2005年天文學課程

1、脈沖星的形成與結(jié)構(gòu)04 級物理系041120094摘要： 本文簡要介紹了中子星的形成過程，并簡單證明了脈沖星是中子星的理論，最后根據(jù)脈沖星觀測的特征，求解出脈沖星的磁層結(jié)構(gòu)。：中子星、脈沖星、脈沖引言：再脈沖星以前，先來看一下中子星是怎么形成的。質(zhì)量超過極限的恒星，核耗盡以后，塌縮到的體積時，電子其的簡并壓力并不能與引力相抗衡，星體繼續(xù)塌縮，密度越來越高，這時就需要出現(xiàn)另外一種力才能支撐住星體停止塌縮。隨著中子的發(fā)現(xiàn)，和對中子認識的加深，人們認識到這種力來自中子的簡并壓。而星體中的中子則是由逆 衰變產(chǎn)生的。當電子的速度接近光速的時候（*能量很高的時候*），可以發(fā)生如下的反應：p e n ；這個

2、反應就是逆 衰變，即一個高能電子和一個質(zhì)子碰撞，形成了一個中子，并發(fā)射一個中微子。隨著星體的塌縮，星體內(nèi)的密度升高，越來越多的電子獲得了很大的動量。一般情況下，這種富含中子的原子核會進行 衰變，但是在高密度的情況下，由于不相容原電子已經(jīng)占滿了各種狀態(tài)，了原子核進行 衰變。隨著逆 衰理，存在原子核外的變得進行，中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的比率繼續(xù)增大，從而原子核的結(jié)合力減弱，當密度大到一定程度時（大約為 4 1014 kg / m3 ），中子從原子核中出來，形成核外中子流體。密度再增大，原子核完全解離，物質(zhì)幾乎為中子組成。與簡并電子類似，此時的中子也是簡并的，其簡并壓力可以與引力相抗衡，星體形成一種新的平衡

3、，而且主要由中子子星。（*過程比較清晰！*）脈沖星的發(fā)現(xiàn)：，所以稱其為中1967 年 7 月，英國大學的什小組研制成觀測小角徑射電源的星際閃爍的射電望遠鏡，可訊變信號。Bell 于 8 月 6錄到一組很強的信號起伏，于 11 月 28 日首次看到了這個奇怪源的信號是一系列規(guī)則的脈沖信號。這就是第一個被發(fā)現(xiàn)的脈沖星。按照脈沖星發(fā)射的不同波段，脈沖星分為射電脈沖星、光學脈沖星、X 射線脈沖星和 射線脈沖星。而光學脈沖星和 射線脈沖星很少。射電脈沖星最多。脈沖星的特點有（1）脈沖時間短，多在 0.001 0.05 秒之間。（2）脈沖周期穩(wěn)定，比地球上最精確的原子鐘還要精確。隨著時間的增長，周期極其細

4、微的增長。除了規(guī)則的周期增長以外還有不規(guī)則的周期突然減小，但在一段時間后又恢復到接近正常的周期。這種周期突然減小的現(xiàn)象叫做自轉(zhuǎn)突變，因為周期的突然減小是由自轉(zhuǎn)突然加快引起的。（3）單個脈沖輻射是高偏振的，具有強磁場。各個脈沖的強度和形狀彼此都不相同，呈現(xiàn)的變化。但把幾百個脈沖信號疊加起來得出的累積輪廓相當穩(wěn)定，有單峰，雙峰和多峰。（4）射電脈沖星的射電輻射功率很大（1018 1024 W）。（5）由于星際物質(zhì)中存在小于光速，并且與頻率有關(guān)。（*比較清晰！*）電子，射電脈沖的群速脈沖星是中子星：由脈沖星的特征，可以通過理論分析得到脈沖星是中子星的結(jié)論。具體的理論分析如下：脈沖的周期規(guī)則表明脈沖應

5、與恒星的整體性質(zhì)有關(guān)，而且脈沖的持續(xù)時間極短，證明脈沖星是體積很小的天體，所以應該是致密星，即恒星演化的三種可能：，中子星，黑洞。首先把黑洞排除掉。因為黑洞只是吸收而不輻射，所以脈沖星不可能是黑洞（*黑洞附近吸積盤可以輻射，黑洞吸積物質(zhì)可以輻射，所以這個理由不太好！*）。因為精確周期性的運動有 3 種可能：雙星軌道運動、星體的脈動和星體的自轉(zhuǎn)。對于軌道運動，如果兩顆以脈沖星的周期繞轉(zhuǎn)，它們之間的距離應該比之間的距離小得多。如果是兩顆中子星的話，會產(chǎn)生引力輻射，損失能量，改變周期。所以不可能是軌道運動。（*很好，如果有具體計算就更好了，應該不！*）根據(jù)恒星的脈動理論得到的脈動周期比脈沖星的脈沖周

6、期太短，所以也不是恒星的脈動。 所以，脈沖星的脈動是由于恒星的自轉(zhuǎn)引起的。那么脈沖的周期應該和自轉(zhuǎn)的周期嚴格相等。恒星自轉(zhuǎn)的角速度不應該超過一個臨界值 ，它是由赤道上的物質(zhì)所受的引力與離心力向平衡的條件所決定的。 2 2GmR ;R2TM 4 R3;312G所以： T ；最大的密度，它的自轉(zhuǎn)周期至多為 1s 的數(shù)量級，而多數(shù)脈沖星的數(shù)量級比 1s 要對于短。經(jīng)過上面的簡單分析，可以得出脈沖星是中子星的結(jié)論。（*以上分析得很好*）下面論脈沖星的輻射機理.射電脈沖星的輻射機理：再討脈沖星的脈沖周期就是中子星的自轉(zhuǎn)周期，射電脈沖星的周期在變短的事實說明中子星的自轉(zhuǎn)在緩慢減慢，所以輻射的能量是來自轉(zhuǎn)動

7、能的減少，對于一顆以角速度 旋轉(zhuǎn)的球星中子星，轉(zhuǎn)動能表示為： E 1 J2 ，對于密度分布均勻的球體有 J 2 mR2 。k254 2 JP&兩邊求導得到轉(zhuǎn)動能的損失率為： Ek J& &；脈沖星的自轉(zhuǎn)能的減少完全能P3夠提供它輻射所需要的能量。另外脈沖持續(xù)的時間比脈沖的周期短很多，說明中子星的射電輻射不是從整個星面向各個方向發(fā)出的，而是產(chǎn)生于某個區(qū)域，使得輻射成束狀，隨著中子星的自轉(zhuǎn)，輻射束指向不同的方向，當它掃過地球時就會產(chǎn)生一個脈沖，中子星每自轉(zhuǎn)一周，地球上就能觀察到一次脈沖。（*不錯！*）而脈沖星的輻射是束狀的，就必須要求脈沖星有其獨特的結(jié)構(gòu)。只有中子星的磁軸與自轉(zhuǎn)軸不重合，才能產(chǎn)生燈

8、塔效應。隨著脈沖星高速旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)磁場在中子星兩磁極區(qū)誘導產(chǎn)生很強的電場，大致沿磁場方向。另外，中子星表面殼層的脫出功很高，使得其表面以外存在一個很薄的真空隙。在真空隙區(qū)內(nèi)一旦出現(xiàn)電子或正電子，這個強電場將使它們迅速加速到很高的能量(1014eV)。而正負電子可以由高能的 光子在強磁場下產(chǎn)生。這些正、負電子沿著極區(qū)略微彎曲的磁力線向外運動時將輻射能量亦很高的 光子。在強磁場下，當這些 光子同磁場斜交時，將再次產(chǎn)生正、負電子對; 在電場它們再加速。這種連續(xù)的過程將產(chǎn)生相當多的正、負電子對。在真空隙的上部大量高能正、負電子對沿著極區(qū)開放磁力線運動產(chǎn)生了觀測到的射電波段輻射。只有當磁軸和旋轉(zhuǎn)軸相互傾斜時，隨著脈沖星的旋轉(zhuǎn),沿磁軸方向射出的射電會呈現(xiàn)出一個個脈沖形式 燈塔效應。（*不錯！*）另外一種看法認為，輻射束產(chǎn)生于中子星表面的磁極區(qū)域，并沿著磁軸發(fā)射。如圖：大質(zhì)量的恒星塌縮形成中子星，強大的引力使星體的半徑縮小到原來的萬分之一，由磁通量守恒，中子星的磁場巨增，一顆原來磁場為 0.01T 的主序星塌縮成中子星以后，磁場可以達到108 T。此時，磁場中的帶電粒子在力的作用下沿螺旋線運動，同時發(fā)出同步電磁輻射，輻