从中子星的形成及演化机制探讨其衰亡方式

洛阳师范学院物理与电子信息学院 河南 洛阳 471934

近年来中子星的研究一直是天体物理研究的热点和前沿,关于中子星的形成和中子星的结构早已有了较成熟的理论模型,关于中子星的演化(包括热演化,磁场演化和内部结构演化)的理论研究也已有了较大进展。在有关中子星演化的理论研究中,许多论文都已提及到一些中子星的衰亡方式,然而没有对这些结果作系统的分析和总结。本文将依据已有的中子星结构模型及其形成稳定机制,综合参考目前已有的关于中子星热演化和磁衰减及中子星向奇异星转变等演化理论,总结出中子星衰亡的两种结果：转变为奇异星；演化成黑洞。奇异星既是热中子星向黑洞演化的一个过渡,也是冷中子星的归宿。

一、中子星的结构模型及其形成稳定机制

中子星,是一种主要由中子以及少量的质子、电子所组成的致密星。它的外层是一固体外壳,约有1公里厚,由原子核的点阵结构和简并的自由电子气组成,密度约为1011-1014g/cm3。外壳内是一层主要由中子组成的流体,其密度大约为1014-1015g/cm3,在这一层还有少量的质子、电子和μ介子。中心是约1公里的固态中子核心。由中子流体区向内物质密度不断增加,可能出现不同能态的超子,从而形成超子流体,超子又可衰变产生π介子。中子星各层的物态取决于不同密度下粒子的性质及发生的各种粒子反应。

中子星产生于1.4-2.8Μ(设Μ为一倍太阳质量)的恒星核塌缩。坍缩过程产生的强大压强在新星星体不同层面形成不同的高密度状态,这些不同的高密度状态促成了中子星结构的形成。中子星的形成包含逆β衰变,自由中子发射和原子核的离解三个过程。

逆β衰变：,在恒星的密度大于106g/cm3时,便达到了逆β衰变产生的条件,随着向内深入,电子的能量越大,打进原子核内的数目越多,形成了很多富含中子的核,这就是中子化过程。

自由中子发射：逆β衰变过程导致原子核中的中子数越来越多,质子数越来越少,原子核内静电斥力减小,从而使得原子核的结合力减弱。当中子的能量大到一定程度(即内核密度超过1011g/cm3量级)时就会跑出原子核,形成自由中子发射。

原子核的离解：当密度超过1014g/cm3后,原子核完全离解,质子和电子相碰变为中子,成为中子的海洋。但仍有少量质子和电子存在,它们是自发β衰变过程中产生的。

以上三个过程所需要的高密度在恒星强大的内核坍缩时是可以得到满足的。在中子星外层的少量电子可以以简并态存在,而到了里面,密度奇高,致使中子填满了所有的能态,大部分中子处于高能态,形成了极其巨大的简并中子气压。简并中子气压和密度的5/3次方成正比,这和非相对论性简并电子气压与密度的关系一样。然而中子流体的密度已超过1014g/cm3,致使简并中子气所形成的压力远远超过简并电子气,达到可以抗衡引起星体坍缩的引力的状态,这样稳定的中子星便形成了。

二、中子星内部结构的演化

在超新星爆发形成中子星的过程中,恒星的质量损失了一半以上,半径也减少了10万倍左右,只余下一个星核。由角动量守恒可知星核保留了恒星原有巨大转动惯量的相当一部分,尺度缩减后的星核会高速旋转,在爆炸中产生的涡旋场会加速这一旋转,新生的中子星将以每秒数百转的角速度高速旋转。直到星体各部分所受的作用力与旋转产生的离心力平衡。旋转将带动星体内未中子化的质子和电子运动,但电子质子又与星体各部分旋转不同步,而且星体各部分的温度相差也很大,因而存在强烈的温差电,再加上星体的高速自转,自然形成异常强大的磁场,观测表明中子星的强磁场高达1012G。

当中子星自转及磁场形成后,若没有吸积等外部干扰,中子星将处于相对稳定状态,在以后的几百万年里,中子星将主要通过放射中微子及极冠处的电磁辐射损耗自身能量。由于中子星磁轴与自转轴不重合,因此有大量粒子在旋转磁场作用下加速从两极喷出,另有部分电子与旋转磁场作用在中子星极冠处形成一个锥形的电磁辐射源。由于中子星旋转太快,锥形辐射源会快速间断的扫向地球,在地球上可以接收到脉冲状辐射。到目前为止我们对中子星的性质了解基本都源自这种脉冲状辐射。通过观测这种脉冲辐射的周期和强度,我们不仅可以知道被观测星体的周期变化率,而且可以推测其内部磁场变化及内部结构变化。长期的观测表明,中子星的自转在不断变慢。目前解释中子星自转变慢的理论普遍认为它取决于中子星的磁场演化。

关于磁场演化,戴子高等人提出了一个中子星热演化和磁衰减的模型。模型认为：中子星因磁偶极辐射而自转减慢,在内部产生某些加热过程,中子星磁场通过壳层的欧姆耗散来衰减[1]。结果表明,磁场衰减提高了加热过程的重要性；相反,加热效应减慢了磁衰减。因此可以得出,中子星的热、自转和磁场也许不是独立演化的[1]。

上述理论中加热过程包括中子星自转时摩擦加热及内部化学反应的化学加热,不包括吸积加热。在考虑中子星热演化和磁衰减的相互作用时,给出了中子星内部温度演化,外部温度演化及磁场演化图[1]。从图中可以看出,在不存在吸积加热的影响下,中子星的磁场先快后慢地衰减,而中子星内部及外部温度都先慢后快地减弱,总体来看,中子星磁场不断减弱,温度不断降低而变冷。

中子星变冷,自转减慢会导致星体在自身引力下进一步紧缩,中子星内核密度ρ进一步升高。当ρ≥2ρ0时(ρ0为核物质的饱和密度[2]),将发生π介子凝聚[3],由于内核中π介子与核子之间的相互作用,一个中子会产生一个质子和一个π介子,而前面提到超子流体中超子衰变也可以产生π介子,又因为π介子自旋为0,它们会形成Bose-Einstein凝聚,π介子凝聚将大大增加中微子发射率,中子星将更快冷却。这也是图1和图2中曲线衰减先慢后快的原因。当ρ≥2.75ρ0时,将发生k介子凝聚[4],同样k介子凝聚也会大大增加中微子发射率,加快中子星的冷却。尽管中子星在变冷,但其内部却将发生根本性的变化,即由中子星到奇异星的转变。

三、中子星向奇异星的转变

奇异物质是指组成中含有奇异夸克的三味夸克物质。它被认为比强子物质更稳定,并被证明能合理存在[5]。在前面中子星内核发生π介子凝聚和k介子凝聚中就已产生了形成奇异物质的种子。π介子是由u,d两味夸克组成(一个u夸克与一个反d夸克组成一个π+介子,一个d夸克与一个反u夸克组成一个π-介子)。k介子是由u,s两味夸克组成,其中s为奇异夸克。所以当中子星内核中k介子凝聚时,就已产生了奇异物质的种子。由于中子不带电,它会扩散到奇异物质内,退禁闭后产生两味夸克物质,进而与奇异夸克组成更稳定的三味夸克物质。如此一来即相当于奇异物质由内向外膨胀,经过一段时间中子星物质都转变为奇异物质,中子星转变为奇异星,这段时间将是毫秒数量级。由于瞬间的结构突变,新生的奇异星必然有大的径向振动,其振动能将高达1047尔格量级。奇异星表面的强烈振动将引发磁场的变化,进而产生电场,该电场将加速带电粒子,由于磁场很强,较大振幅的振动会导致带电粒子瞬间被加速到极端相对论能量。Smith和Epstein证明带电粒子从电场中获得能量和磁场曲率辐射中损失的能量将达到平衡,在此以后曲率辐射光子将引起同步辐射和正负电子对的级联,正负电子对的级联最终会以γ射线爆的形式表现出来。因此可以通过短暂而强烈的γ射线爆的观测来推测中子星向奇异星的转变。

中子星向奇异星的转变还可由另一种方式--中子星的吸积进行。由于一半左右的中子星都有伴星,这些有伴星的中子星可由吸积伴星质量来增加自身质量,(此外,中子星还可吸积环绕它的残余盘或周围星际介质[6])。由于吸积过程要产生吸积热加热中子星,故这类中子星又被称为热中子星。当热中子星吸积使自身质量达到1.4Μ时,其中心密度会达到中子物质的退禁闭密度,此时,内核中心会同样经由π介子凝聚和k介子凝聚产生奇异物质。然后同冷中子星向奇异星转变一样,热中子星也将转变为奇异星。不同的是热中子星转变过程会引起很大的脉冲周期突变其大小取决于内核物质的物态,其转变时标取决于奇异物质的物态。我分析认为冷中子星之所以没有这点突变(或许也有但没有这么明显),原因在于冷中子星的脉冲周期没有经过吸积过程的影响早已均匀地变长了。

热中子星通过吸积转变成更稳定的奇异星,新生的奇异星由于在转变过程中内部结构突变,将被中微子和其它类高能粒子及辐射带走大量能量。这些变化有可能使新生奇异星停止吸积过程,然而如果这些变化不足以停止吸积过程,由于奇异物质可以近似看成理想相对论费米气体,奇异星的体积将随着吸积过程而加大,这一变化将减缓奇异星的自转却加速新生奇异星的吸积。当奇异星吸积到足够物质使自身内核的奇异物质简并压不足以抵抗自身的引力时,奇异星将进一步坍缩成为黑洞。

四、结论

通过研究分析中子星的内部结构演化,总结出中子星衰亡的两种方式：冷中子星通过内核的π介子凝聚和k介子凝聚产生奇异物质种子,在中子星内核达到中子退禁闭密度时,开始内核物质奇异化并向外膨胀瞬间完成中子星向奇异星的转变。热中子星通过吸积伴星质量来使自身质量增大到1.4Μ以上,内核密度会达到中子物质的退禁闭密度,从而开始经由π介子凝聚和k介子凝聚产生奇异物质,然后向奇异星转变,热中子星变成的奇异星若继续吸积,将会进一步增大自身体积,从而加快吸积,当吸积到足够物质使自身内核的奇异物质简并压不足以抵抗自身的引力时,奇异星将进一步坍缩成为黑洞。由此可以得出奇异星既是热中子星向黑洞演化的一个过渡,也是冷中子星的归宿。