磁星的物理本質(zhì)與活動(dòng)性

磁星的物理本質(zhì)與活動(dòng)性第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一磁星-奇特的天文現(xiàn)象觀測(cè)證據(jù):脈沖星磁場(chǎng)測(cè)定

自轉(zhuǎn)周期很長(zhǎng):

周期增長(zhǎng)率很高:在10keV處觀測(cè)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(chǎng)下的Landau能級(jí)躍遷譜線探測(cè)到能量為1044ergs的x-ray巨型耀斑衰減的尾巴。磁星是一類(lèi)中子星,它(衰變)的超強(qiáng)磁場(chǎng)作為它強(qiáng)大x-ray或γ-ray輻射以及粒子發(fā)射的源泉。兩類(lèi)磁星:1)反常x-脈沖星(AnormalousX-rayPulsars---AXPs)2)軟γ重復(fù)暴(SoftGammaRepeaters---SGRs)第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一我們研究探討的問(wèn)題欲探討的問(wèn)題:磁星(1014-1015gauss)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(lái)解釋。而且磁星的表面溫度107K,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通常中子星的表面溫度(105-106K)第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一磁星超強(qiáng)磁場(chǎng)的物理本質(zhì)?己經(jīng)提出的模型:Ferrario&Wickrammasinghe(2005)suggestthattheextra-strongmagneticfield

ofthemagnetarsisdescendedfromtheirstellarprogenitorwithhighmagneticfieldcore.Duncan&Thompson(1992,1993):α-Ωdynamowithinitialspinperiodlessthan3msIwazaki(2005)proposedthehugemagneticfieldofthemagnetarsissomecolorferromagnetismofquarkmatter.Vink&Kuiper(2006)suggestthatthemagnetarsoriginatefromrapidratatingproto-neutronstars.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(chǎng)。我們計(jì)算發(fā)現(xiàn):磁星超強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)自在原有本底(包括電子Pauli順磁磁化)磁場(chǎng)下，各向異性中子超流體3P2中子Cooper對(duì)的Pauli磁化現(xiàn)象(磁疇)

。中子反常磁矩:第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一中子星內(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)殼超富中子核、晶體、自由電子外殼(重金屬晶體)夸克物質(zhì)???51014104第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一1S0

與3PF2

中子超流體

1S0中子超流渦旋1S0中子Cooper對(duì):自旋=0,各向同性△(1S0)≥0,1011<ρ(g/cm3)<1.4×1014△(1S0)≥2MeV7×1012<ρ(g/cm3)<5×10133P2中子超流渦旋(3P2中子Cooper對(duì):自旋=1,各向異性,(反常)磁矩~10-23c.g.s.)△

n(3P2){△

n(3P2)}max～0.05MeV

(3.31014<(g/cm3)<5.21014)第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一3P2中子Cooper對(duì)的磁矩的分布3P2中子Cooper對(duì)系統(tǒng):Bose子系統(tǒng)，在低溫下都凝聚在基態(tài)(E=0)狀態(tài)。每個(gè)3P2中子Cooper對(duì)具有磁矩:

μB=2μn=1.9×10-23ergs/gauss。在外磁場(chǎng)作用下，磁針(磁矩)有著順磁場(chǎng)方向的趨勢(shì),具有較低的能量值。即它比Z=0,1狀態(tài)有更低的能量。

第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一順磁方向與逆磁方向排列的

3P2Cooper對(duì)數(shù)目差在(T,B)環(huán)境下,自身磁矩順磁場(chǎng)與逆磁場(chǎng)方向排列的3P2中子Cooper對(duì)數(shù)目之差為f(x)為布里淵函數(shù)第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一處于3P2

中子Copper對(duì)的中子數(shù)所占的百分比(動(dòng)量空間中)Fermi球內(nèi)、在Fermi表面附近厚度為殼層內(nèi)的中子才會(huì)結(jié)合成3P2Cooper對(duì)。它占中子總數(shù)的百分比為:EF(n)~60MeV,(3P2(n))~0.05MeV,q~8.7%

處于3P2Copper對(duì)狀態(tài)的中子總數(shù)目為:第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一3P2中子Cooper對(duì)的誘導(dǎo)磁矩磁針順磁場(chǎng)與逆磁場(chǎng)方向排列的3P2中子Cooper對(duì)數(shù)目之差為它們引起的誘導(dǎo)磁矩為當(dāng):(高溫近似)第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一3PF2中子超流體的總的誘導(dǎo)磁場(chǎng)

:中子星的磁矩同(極區(qū))磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系:第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一高溫、非超強(qiáng)磁場(chǎng)近似當(dāng)中子星內(nèi)部溫度仍然較高時(shí)，T7>>2η,這種由各向異性(3P2)超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場(chǎng)遠(yuǎn)低于中子星的本底磁場(chǎng)(主要由相對(duì)論性簡(jiǎn)并電子氣體的Pauli順磁性產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)。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(chǎng)將逐漸增加。當(dāng)溫度下降到遠(yuǎn)低于這種誘導(dǎo)磁場(chǎng)將會(huì)超過(guò)原初本底磁場(chǎng)。形成磁疇(鐵磁體)(B<1013gauss,T>107K)第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一

從順磁磁化(paramagnetism)到

磁疇(鐵磁性ferromagnetism)相變A)高溫、低磁場(chǎng)情形

(B<1013gauss,T>107K)令從順磁磁化體向鐵磁體(磁疇)的相變,相變溫度可由令第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一中子星磁場(chǎng)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(duì)的磁矩全部都順著外磁場(chǎng)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(chǎng)的上限為B(in)max因?yàn)榈谑?yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一Bin-T

曲線(取η=1)(未考慮相互作用)第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一物理圖象絕大多數(shù)3P2中子Cooper對(duì)的磁矩投影指向都是混亂的,順著磁場(chǎng)方向排列的3P2中子Cooper對(duì)的數(shù)量略微多于逆磁場(chǎng)方向排列的3P2中子Cooper對(duì)的數(shù)量(數(shù)量差為ΔN1)。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(chǎng)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(duì)的誘導(dǎo)磁矩造成的(3P2中子Cooper對(duì)的中子總數(shù)只占3P2

中子超流體內(nèi)中子總數(shù)的8.7%)。第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一中子星磁場(chǎng)的變化當(dāng)中子星內(nèi)部冷卻到3P2超流體的相變溫度Tλ=2.8×108K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(chǎng)會(huì)發(fā)生變化,這是由于中子3P2Copper對(duì)的磁矩在外磁場(chǎng)作用下會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向順著外磁場(chǎng)方向排列。在溫度較高的條件下，絕大多數(shù)中子3P2Copper對(duì)的磁矩方向排列是混亂的。只有極少數(shù)中子3P2Copper對(duì)的磁矩順著外磁場(chǎng)方向排列。但是，隨著在中子星冷卻的過(guò)程，它內(nèi)部的溫度下降，順著外磁場(chǎng)方向排列的中子3P2Copper對(duì)數(shù)量迅速(指數(shù))增長(zhǎng)。當(dāng)溫度下降到T7<2η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(chǎng)超過(guò)它原有的初始本底磁場(chǎng)。隨著中子星的進(jìn)一步冷卻,兩個(gè)因素使得中子星磁場(chǎng)增長(zhǎng)1)(百分比)愈來(lái)愈多的中子3P2Copper對(duì)的磁矩方向(在原有的初始本底磁場(chǎng)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(chǎng)。2)3P2中子超流區(qū)擴(kuò)大，3P2中子超流體的總質(zhì)量不斷增長(zhǎng)(見(jiàn)圖);第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一3P2中子能隙圖(Elgag?yetal.1996,PRL,77,1428-1431)第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一脈沖星磁場(chǎng)的增長(zhǎng)隨著在原有3P2中子超流體區(qū)域(3.31014<(g/cm3)<5.21014)外側(cè)鄰近部分區(qū)域物質(zhì)溫度下降到相應(yīng)的相變溫度時(shí)，該區(qū)域物質(zhì)

正常Fermi狀態(tài)

3P2中子超流狀態(tài),因而3P2中子超流體區(qū)域擴(kuò)大，中子星內(nèi)3P2中子Cooper對(duì)的總磁矩會(huì)不斷地緩慢(幾乎連續(xù))增長(zhǎng)。它產(chǎn)生的誘導(dǎo)磁場(chǎng)也逐漸增長(zhǎng)。結(jié)論:它將朝著磁星方向演化。第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一磁星的活動(dòng)性第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一UndertheultrastrongmagneticfieldTheLandauenergylevelisquantizedwhenBBcr

(Bcr=4.4141013gauss)n:quantumnumberoftheLandauenergylevel

n=0,1,2,3……Landaucolumnppz第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一Theoverwhelmingmajorityofneutronscongregatesinthelowestlevelsn=0orn=1,WhenTheLandaucolumnisaverylongcylinderalongthemagneticfiled,butitisverynarrow.Theradiusofitscrosssectionisp.ppz第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一高Landau能級(jí)粒子布居數(shù)第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一結(jié)論:當(dāng)T71,BBcr

條件下即:當(dāng)溫度低于107K,磁場(chǎng)超過(guò)Landau臨界磁場(chǎng)的狀態(tài)下，在沿垂直磁場(chǎng)方向上，電子幾乎都集中在n=0,1,2,3的Landau基態(tài)上。我們可以忽略n>100….(pzpF)第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一總的能級(jí)占有狀態(tài)數(shù)近似估計(jì)第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一Landauquantization

n=0n=1n=4n=3n=2n=5n=6pzp第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一在低溫、超強(qiáng)磁場(chǎng)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(wú)關(guān))由第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一PrincipleofPauli’sincompatibilityPauli不相容原理:Thetotalnumberstates(perunitevolume)occupiedbytheelectronsinthecompletedegenerateelectrongasshouldbeequaltothenumberdensityoftheelectrons.第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一沿著磁場(chǎng)方向的Fermi能量第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一BasicideaWhentheenergyoftheelectronneartheFermisurfaceisratherhigh(EF>600MeV)Energyoftheresultingneutronswillberatherhighandtheywillreactwiththeneutronsinthe3P2Cooperpairsandwilldestroythese3P2Cooperpairs.Itwillcausetheisotropicsuperfluiddisappearandthenthemagneticfieldinducedbythe3P2Cooperpairswillbealsodisappear.第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一Inducedmagneticmomentdisappears

Theenergyofa3P2Cooperpairofneutronswillbereleasedasthermalenergywhenthemagneticmomentdisappear.Energyrange:(X-ray–soft-ray)Thex-ray(orsoft-ray)maybeobserveddirectly,becauseThethermalphotonswillnotbeabsorbedbymostelectronsandprotonsinthedeepoftheirFermisea.第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一Totalreleasedenergyx-rayLuminosityofAXPs:Itwillbemaintained~105-106yr第三十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，編輯于2023年，星期一PhaseOscillationAfterwards,Revivetothepreviousstatejustbeforeformation