從中子星的形成及演化機制探討其衰亡方式

洛陽師范學院物理與電子信息學院 河南 洛陽 471934

近年來中子星的研究一直是天體物理研究的熱點和前沿,關于中子星的形成和中子星的結構早已有了較成熟的理論模型,關于中子星的演化(包括熱演化,磁場演化和內部結構演化)的理論研究也已有了較大進展。在有關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,然而沒有對這些結果作系統的分析和總結。本文將依據已有的中子星結構模型及其形成穩定機制,綜合參考目前已有的關于中子星熱演化和磁衰減及中子星向奇異星轉變等演化理論,總結出中子星衰亡的兩種結果：轉變為奇異星；演化成黑洞。奇異星既是熱中子星向黑洞演化的一個過渡,也是冷中子星的歸宿。

一、中子星的結構模型及其形成穩定機制

中子星,是一種主要由中子以及少量的質子、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,由原子核的點陣結構和簡并的自由電子氣組成,密度約為1011-1014g/cm3。外殼內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子、電子和μ介子。中心是約1公里的固態中子核心。由中子流體區向內物質密度不斷增加,可能出現不同能態的超子,從而形成超子流體,超子又可衰變產生π介子。中子星各層的物態取決于不同密度下粒子的性質及發生的各種粒子反應。

中子星產生于1.4-2.8Μ(設Μ為一倍太陽質量)的恒星核塌縮。坍縮過程產生的強大壓強在新星星體不同層面形成不同的高密度狀態,這些不同的高密度狀態促成了中子星結構的形成。中子星的形成包含逆β衰變,自由中子發射和原子核的離解三個過程。

逆β衰變：,在恒星的密度大于106g/cm3時,便達到了逆β衰變產生的條件,隨著向內深入,電子的能量越大,打進原子核內的數目越多,形成了很多富含中子的核,這就是中子化過程。

自由中子發射：逆β衰變過程導致原子核中的中子數越來越多,質子數越來越少,原子核內靜電斥力減小,從而使得原子核的結合力減弱。當中子的能量大到一定程度(即內核密度超過1011g/cm3量級)時就會跑出原子核,形成自由中子發射。

原子核的離解：當密度超過1014g/cm3后,原子核完全離解,質子和電子相碰變為中子,成為中子的海洋。但仍有少量質子和電子存在,它們是自發β衰變過程中產生的。

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

二、中子星內部結構的演化

在超新星爆發形成中子星的過程中,恒星的質量損失了一半以上,半徑也減少了10萬倍左右,只余下一個星核。由角動量守恒可知星核保留了恒星原有巨大轉動慣量的相當一部分,尺度縮減后的星核會高速旋轉,在爆炸中產生的渦旋場會加速這一旋轉,新生的中子星將以每秒數百轉的角速度高速旋轉。直到星體各部分所受的作用力與旋轉產生的離心力平衡。旋轉將帶動星體內未中子化的質子和電子運動,但電子質子又與星體各部分旋轉不同步,而且星體各部分的溫度相差也很大,因而存在強烈的溫差電,再加上星體的高速自轉,自然形成異常強大的磁場,觀測表明中子星的強磁場高達1012G。

當中子星自轉及磁場形成后,若沒有吸積等外部干擾,中子星將處于相對穩定狀態,在以后的幾百萬年里,中子星將主要通過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軸不重合,因此有大量粒子在旋轉磁場作用下加速從兩極噴出,另有部分電子與旋轉磁場作用在中子星極冠處形成一個錐形的電磁輻射源。由于中子星旋轉太快,錐形輻射源會快速間斷的掃向地球,在地球上可以接收到脈沖狀輻射。到目前為止我們對中子星的性質了解基本都源自這種脈沖狀輻射。通過觀測這種脈沖輻射的周期和強度,我們不僅可以知道被觀測星體的周期變化率,而且可以推測其內部磁場變化及內部結構變化。長期的觀測表明,中子星的自轉在不斷變慢。目前解釋中子星自轉變慢的理論普遍認為它取決于中子星的磁場演化。

關于磁場演化,戴子高等人提出了一個中子星熱演化和磁衰減的模型。模型認為：中子星因磁偶極輻射而自轉減慢,在內部產生某些加熱過程,中子星磁場通過殼層的歐姆耗散來衰減[1]。結果表明,磁場衰減提高了加熱過程的重要性；相反,加熱效應減慢了磁衰減。因此可以得出,中子星的熱、自轉和磁場也許不是獨立演化的[1]。

上述理論中加熱過程包括中子星自轉時摩擦加熱及內部化學反應的化學加熱,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,給出了中子星內部溫度演化,外部溫度演化及磁場演化圖[1]。從圖中可以看出,在不存在吸積加熱的影響下,中子星的磁場先快后慢地衰減,而中子星內部及外部溫度都先慢后快地減弱,總體來看,中子星磁場不斷減弱,溫度不斷降低而變冷。

中子星變冷,自轉減慢會導致星體在自身引力下進一步緊縮,中子星內核密度ρ進一步升高。當ρ≥2ρ0時(ρ0為核物質的飽和密度[2]),將發生π介子凝聚[3],由于內核中π介子與核子之間的相互作用,一個中子會產生一個質子和一個π介子,而前面提到超子流體中超子衰變也可以產生π介子,又因為π介子自旋為0,它們會形成Bose-Einstein凝聚,π介子凝聚將大大增加中微子發射率,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ρ≥2.75ρ0時,將發生k介子凝聚[4],同樣k介子凝聚也會大大增加中微子發射率,加快中子星的冷卻。盡管中子星在變冷,但其內部卻將發生根本性的變化,即由中子星到奇異星的轉變。

三、中子星向奇異星的轉變

奇異物質是指組成中含有奇異夸克的三味夸克物質。它被認為比強子物質更穩定,并被證明能合理存在[5]。在前面中子星內核發生π介子凝聚和k介子凝聚中就已產生了形成奇異物質的種子。π介子是由u,d兩味夸克組成(一個u夸克與一個反d夸克組成一個π+介子,一個d夸克與一個反u夸克組成一個π-介子)。k介子是由u,s兩味夸克組成,其中s為奇異夸克。所以當中子星內核中k介子凝聚時,就已產生了奇異物質的種子。由于中子不帶電,它會擴散到奇異物質內,退禁閉后產生兩味夸克物質,進而與奇異夸克組成更穩定的三味夸克物質。如此一來即相當于奇異物質由內向外膨脹,經過一段時間中子星物質都轉變為奇異物質,中子星轉變為奇異星,這段時間將是毫秒數量級。由于瞬間的結構突變,新生的奇異星必然有大的徑向振動,其振動能將高達1047爾格量級。奇異星表面的強烈振動將引發磁場的變化,進而產生電場,該電場將加速帶電粒子,由于磁場很強,較大振幅的振動會導致帶電粒子瞬間被加速到極端相對論能量。Smith和Epstein證明帶電粒子從電場中獲得能量和磁場曲率輻射中損失的能量將達到平衡,在此以后曲率輻射光子將引起同步輻射和正負電子對的級聯,正負電子對的級聯最終會以γ射線爆的形式表現出來。因此可以通過短暫而強烈的γ射線爆的觀測來推測中子星向奇異星的轉變。

中子星向奇異星的轉變還可由另一種方式--中子星的吸積進行。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量來增加自身質量,(此外,中子星還可吸積環繞它的殘余盤或周圍星際介質[6])。由于吸積過程要產生吸積熱加熱中子星,故這類中子星又被稱為熱中子星。當熱中子星吸積使自身質量達到1.4Μ時,其中心密度會達到中子物質的退禁閉密度,此時,內核中心會同樣經由π介子凝聚和k介子凝聚產生奇異物質。然后同冷中子星向奇異星轉變一樣,熱中子星也將轉變為奇異星。不同的是熱中子星轉變過程會引起很大的脈沖周期突變其大小取決于內核物質的物態,其轉變時標取決于奇異物質的物態。我分析認為冷中子星之所以沒有這點突變(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過吸積過程的影響早已均勻地變長了。

熱中子星通過吸積轉變成更穩定的奇異星,新生的奇異星由于在轉變過程中內部結構突變,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程,然而如果這些變化不足以停止吸積過程,由于奇異物質可以近似看成理想相對論費米氣體,奇異星的體積將隨著吸積過程而加大,這一變化將減緩奇異星的自轉卻加速新生奇異星的吸積。當奇異星吸積到足夠物質使自身內核的奇異物質簡并壓不足以抵抗自身的引力時,奇異星將進一步坍縮成為黑洞。

四、結論

通過研究分析中子星的內部結構演化,總結出中子星衰亡的兩種方式：冷中子星通過內核的π介子凝聚和k介子凝聚產生奇異物質種子,在中子星內核達到中子退禁閉密度時,開始內核物質奇異化并向外膨脹瞬間完成中子星向奇異星的轉變。熱中子星通過吸積伴星質量來使自身質量增大到1.4Μ以上,內核密度會達到中子物質的退禁閉密度,從而開始經由π介子凝聚和k介子凝聚產生奇異物質,然后向奇異星轉變,熱中子星變成的奇異星若繼續吸積,將會進一步增大自身體積,從而加快吸積,當吸積到足夠物質使自身內核的奇異物質簡并壓不足以抵抗自身的引力時,奇異星將進一步坍縮成為黑洞。由此可以得出奇異星既是熱中子星向黑洞演化的一個過渡,也是冷中子星的歸宿。