PDF《脉冲星是中子星还是奇异星 ①》

Science and Technology Review 5/

2001 6 基础科学 脉冲星是中子星还是奇异星 ① Pulsars: Neutron Stars or Strange Stars? 徐仁新 ( 北京大学天文学系 , 博士 、副教授 北京 100871) ① 国家自然科学基金( 19803001) 、 国家教育部博士点基金资助项目 .

② 当电子的费米能与质子的静能之和超过中子的静能时 , 电子有可 能与质子反应生成中子 . ③ 只有对于质量大体积小的天体 , 其引力束缚才比自转离心力更占优势 .

1900 年,开尔文在一篇著名演讲中提出 , 物理 学 晴空万里 , 但只是有 两朵乌云 .其中一朵是 能量均分定理运用于黑体辐射时失效 , 另一朵是 以太漂移测量的零结果 . 对它们的研究 , 分别导 致了本世纪两个最伟大的基本理论 ( 量子论和相对 论) 的出现 . 量子论和相对论对人类

20 世纪的影响是巨大 的 .没有量子论就没有现代的半导体微电子技术 , 也就不会有现代的信息社会 ;

没有相对论 , 就不可 能形成一个正确的宇宙观 . 进一步地 , 当我们用量 子论和相对论来考察恒星晚期的状态时就会发现 , 恒星演化的最终残骸具有异常高的密度 .这些天体 称为致密星体 . 一般认为 ,它们共有 3类:白矮星 、 中 子星( 或奇异星) 和黑洞 .这里我们讨论主要表现为 脉冲星的中子星( 或奇异星) . 一 、脉冲星研究的历史 [ 1] 在20世纪二三十年代 , Landau 一直对物质处于 高温高密状态下的物理过程感兴趣 .随着物质密度 的增加 , 电子的费米能逐渐升高 .与加速器中产生 的电子一样 , 存在于极高密度物质中的这些高能电 子亦可望有助于我们认识某些新的物理过程 .因此,一旦 Chadwick 发现了中子 , Landau 就推测一种 主要由中子构成的星体 ( 后称为 中子星 )的可能 性②.1934 年,Baade 和Zwicky 进一步明确地指出 ,中 子星有可能在超新星爆发过程中产生 . 然而 ,

1939 年Oppenheimer 和Volkoff 的计算表明 , 中子星的质 量上限大约

1 倍于太阳质量 , 而半径却只有 10公里 左右 .我们知道 , 星体的光度是与它的表面积成正 比的 . 如果假设中子星的热辐射主要在光学波段 , 由于它的半径太小 , 当时世界上最大的光学望远镜 也很难发现 . 至此 ,有关中子星的研究开始 降温 . 1967年,Bell 和Hewish 在射电波段研究星际闪 烁时意外地发现了一种非常规则的周期性信号 ,其 周期大约只有1秒.这个信号是从哪儿来的 ? 由于周 期很短 , 这种信号只可能来源于一种非常致密星体 的自转 ③ . 因其能发射周期性的脉冲信号 ,称为 脉冲 星 [ 2] . 观测上可以测量射电脉冲星( 以区别于下面的 X 射线脉冲星 ) 因磁偶极辐射导致的自转减慢效 应 ,并据此发现射电脉冲星的偶极磁场在10

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1013 高 斯之间 . 这种星体有可能就是理论家们预言的中子 星 .事实上 , 在脉冲星发现的前几个月 , Pacini 就曾 指出 , 快速转动的磁化中子星可能正在为一些超新 星遗迹的辐射提供能源 . 而在脉冲星发现后不久 , Gold 就明确地提出了脉冲星是旋转磁化中子星的 概念 .随后的相关研究大量出现 , 主要集中于对脉 冲星的观测分析和对中子星的理论探索两方面 .前 者企图回答 脉冲星是如何辐射的 ;

后者试图弄清 中子星的结构组成 .Hewish 因发现脉冲星而荣获了 1974年度诺贝尔物理学奖 . 除了射电测量之外 , X 射线等高能电磁波段观 测的以下新发现在很大程度上丰富了我们对脉冲 星的认识 . ( 1)1971年开始在 X 射线波段发现了一类周期 性信号源 ,称为 X 射线脉冲星 . 它们是双星系统中 的一员 .根据两子星的多普勒效应和它们间的掩食 可以求得各子星的质量 , 所得到的 X 射线脉冲星的 质量都为