｍ＜(5-6)ｍｍ⊙ ⊙，不经历，不经历He一闪一闪 (ρc＜＜ρD)，平稳，平稳He一燃烧一燃烧 不能点燃不能点燃C一燃烧一燃烧 C-O白矮星白矮星+ + 行星状星云行星状星云 ( (已发现几十万已发现几十万) ) (5-6)ｍｍ⊙ ⊙＜ｍ＜＜ｍ＜(8-9)ｍｍ⊙ ⊙，将出现失控，将出现失控C一燃烧一燃烧 爆炸性爆炸性C一燃烧一燃烧m  > 8m⊙ ⊙         点燃平稳点燃平稳C-燃烧燃烧     超新星超新星AGB星星M < 8 M⊙⊙H-包层包层H-燃烧壳层燃烧壳层He-燃烧壳层燃烧壳层C-O核心核心( (电子简并电子简并) )在在HeHe燃烧壳层内燃烧壳层内慢中子俘获过程慢中子俘获过程核合成核合成( (比铁还重比铁还重) )重元素重元素很薄的很薄的H、、He壳层壳层燃烧在热力学上是燃烧在热力学上是不稳定的，导致热不稳定的，导致热脉冲脉冲26白矮星的形成白矮星的形成当初始质量小于当初始质量小于 8 8 M M⊙⊙的的恒星演化到红巨星时候，恒星演化到红巨星时候，会形成会形成AGB星星( (具有具有C、、O( (电子电子) )简并核心和非简并核心和非常薄的常薄的He、、H 燃烧壳层燃烧壳层( (热力学上不稳定热力学上不稳定),),历历经若干次热脉冲经若干次热脉冲( (对对M<3<3M⊙ ⊙恒星恒星, 热脉冲周热脉冲周期为几十万年期为几十万年;对对M>5M⊙ ⊙恒星恒星, , 热脉冲热脉冲周期为几十万年周期为几十万年) )在最后三次热脉冲，其在最后三次热脉冲，其包层被抛射出去形成行包层被抛射出去形成行星状星云，而其核心就星状星云，而其核心就形成碳、氧白矮星。

形成碳、氧白矮星27C, O, Si etcHe 燃烧(红巨星)主序星氢燃烧氘核燃烧不同质量恒星的演化不同质量恒星的演化0.080.584010710810910101011褐矮星C / O白矮星He白矮星中子星黑 洞M/ M⊙ ⊙Time / yr超新星超新星爆爆 发发0.01? 恒星在赫罗图上的分布特征主序星白矮星红巨星蓝超巨星太阳附近：90% 主序星 9% 白矮星 1% 红巨星恒星在赫罗图上的演化 恒星的一生就是一部和引力斗争的历史！恒星在一生的演化中总是试图处于稳定状态（流体静力学平衡和热平衡）当恒星无法产生足够多的能量时，它们就无法维持热平衡和流体静力学平衡，于是开始演化恒星演化通常要经历： • 核心氢燃烧的主序星阶段(Main Sequence )• 核心氢燃烧枯竭后的红巨星阶段(Red Giant Branch )• 核心氦燃烧枯竭后的渐进巨星支阶段(Asymptotic Giant Branch)• 热脉冲形成行星状星云和白矮星；或者进入碳主序• 大质量恒星形成洋葱结构• 经历氦闪或不经历氦闪进入核心氦燃烧的水平支阶段(He core flash and Horizontal Branch )质量越大的恒星寿命越短，越早脱离主序。

赫罗图脱离主序的位置对应星团的年龄M / M⊙⊙最后归宿最后归宿质量非常小质量非常小恒恒 星星< 0.07无核燃烧无核燃烧; 引力引力收缩收缩,引力势能引力势能转化为辐射能转化为辐射能以红外辐射和红以红外辐射和红光为主光为主(褐矮星褐矮星)中小质量中小质量恒恒 星星0.07 — 8经历经历 H、、He燃烧燃烧恒星会经历急剧恒星会经历急剧膨胀和热脉冲膨胀和热脉冲白矮星白矮星  +行星状星云行星状星云大大质量质量恒恒 星星8 — 25经历经历H, He, C, Ne, O, Si 等各等各燃烧阶段燃烧阶段超新星超新星爆发爆发中子星中子星(脉冲脉冲星星)          +超新星遗迹超新星遗迹质量质量 非常大非常大恒星恒星> 30经历经历H, He, C, Ne, O, Si 等各等各燃烧阶段燃烧阶段超新星超新星爆发爆发黑洞黑洞?不同质量恒星的演化和归宿不同质量恒星的演化和归宿34致密天体致密天体ObjectMass a( M )Radius b( R )Mean Density( g cm-3 )Surface Potential( GM/Rc2 )SunM⊙R⊙110-6White Dwarf M⊙~ 10-2 R⊙ 107~ 10-4Neutron Star~ 1-3 M⊙~ 10-5 R⊙ 1015~ 10-1Black holeArbitrary2 GM / c2~ M / R3~ 1 a M⊙ = 1.989 x 1033 g b R⊙ = 6.9599 x1010 cm如何判断一个的天体是否需考虑广义相对论修正？白矮星白矮星质量质量 M ~ 0.2-1.1 M⊙ ⊙（平均（平均 ~ 0.6 M⊙ ⊙））半径半径 R ~ 5×108-109 cm密度密度ρ~105-107 gcm-3物质成分与结构物质成分与结构: C-O –Ne-Mg-Si…                               晶体晶体 (例例: 金刚石、宝石金刚石、宝石)表面温度表面温度  ~ 1   104 K 内部温度内部温度 ~  106 K自转周期自转周期 P ≥10 sec无核燃烧无核燃烧 例例: 天狼星天狼星(夜天空中最明亮的恒星夜天空中最明亮的恒星)的伴星的伴星 中子星中子星( (脉冲星脉冲星) )性质概要性质概要质量质量 ~ (0.2-2.5)M⊙ ⊙ 半径半径 ~ (10-20) km自转周期自转周期  P ~ 1.5 ms –8s (己发现的范围己发现的范围)中子星大气层厚度中子星大气层厚度 ~ 10 cm表面磁场表面磁场:  1010-1013 Gauss (绝大多数脉冲星绝大多数脉冲星) (?)磁星磁星 1014-1015 Gauss; 活动性活动性: AXP(Lx~1034-1036ergs/s); SGRB (???)表面温度表面温度:105-106K— 非脉冲非脉冲(软)x射射线热辐射射;磁星磁星: T表面表面>107K (?)脉冲星同超新星遗迹成协脉冲星同超新星遗迹成协(?) 发现发现10个个脉冲星的空间运动速度脉冲星的空间运动速度: 高速运动。

高速运动)     大多数大多数: V ~ (200 –500)km/s ;    5个个: V >1000km/s 通常恒星通常恒星(包括产生中子星的前身星包括产生中子星的前身星):    20-50  km/s9494颗脉冲颗脉冲( (单单) )星的空间速度星的空间速度V (km/s)                脉冲星数脉冲星数 所占所占百分比百分比      >     100                  71                    3/4    >     300                  36                    38%    >     500                  14                    15%    >   1000                    5                      5%为什么为什么? ?不对称的爆发或发射不对称的爆发或发射( (辐射或中微子辐射或中微子) )导致非常巨大的导致非常巨大的 ““kick”脉冲星空间速度方向同它的旋转轴共线脉冲星空间速度方向同它的旋转轴共线至少对至少对Crab and Vela PSR (Lai, Chernoff and Cordes(20001))Crab 星云星云脉冲星脉冲星年轻脉冲星的年轻脉冲星的Glitch现象现象: (非常规则缓慢增长的非常规则缓慢增长的)脉冲周期脉冲周期 (P) 突然变短现象突然变短现象•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( (周期变周期变化幅度为化幅度为1010-6-6-10-10-10-10) ), , 随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复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。

这种现象称为过去的周期增长率这种现象称为GlitchGlitch现象 ( (至至20052005年底年底) )已发现约已发现约7272个脉冲星出现个脉冲星出现GlitchGlitch现象现象( (共约共约189189次次),),至少有至少有8 8个脉冲星的个脉冲星的GlitchGlitch幅度超过幅度超过1.0×101.0×10-6-6PRS Vela : 36PRS Vela : 36年出现年出现1111次次 Glitch ,Glitch ,其中其中9 9次的幅度超过次的幅度超过1.0×101.0×10-6-6; ; PSR Crab: 36 PSR Crab: 36年出现年出现1919次次Glitch,Glitch,幅度超过幅度超过1.0×101.0×10-6-6的仅的仅1 1次次; ;PSR 1737-30 PSR 1737-30 呈现呈现9 9次次Glitch,Glitch,它的最大幅度仅达到它的最大幅度仅达到0.70.7×10×10-6-6 还发现更多脉冲星呈现微还发现更多脉冲星呈现微GlitchGlitch现象现象( (周期变短幅度低于周期变短幅度低于1010-12-12) )glitchPt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 ??? ???5×1014104电子电子气气体体为为超超相相对对论论简简并并( (非超导非超导) )中中子子( (质子质子) )气气体体为为非非相相对对论论简简并并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 中子能隙中子能隙 :△△(1S0) ≥ 0,       1011 < ρ(g/cm3) < 1.4×1014 △△(1S0)≥2MeV  7×1012 <ρ(g/cm3)< 5×10133PF2中子超流涡旋中子超流涡旋( (3PF2中子中子Cooper 对对: 自旋自旋=1, 各向异性各向异性,   具有具有(反常反常)磁矩磁矩 ~10-23 c.g.s.)3PF2中子能隙中子能隙 :△△ n(3PF2)    {△△ n(3PF2) }max ～～0.05MeV  (3.3 1014 <   (g/cm3) < 5.2 1014)脉冲星辐射的磁偶极脉冲星辐射的磁偶极模型模型(标准模型标准模型,1969 )•辐射功率辐射功率•自转能减慢自转能减慢•  磁场磁场•特征年龄特征年龄, 脉冲星自转减慢机制脉冲星自转减慢机制（现有理论（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 , Huang(Peng , Huang2 2, 1982), 1982)(混杂模型)•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比较比较磁偶极辐射模型磁偶极辐射模型( (标准模型标准模型) )( (我们的我们的) )混杂模型混杂模型 < 3 < 3  n n <3<3Malov统计(2001,Astronomy Reports, Vol.45,389) И.Φ. MaИ.Φ. MaЛОВ,ЛОВ, < , 2004,(p.83)>, 2004,(p.83) Log(dP/dt)-15=(1.750.56)logP – (0.01  0.15) (对对 P > 1.25s 脉冲星脉冲星 (87个个) )对对 P > 1P > 1s s.25 .25 脉冲星脉冲星 自转减慢只能由中国小组的自转减慢只能由中国小组的自转减慢只能由中国小组的自转减慢只能由中国小组的NSV(NSV(中中中中子超流涡旋子超流涡旋子超流涡旋子超流涡旋) )模型描述模型描述模型描述模型描述;  ; 对对对对     0 0s s.1 < P < 1.1 < P < 1s s.25 .25 脉冲星脉冲星脉冲星脉冲星自转减慢可由磁偶极辐射和自转减慢可由磁偶极辐射和自转减慢可由磁偶极辐射和自转减慢可由磁偶极辐射和NSVNSV辐辐辐辐射联合模型来描述。

射联合模型来描述射联合模型来描述射联合模型来描述Peng, Huang & Huang  1980; Peng, Huang & Huang  1980; Peng, Huang & Huang, 1982 ; Peng, Huang & Huang, 1982 ; Huang, Huang, LingenfelterLingenfelter, Peng and Huang, 1982, Peng and Huang, 1982我们感兴趣的脉冲星重要疑难问题我们感兴趣的脉冲星重要疑难问题1.1.脉冲星的自转减慢机制脉冲星的自转减慢机制? (1980-1982)? (1980-1982)ΔΔ2.2.脉冲星的加热机制脉冲星的加热机制? (1980-1982) ? (1980-1982) ΔΔ3.3.高速中子星问题高速中子星问题: : 中子超流涡旋的中微子辐射火箭喷流模型中子超流涡旋的中微子辐射火箭喷流模型(2003) (2003) ΔΔ 4.4.年轻脉冲星年轻脉冲星Glitch的物理起源的物理起源:(:(中子星加热机制的改进中子星加热机制的改进) ) 模型模型I: I: 中子星内正常中子星内正常( (Fermi) )中子相和中子相和3 3P P2 2 超流相间的相震荡模超流相间的相震荡模型型(2006) (2006) ΔΔ 模型模型II: II: 中子星内中子星内3 3P P2 2 超流体的超流体的A A相与相与B B间的相震荡模型间的相震荡模型(2007) (2007) ΔΔ5. 5. 中子星强磁场的物理起源中子星强磁场的物理起源 (2007, (2007, MNRAS) )6.6.磁星超强磁场的物理本质问题以及和磁星活动性物理原因磁星超强磁场的物理本质问题以及和磁星活动性物理原因(2007)(2007)ΔΔ7.7.毫秒脉冲星特性毫秒脉冲星特性: :弱磁场、无弱磁场、无Glitch、、较低空间速度较低空间速度, ,物理原因物理原因? ? 8. 8. 低质量低质量X X射线双星射线双星(LMXB)(LMXB)内的中子星弱磁场问题内的中子星弱磁场问题 高质量高质量X-X-双星双星(HMXB)(HMXB)内的中子星磁场很强。

内的中子星磁场很强 ?9. Sometimes Pulsars 9. Sometimes Pulsars 以及缺脉冲现象以及缺脉冲现象 ? ?10.10.缓变缓变GlitchGlitch现象现象 ? ?谢谢大家谢谢大家。