中子星对自旋相关轴矢量新相互作用的约束

众多粒子物理超标准模型中都预言了自旋有关的新相互作用存在.极化的核子间通过交换自旋为1的轴矢量玻色子可以产生额外的吸引力进而改变无穷大核物质状态方程性质.本文在相对论平均场模型的框架下加入额外的轴矢量玻色子后计算发现,当相互作用强度与玻色子质量之比达到g_A~2/m_(Z′)~2～O(10 GeV~(-2))时,低密处无穷大核物质的稳定性和对应的相变行为将发生显著的改变;而当g_A~2/m_(Z′)~2 130 GeV~(-2)时核物质将在发生相变前率先到达零压点.对中子星而言这意味着其内核物质将在保持稳定的状态下形成表面而不会发生相变形成壳层结构,这与普遍存在于中子星天文观测中的星震现象矛盾,因此反过来对新相互作用的强度提出了额外的限制.通过与已有的地面实验结果对比,本文发现对于力程为微米到厘米间的新相互作用,中子星对其强度的约束最高可有8个量级的提升.     

中子星内部结构

中子星是宇宙中一类极端致密的天体,其平均密度超过饱和核物质密度。对这类天体的研究,可以帮助人们了解极端条件下的物理性质,特别是深化关于引力和强力的认识。文章介绍了脉冲星和中子星的概念,并重点阐述了中子星内部结构的不同模型,以及如何通过最大质量和潮汐形变量等观测来检验这些模型。未来发现更多的双中子星并合或中子星黑洞并合事件,有望最终揭开中子星内部结构之谜。     

中子星内部结构

中子星是大质量恒星死亡后形成的致密残骸^①。典型的中子星质量约为1.4 M_☉⁽¹⁾,但半径仅有10 km左右。在如此局促的空间里,中子星内部的核物质都被挤在一块,形成平均密度超过饱和核物质密度⁽²⁾的超核物质,内部一颗方糖大小的物质就和全人类的总质量相当。致密的环境同样造就了强大的引力场,中子星内部和邻域的时空是高度弯曲的,表面重力加速度是地球表面的10¹¹倍,逃逸速度可达约0.5倍的光速。围绕中子星高密度和强引力场的特点,我们可以提出两个问题：一是构成中子星内部超核物质的基本单元到底是什么？二是这些基本单元通过怎样的相互作用来让中子星抵抗极强的引力场而不塌缩为黑洞？     

中子星磁场的极限值

中子星由中子构成,根据天文观测,中子星有很强的磁场,磁感强度B的值可达108到109特斯拉甚至更高.近二十年来的研究表明,中子星的结构是很复杂的,其内部物理状态目前还不清楚.在这里,我们不拟讨论中子星的结构问题,而用一个简单的模型来估算一下中子星磁场的极限值. 根据中子星的密度(1017至1018千克/米3),假定中子星由中子密集排列而成,它的磁场来自中子的磁矩μ,μ都沿同一方向排列,如图一所示.因为这种模型产生的磁场最强,所以我们就用它来估算中子星磁场的极限值。 已知中子的半径约为 故中子的体积约为因此,在中子星里,单位体积(每立方…     

中子星的直接URCA过程

D-URCA过程是中子星发射中微子冷却中最快的机制. 中子星发生D-URCA过程需要较高的质子分数比, 该比值取决于核力的同位旋依赖性, 而核力的同位旋依赖性与重核(如²⁰⁸Pb)的中子皮厚度相关. 为此,基于相对论平均场理论, 采用PK1，NL3，S271，Z271有效相互作用, 在拉氏量中引入同位旋相关的高阶修正项, 本文研究了中子星的质子分数比以及D-URCA过程与²⁰⁸Pb的中子皮厚度之间的关系.     

密度相关的相对论平均场理论对核物质和中子星的描述

基于密度相关有效相互作用的相对论平均场理论,研究了核物质和中子星的性质.对核物质的饱和性质,密度相关的相互作用DD-ME1和TW-99给出了与NL1,NL3,NLSH,TM1基本一致的结果;NL2和TM2主要用于计算轻核,与它们的结果差别较大.对于中子星,在低密度区域,各种相互作用给出的介子势场差别不大;在高密度区域,相应的介子势场的差别随密度增加而增大.密度相关的相互作用DD-ME1和TW-99,与NL1,NL3和NLSH的结果相比,其物态方程明显偏软.相应的中子星的最大质量也不同,不同有效相互作用给出的最大质量为2.0—3.0M⊙,从大到小的顺序依次是NLSH?,NL3,NL1,DD-ME1,TW-99,TM1和GL-97,对应的半径为10—14km.     

中子星制动机制的研究

中子星的制动机制是中子星研究中的基本问题。磁偶极辐射模型给出中子星的制动指数为3,而所有观测到的中子星的制动指数都小于3,这表明中子星除磁偶极辐射之外还存在其他的转动能量损失方式。考虑中子星的转动动能损失来自:磁偶极辐射、由于单极感应引起的粒子流逃逸以及中子星和量子真空摩引起的能量损失。基于这3 种辐射机制,给出了改进后的中子星能量损失功率的计算公式和周期对时间一阶导数与周期的依赖关系。考察了6 颗中子星( J1119–6127, B1509–58, J1846–0258,B0531+21, B0540–69 和B0833–45 ) 的周期-周期一阶导数关系,制动指数、表面磁场强度以及磁倾角之间的关系。研究表明,星风效应中,真空间隙电势差为常数时磁倾角只能在有限范围内取值,而其他情况下磁倾角在0s 90°之间连续取值。The neutron stars’ braking mechanism is a fundamental problem in the study of neutron stars. The braking index exactly equal to 3 in pure magnetodipole radiation model, however, all the observed braking index of rotationpowered pulsars is less than 3. This indicates that the additional energy loss ways must exist besides the magnetodipole radiation. The magnetodipole radiation, the ejection of particle outflow and quantum vacuum friction are considered as the source of the loss of rotational kinetic energy of rotation-powered pulsars. Based on the three mechanism of loss of the energy, the relation between the period of pulsars and the first derivative of the period to time and the pulsars’ energy losing power are given. The relationship of the periods and the first derivative of the periods of six pulsars(J1119−6127,B1509−58, J1846−0258, B0531+21, B0540−69 and B0833−45) is studied. The relation between the surface magnetic field intensity and the magnetic inclination is discussed. Research shows that when the electric potential difference of vacuum gap is a constant the inclination angle is limited in a smaller range and in the other cases the inclination is the continuous value between 0∼90 degrees.     

中子星与奇异星

主要评述了奇异星物理的发展概况和研究前景，讨论了与此有关的奇异特问题，阐述了奇异星在存在性和动力学问题，并讨论了如何区分奇异星和中子星的观测效应。     

天文学家发现新型中子星

一个国际天文学研究小组利用澳大利亚的帕克斯射电望远镜（Parkes Radio Telescope）探测到从银河面内11个射电源发出的短暂射电脉冲。这些脉冲每次持续时间不超过10毫秒，每次间隔几分钟。对信号的周期测量表明，这些新射电源是自转的中子星，但与脉冲星（pulsar）和磁星（magnetar）并不是同一类型。     

前身中子星转动惯量的研究

The influences of σ^＊ and Ф mesons, temperature and coupling constants of nucleons on the moment of inertia of the proto neutron star （PNS） are examined in the framework of relativistic mean field theory for the baryon octet {n, p, A, ∑^-, ∑^,∑^＋,^-, ^0} system. It is found that, compared with that without considering σ^＊ and Ф mesons, the moment of inertia decreases. It is also found that the higher the temperature, the larger the incompressibility and symmetry energy coefficient, and the larger the moment of inertia of a PNS. The influence of temperature and coupling constants of the nucleons on the moment of inertia of a PNS is larger than that of the σ^＊ and Ф mesons.     

天文学家目击中子星相撞

近十来年,天文学重大突破之一是成功地协同观测中子星相撞时产生的引力波和电磁波信号。这一发现始于2017 年8 月17 日(故编号为GW170817)： 随着激光干涉引力波天文台(LIGO) 和室女座干涉仪(Virgo)合作组对引力波的发现、定位以及费米伽马射线空间望远镜(Fermi)的快速认证,超过70 多台地面和空间探测设备在X射线、可见光、红外、射电等波段捕获了该并合事件产生的辐射。     

中子星研究的过往今来

中子星概念的形成既是人们对物质基本结构认识的一个自然推论,同时也是理解恒星演化的一个必然环节。自1967年通过发现射电脉冲星证实了中子星的存在以来,基于半个多世纪的多波段、多信使观测,人们已经发现了数以千记的多种类型中子星,了解了单个中子星的电磁辐射机制、中子星双星系统的相互作用以及双中子星系统的引力波辐射等等,并在多个方面为中子星的内部物质组分及其状态这一核心科学问题做出了观测限制。     

中子星的相对论平均场研究

在相对论平均框架内计算了不同超子耦合参数下中子星内部物质的状态方程,进一步求解Oppenheimer-Volkoff方程得到了中子星的各种性质.结果表明,参数的变化对这些性质有明显的影响.     

质子中子星物质的热力学性质

在相对论σ-ω-ρ模型的平均场近似下, 研究了质子中子星物质在均熵状态下的组成、温度和物态方程. 如给定每一个重子的熵, 一些热力学量的值将随重子密度的增加而增加, 当考虑超子时, 这些值会减小. 给定重子密度, 中子在S=2时的组分比S=1时的小, 而质子、电子、μ子在S=2时的组分比S=1时的大, 特别是在低密度区域. S是每个重子的熵. 保持重子密度不变, 在低密度区域, 超子在S=2时的组分比S=1时的大, 在高密度区域则相反. 同样, 在同一重子密度处, S=2时的温度、能量密度及压强分别比S=1时的大. 另外, 有限熵对粒子组分和温度的影响比对质子中子星物质的物态方程的影响大. 还研究了反粒子的贡献, 他们确实很小.     

超子中子星性质的温度效应

从相对论平均场理论出发,考虑核子、超子和介子的相互作用,研究了温度对中子星组成粒子、状态方程和中子星质量等的影响.发现温度越高,超子在中子星内部出现时的重子数密度越低.当密度较高时,中子星的核心区主要由超子组成,即中子星转变成以奇异粒子为主要成分的超子星,并且这种转变受到温度的影响,温度越高,转变密度越低.由于超子的出现,中子星核心高密度区域的状态方程,对于不同温度,差别不大,所以有限温度中子星的最大质量都在1.8M_⊙附近.这与观测结果相符.     

双星并合揭示中子星结构

上世纪最伟大的科学成就之一是建立了粒子物理标准模型,认为自然界存在强力、弱力、电磁力和引力这四种基本相互作用。尽管引力未被成功地量子化,但它可被爱因斯坦广义相对论很好地描述(参见本刊2018 年第2 期第98 页);弱力和电磁力被电弱理论统一地刻画;强力的理论框架则是量子色动力(QCD)。研究发现,在能标较高时,QCD具有渐近自由属性,并已被高能实验定量检验;然而在较低能标下,如何理解QCD 丰富的非微扰特性却是如今面临的严峻挑战。值得一提的是,类似于原子核,超新星爆发残留的中子星也是典型的低能QCD系统,相关天体物理研究无疑将有助于人们更好地理解非微扰QCD行为。     

双中子星并合的中微子信号

2017年8月17日,LIGO/Virgo首次探测到了双中子星并合事件的引力波信号,随后多波段的跟进观测获得了GW170817事件的多波段“全息”图像并确认源头在40 Mpc外的NGC4993星系,但颇为遗憾的是(尽管与理论预期符合)当时全球运行中的中微子探测器都没有探测到与GW170817相关联的中微子。普遍认为,热中微子在双星引力潮汐撕裂绕行阶段就会产生,在并合事件后的十几毫秒内达到峰值;若并合中心产物为伽马射线暴或者稳定的磁星,还会在并合的即刻至数天内产生超高能中微子。因此,中微子信号不仅可以辅助研究并合后的产物环境,还可以在天文尺度上研究中微子的基本性质和寻找粒子物理标准模型之外的新物理。即使只探测到一个热中微子事件,也可以获得热中微子的能谱标度信息和诊断并合后十几毫秒内星体本身和周围环境的物理参数。另外,因为引力波以光速传播,通过热中微子信号相对引力波信号的时延,可限制中微子的绝对质量。若探测到延迟的高能中微子信号,除了可以清楚地证明双中子星并合的中心产物是磁星,还可以研究并合产物附近的磁场环境和宇宙射线加速机制。     

双中子星的星族合成研究

双中子星是天体物理中重要的研究对象,对于许多研究领域都有重要作用。2017年LIGO/Virgo发现第一个双中子星并合事件GW170817,开启了用引力波探测发现双中子星的序幕。文章主要介绍了双中子星的双星演化通道,以及双中子星星族合成的一些性质。此外,还介绍了双星演化中的一些不确定性以及形成GW170817双中子星的双星演化通道。     

中子星周围发现时空扭曲

宇宙中密度最大的可观测物体——中子星周围发现了爱因斯坦所预测的时空扭曲。密歇根大学和美国国家航空航天管理局（NASA）的天文学家说，这种扭曲表现为中子星周围含铁气体快速旋转所造成的模糊线路。这个发现还可用于测定中子星的体积限度。     

中子星——一个巨大的汤姆逊原子

 ①已知原子核组成的半岛大家都知道,一个原子核是由一些质子和一些中子组成的高密物质.如果用质子数Z做纵坐标,中子数N做横坐标,那么已知的原子核大体上都分布在对角线附近,如图1所示:就是说,一个原子核内,质子数大体上与中子数相等.比如,常见的氮原子核¹⁴N是由7个质子和7个中子组成,而钙原子核⁴⁰Ca是由20个质子和20个中子组成.但是,随着质量的增大,原子核内的质子多起来,库伦排斥力就增大,使得稳定的原子核渐渐偏离对角线而向着中子偏多而质子偏少的方向弯曲.比如铁原子核⁵⁶Fe由26个质子和30个中子组成,碘原子核¹²⁷I由53个质子和74个中子组成.事实上,所有观测到的原子核,天然的和人工的,稳定的和放射性的,长寿命的和短寿命的,都集中分布在这条略有弯曲的近似对角线附近,形成半岛状分布.但是,这个半岛只能延伸到Z～106的地方.实际上,Z>92的原子核（超铀元素）都是不稳定的.Z越大,原子核越不稳定,越容易自发裂变.Z>106时,原子核寿命将短到无法观测.更重的原子核是无法形成了.所以,半岛以外,乃是一片不能存在原子核的汪洋大海.