化学加热机制对中子星热演化的影响

余俊

摘 要：中子星由致密核物质组成，它的内部组成有中子、电子、质子到奇异性物质等许多可能，因为中子星的内部可能会出现超导、超流等一系列性质，所以中子星的内部物质的成分和物态是许多科学家目前研究的方向。中子星的热演化和它内部致密核物质的物态方程、组成成分紧密相关。通过将理论上的热演化曲线与实际观测到的数据进行对比，是一种研究中子星的结构、物质和解释一些物理现象的有效方法。

关键词：中子星；热演化；化学加热

1 中子星的形成过程

1.1中子星是一个超密中子简并星，主要是有中子和少量的质子，电子构成。

中子星的形成过程主要分为三个部分。第一部分中子化阶段。当恒星的质量大于106g/cm-3 时，中子星内部会达到β 衰变过程的条件，电子和质子发生碰撞，形成了中微子和中子，质子数减少，原子核的能量越来越大，由此在原子的中心形成了富中子核，这一过程被人们称为中子化。第二部分就是自由中子发射。当星体的中子化程度越来越高，质子数下降，中子的能量增大，中子就会逃离原子核。第三个部分是，当恒星的密度达到了10×1014g/cm-3这个数量级时，中子星的原子核就会全部离解，电子和质子结合形成中子，这样整个中子星就为中性。

1.2中子星的结构

根据目前科学家所研究的结果，可以将中子星的结构分为5个部分。大气层：它的厚度约为0.1-10cm。外壳层：外壳层厚度大概有几百米。内壳层：内壳层的厚度有几千米。外核：中子星的外核厚度大约有几千米。内核：它的内核半径有几千米。

2 中子星的冷却理论

中子星的冷却主要有以下三个阶段：

第一阶段：热弛豫阶段，当时间t小于10～100yrs时，中子星的内部的中微子发生辐射，使其中子星的核心很快冷却，但是中子星的外壳层冷却速度并没有核心那么快，因此壳层的温度要高于核心，这时候中子星的外壳可以在一定程度上减缓热量的散失的热量，这样中子星的外壳就像一个保温套，外壳的冷却主要靠热传导，将外壳的温度传递到核心部分，因此，中子星的温度反映的是外壳的热状态。

第二个阶段：中微子的冷却阶段，这个阶段的时间t小于等于105yrs。

这个阶段中微子的辐射光度远大于表面辐射光度，因此中子星的冷却主要由中微子的辐射决定，这时候中子星的表面温度主要依赖中子星的内部温度。

第三个阶段：光子冷却阶段，这个阶段的时间t大于等于105yrs。这时候中微子的辐射光度远远小于中子星表面光子的辐射光度。因此，中子星的温度主要取决于表面光子辐射所散失的能量。中子星内部温度的变化被表面的热性质决定

中子星的冷却理论是由Tsuruta & Cameron这两个人建立的。由能量守恒定律和热传导的公式可知：在单位时间内，中子星单位体积能量E的减少等于中微子辐射带走的能量和温度梯度差导致的热量散出的总和。可以得到如下公式

这里的cv表示的是单位体积的热容量，￡v表示的是中微子辐射过程的能量的损失率。通过一系列的计算，我们可以得到以下公式

我们研究热演化理论的目的是为了模拟中子星的热演化曲线，将理论曲线和实际曲线进行比较。我们考虑中子星内部没有加热机制的冷却曲线。它可以解释一部分中子星的观测数据，但这种模型还有一定的局限性，

在实际观测数据中，我们发现有些中子星在t大于109yrs后它的表面温度依然高于105k，但是我们的标准模型的冷却曲线是低于实际值。因此，我们考虑到中子星的内部存在一些加热机制，影响着标准模型，所以上述表达式并不准确，我们在此式的基础上进行一定的修改。

cv表示的是单位体积的热容量，表示表面光子輻射光度，表示中微子的辐射光度

下面我们主要研究化学加热机制对中子星热演化的影响，这样我们能够在一定程度上弥补标准模型的不足之处。

3 什么是化学加热

中子星的内部的化学加热是因为中子星的旋转速度逐渐变慢，从而导致中子星里面β平衡的偏离。当中子星的旋转速度变慢，它的离心力变小，星体的体积减少，这样中子星的里面物质的浓度变大，它的平衡状态发生了改变。这样中子星的内部会再次发生化学反应，这样中子星的内部会在次达到一个平衡。当星体内部的化学反应的速率小于中子星旋转导致浓度上升的反应，这样这个系统将永远不会达到平衡。中子星的内部会偏向化学反应，因此星体内部会产生一些额外的能量，额外的能量会通过某些反应转化为热能是中子星加热。我们会通过星体的旋转过程和物态方程计算化学加热对中子星热演化的影响。

3.1化学加热机制对中子星热演化的影响

Reisenegger等几位科学家研究了简单中子星物质的化学加热。在这之后提出了一个简单的模型，当中子星内部只有npe三种非超流物质。我们可以定义质子数的密度来表示这种物质的化学转态。当星体处于平衡状态时，中子星的表面的能量密度£和表面的压强p都是常数，并且质子数的密度x也是一个定值。我们可以定义旋转过程中中子星表面的中子数密度之比为

根据一些科学家的大量计算，可以得到以下图像

从上图可以得知，当中子星不考虑加热机制的情况下，中子星的热演化分为三个阶段，在t小于10～100yrs的时间内，由于中子星的外壳冷却速度较慢，因此对于中子星内部相当于一个保护层，使中子星的温度在一定时间内不会有很大的变化。T小于等于105yrs时，中微子辐射，中子星的能量大量散失，导致中子星的的温度急剧下降.t大于等于105yrs，发生光子辐射。

但是当有化学加热机制存在的情况下，我们可以看到，在即将发生光子辐射阶段之前，中子星的温度会有一定的提升，使其温度下降速度变慢。因此，我们就可以建立相应的模型，去解释其他中子星的热演化。