二、中子星

前面大家曾经说过,在超新星爆发时,星体壳层物质被抛射出去,而核心部分将成为致密星,若超新星爆发时核心部分的质量大于1.4倍太阳质量而小于3.2倍太阳质量,则将成为中子星。由于星体质量大,简并电子气所提供的张力不足以抗衡坍缩压力,星体被进一步压缩,电子就被压进了原子核,与质子结合成中子,即

                     .                   (20-16)

中子的数量增加到一定程度,系统成为简并中子气。中子是费米子,也要产生相应的简并压,即中子简并压。当中子密度超过1017 kg×m-3 时,中子简并压所产生的张力足以与坍缩引力相抗衡,稳定的中子星就形成了。

理论研究表明,中子星也存在一个质量上限,为3.2MS,称为奥本海默(J.R.Oppenheimer)-沃尔科夫(G.M.Volkoff)质量限。如果超过这个质量限,中子星就不能稳定存在,内部简并中子气所产生的张力不能抗衡坍缩压力,星体将进一步坍缩成为黑洞。

表20-1中给出了中子星的一些参量。由表中数据可以看出,中子星的

密度和压强都高得惊人。打个比喻,太阳的体积可以装下130万个地球,地球可以装下2.58´108 颗中子星,然而中子星的质量却与太阳的质量相近。中子星之所以具有如此高的密度和压强,这是由于中子星具有较大的质量,从而具有较强的坍缩引力的缘故。

表20-1      中子星的一些参量

物 理 量

量 级 估 计

目前最好的估计值

密度r / (kg×m-3)

1.2´1018

1017 ~ 7´1018

压强p / Pa

3.4´1035

1034 ~ 3´1036

质量M / MS

1.86

0.5 ~ 2.7

半径R / RS

9.2

7 ~ 20

由于同样的原因,中子星的温度也非常高,表面温度约为107 K,内部温度则高达6´109 K,可见中子星是比太阳还要热的超高温天体。既然温度高,中子星的电磁辐射也必定很强,是太阳的一百万倍。根据黑体辐射的维恩位移律

,                   (20-17)

其中常量b = 2.8977685´10-3  m ×K,可以求得与中子星电磁辐射能量最大相对应的波长为

.

处于硬X射线范围。中子星体积太小,不可能用光学方法观察到它们,人们是通过X射线探测才发现它们的。由于中子星是快速旋转的天体,所以人们接收到的它的辐射是一种脉冲信号,周期短且稳定,一般在1.6 ms ~ 4.3 s。所以中子星也称脉冲星。   

根据理论模型的计算,中子星的最外面可能有很薄的致密大气,大气之下是1 km厚的具有晶体点阵结构的固体外壳。星体内部是简并中子流和少量的质子、电子,中子处于超流状态,原子则是超导的。中子星的表面磁场很强,达1.0´108 ~ 2.0´109 T,是地球磁场的1016 倍,真是不可思议。

       
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