1、脉冲星Glitch现象的物理本质3P2中子超流体(A相B相)相震荡模型,涡丝核心(正常中子流体),中子超流体,彭秋和(南京大学天文系),I 引言,正常 射电脉冲星周期:十几毫秒到几秒。 集中在：0.1 s-1 sCrab 脉冲星(PSR B0531): P = 0.0334sVela 脉冲星(PSR B0833): P = 0.0893s自转逐渐变慢(主要)原因: 脉冲星辐射消耗转动能;或吸积的旋转物质同磁层相互作用,使脉冲星旋转变慢。周期增长率典型值：dP/dt 10-15ss-1,毫秒脉冲星(Millisecond)(在密近双星系统中或位于球状星团内物质密集区内) P 几毫秒它们不是年轻脉
2、冲星,而是一种再生(或再加速, Recycle)脉冲星 :通过吸积它周围旋转物质而使脉冲星本身转动加快 螺旋桨机制周期变率典型值：dP/dt 10-20 ss-1毫秒脉冲星的典型性质:弱磁场(1010 Gauss)未探测到Glitch现象空间运动速度不高(V100km/s),脉冲星自转减慢（现有理论）,磁偶极模型(标准模型, 1968)超流涡旋的中微子辐射 (Peng et al., 1982)盘吸积模型脉冲星表面电流效应诞生初期的引力波辐射磁层表面欧姆加热,脉冲星辐射的磁偶极模型(标准模型,1969 ),辐射功率自转能减慢 磁场特征年龄,中子超流涡旋的两种辐射 27年前我们的研究,中微子回旋
3、辐射For Spin down (Peng, Huang Huang, Lingenfelter, Peng and Huang, 1982),脉冲星(自转减慢)混杂(Hybrid)模型,脉冲星转动动能损失率 周期增长率超流涡旋的演化(假设),比较,磁偶极辐射模型,混杂模型, 3 n 1.25s 脉冲星 (87个) ),对 P 1s.25 脉冲星 自转减慢只能由中国小组的NSV(中子超流涡旋)模型描述; 对 0s.1 P 1s.25 脉冲星自转减慢可由磁偶极辐射和NSV辐射联合模型来描述。,Peng, Huang Huang, Lingenfelter, Peng and Huang, 198
4、2,中子星(脉冲星)的主要疑难问题,1)高速中子星的物理原因?(2003)2)中子星强磁场(1011-13 gauss)的起源?(2006)3) 磁星(1014-15 gauss)及其活动性的物理本质?(2009)4)年轻脉冲星周期突变(Glitch)现象的物理本质?(2010)5)缺脉冲(Null-pulse)和Some times pulsars现象6)低质量X-双星(LMXB)内的中子星磁场很低; 高质量X-双星(HMXB)内的中子星磁场很强。为什么?7)毫秒脉冲星重要特性: 低磁场, 无Glitch, 空间速度不高, 物理原因?8) 脉冲星射电 (X-ray, -ray)辐射机制? 辐
5、射产生区域?9)是否存在(裸)奇异(夸克)星?我们的目标: 统一解释的脉冲星的主要观测现象,II年轻脉冲星Glitch的观测现象,年轻脉冲星的Glitch现象: (非常规则缓慢增长的)脉冲周期 (P) 突然变短现象,脉冲周期平稳地增长背景上偶然地脉冲周期会突然变短(周期变化幅度为10-6-10-10) ，随后较之前更迅速地变慢，持续直到恢复过去的周期增长率。这种现象称为Glitch现象。 迄今已发现约72个脉冲星出现Glitch现象(共约189次),至少有8个脉冲星的Glitch幅度超过1.010-6。PRS Vela : 36年出现11次 Glitch ,其中9次Glitch的幅度超过1.0
6、10-6; PSR Crab: 36年出现19次Glitch,幅度超过1.010-6的仅1次;PSR 1737-30 呈现9次Glitch,它的最大幅度仅达到0.710-6。 此外，还发现更多脉冲星呈现微Glitch现象(周期变短幅度低于10-12),glitch,P,t,After Glitch (Lyne et.al., 2000),图上Glitch脉冲星的分布,图中菱形的高度表征脉冲星Glitch的菱形的宽度表征脉冲星Glitch出现的次数(频数),在B c 图上Glitch脉冲星的分布,B:磁场强度,脉冲星的特征年龄,脉冲星Glitch幅度同脉冲周期的关系(观测) ( Lyne,199
7、5),Glitch幅度同相继Glitch的时间间隔间的关系,Slop 400 days ppm-1 ; Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531; ppm= 10-6,PSR J0537-6910 (LMC),Glitch幅度同其后平稳时间间隔间的关系,Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531; ppm= 10-6,缓慢Glitch现象,王娜等人(2005):发现有一颗脉冲星出现Glitch现象，但周期 “突变”时标明显长于几天。,III有关背景,能级图,E=0,E=EF,正常Fermi粒能级占据图,超流超导Fermi
8、粒子能级占据图,E=EF,kT,当 T T =/k 时,系统处于超导(或超流)状态T: 相变温度,BCS理论,中子星内部的中子超流体（BEC超流）,在密度很高时，当核力起作用时，在核力短稳强相互作用下，中子间产生很强的吸引力，这种吸引的能量量级 1MeV。1959年Gintzberg就预言中子星内中子流体处于超流状态,未讨论观测效应。1969年Baym等为了解释Vala和Crab自转突然增快现象（Glitch）提出中子星内部超流涡旋状态，才正式引起人们重视。,两种性质不同的中子超流体,自由的两个中子不可能结合成稳定的束缚态（两个核子系统只有氘核 (n-p)才存在很浅的束缚态）。但在集体效应下(
9、在动量空间中)可能组成稳定的Cooper对。自旋为1/2的两个中子组成的Cooper对有两种可能性: 1) 1S0 Cooper对(总自旋为0,无磁矩),非常稳定。 1011 0。 大部分区域 (1S0) 2MeV, 1S0中子超流体为各向同性, 类似于液态4He HeII 2) 3P2 Cooper对(总自旋为1, 磁矩为中子反常磁矩的两倍)。 (3P2 ) 0.05MeV (. Elgary et al. , PRL,77(1996)1428) (3.31014 (g/cm3) 5.21014) (nuc=2.81014 g/cm3) 3P2为各向异性,类似于液态3He。,中子星内部结构:
10、 中子超流涡旋运动,核心(1km),3P2(各向异牲) 中子超流涡旋区,1S0 (各向同性) 中子超流涡旋区,(5-8)% 质子 ( II 型超导体?) (正常)电子Fermi气体,= (g/cm3),1014,1011,107,内壳超富中子核、晶体、自由电子,外壳(重金属晶体),夸克物质 ?,51014,104,中子星内的中子超流涡旋运动,Vortex flow,涡丝核心(正常中子流体),Vortex flow (Eddy current, Whirling fluid),n: 涡旋量子数,涡旋管核心(正常中子状态,超流体,量子化环量( 涡旋强度):,Glitch现有的理论模型?,1.(壳层
11、)星震模型(Baym, 1969): 这个模型下，Vela PSR相继两次Glitch出现的时间间隔约为103年，这同观测事实(26年11次)相差太远。因而此模型失败。2. 中子星核心震动模型 (Pines et al., 1972):在这模型下几年可能出现一次Glitch,每次核心震动会释放 1045erg 的能量。它将立即加热中子星并很快地使它变成为一个强X射线源。但是在Glitch现象期间或之后，从未发生这种现象，因而这个模型己被排除。3. 壳层-超流体耦合作用下的超流涡丝爬行模型(Anderson and Ruderman,1984):这个模型的困难在于它无法解释Vela PSR 的巨
12、Glitch现象,4. 中子超流涡丝同质子超导磁通管的扭缠效应(Ruderman, Zhu and Chen(1998),B.Link的计算发现 (2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101), 这种较强的缠绕相互作用将引起中子星的自转轴绕着磁轴快速地进动，进动速率达到 p 10 rad s-1. (进动周期Pp = 2/ p 1s)B. Link从PSR B1818-11 定时观测资料的分析发现它的自转轴进动周期约为1年，幅度3 (Link Rezania,2003,A&A, 399,653).B.Link的结论:上述中子超流涡丝-质子超导磁通管缠绕相互作用引起的进动不
13、可能是长时标(1年)的。由此推断:中子超流涡旋区域同II型质子超导态(超导磁通管)区域是不会共存的。这类型模型是不成立的。,年轻脉冲星Glitch物理原因我们的模型:,模型I : “各向异性中子超流体正常中子流体相震荡模型” (Chin. J. Astron. Astrophys. Vol. 6(2006) No.3, 297-304 ) 可能对某些脉冲星巨 Glitch有效。模型II: “ 3P2中子超流体的A相B相的相震荡模型 ” 导致 Glitch现象,3P2中子超流体的A相与B相,1) 3P2中子超流体的A相:当环境磁场非常弱时，平均来说，每个3P2 中子Cooper对的自旋投影的分布
14、是 “等概率分布”,称为 ESP (Equal Spin pair)。在Fermi海深处的中子自旋投影的分布也是 “等概率分布”。它们不呈现有整体磁矩。基本上各向同性, 我们把它称为3P2 中子超流体的A相（类似于零温附近液态3He的A相)。2) 3P2 中子超流体的B相在较强磁场下,3P2 中子超流体偏离“等概率分布” 状态，即它的3P2 中子Cooper对以及位于Fermi海深处的简并中子的自旋投影的分布都不是 “等概率分布”, 这时3P2 中子超流体整体将呈现诱导磁矩,性质是各向异性的。其统计性质是同每个Cooper 对的磁矩能量以及同温度相关的。我们称这种各向异性的状态为3P2 中子超
15、流体的B相(类似于零温附近液态3He的B相)。,3P2中子超流涡旋的磁偶极辐射,在较强的外磁场下，中子星内3P2 中子超流体处于各向异性（B相)状态，在一定温度下磁矩方向沿着外磁场方向排列的3P2 中子Cooper对数量多于逆磁场方向排列的3P2 中子Cooper对。这就导致了3P2 中子Cooper对整体的Pauli顺磁磁矩(当温度降低时，这种Pauli顺磁磁矩增强)。这些处于超流涡旋运动状态的中子绕着超流涡丝轴线高速旋转。离涡丝轴线愈近的中子其旋转角速度愈大(距离平方成反比, 最高角速度可达1017/sec以上)。具有磁矩的中子就会发出磁偶极辐射。 .,3P2中子超流体内中子的平均(有效)
16、磁矩,3P2MDRA加热机制,1) 在超新星爆发核心形成中子星过程中，必定有一部分角动量蕴藏在其内部处于高度湍动状态的(经典流体)涡旋运动之中。一旦中子星内部温度下降到超流态的临界(相变)温度之下，中子流体相变为超流体，经典的(高度湍动)涡旋运动转变为量子涡旋运动，其涡丝的量子数(n)可能远远高于1。初始时，n 可能高达104-105以上。年轻的中子星内的超流涡旋量子数现在也可能超过102-103。2)处于超流涡旋运动状态的中子在进行磁偶极辐射的同时是通过一 种Ekman泵循环机制来进行的。它将导致中子星壳层内的(正常中 子)向内迁移，我们假定:这种3P2中子超流涡旋的磁偶极辐射的能量最终从中
17、子星壳层内中子向内迁移过程中释放的引力势能。 这种3P2中子超流涡旋的磁偶极辐射产生的(X-射线)的光子将很快地被物质吸收。这就导致中子星加热。,各向异性3P2超流体中的加热率,3P2 中子超流涡旋的磁偶极辐射产生(x-射线)辐射。被中子星物质吸收而使中子星加热。对年轻脉冲星，磁偶极辐射很强，使中子星内加热率超过了冷却率，反而使温度上升。,冷却率,2)计入超流体的抑制后的修正Urca过程,IV.年轻脉冲星Glitch的物理原因,模型II: “ 3P2中子超流体的A相B相的相震荡模型 ” 导致 Glitch现象,(主体思想),3P2中子超流体的AB的相震荡 导致 Glitch现象,我们的3P2中
18、子Cooper对磁矩的磁偶极辐射(3P2 MDRA)产生的热量将使偏离ESP状态的3P2中子Cooper对的磁矩投影指向恢复到完全混乱的ESP状态(A相，即 “等概率状态”)。 一旦3P2中子超流体恢复ESP状态，原来偏离ESP状态(B相)的诱导磁矩也就随之消失。我们的3P2 MDRA也就不出现。这时, 只有通常的冷却机制起作用。 在这个加热过程的同时, 3P2 MDRA也提供能量使得一部分() 3P2中子Cooper对解体。每一个被解体的3P2Cooper对释放出两个正常中子。这些正常中子具有一定数量时，它们同正常质子的强烈耦合作用将使自转较慢的中子星壳层被核心超流体的快速旋转而带动，这就产
19、生了Glitch现象。 一旦 3P2 中子超流体的B相 A相, 加热机制消失，冷却机制的作用将使得3P2 中子超流体很快地再度偏离ESP状态， A相 B相。 3P2 中子超流体再度出现诱导磁矩，产生相应的的诱导磁场。,主要思路,1) 3P2中子超流体温度明显低于相变温度2) 当3P2中子超流体处于B相状态时，(除了超流涡丝核心区域外)没有正常中子成分。因此，PBF冷却机制不出现。在从3P2中子超流体的B相向A相转变的过程中，只有修正的Urca中微子发射的冷却机制和3P2 中子超流涡旋的磁偶极辐射的加热机制过程的竞争。 我们的3P2中子Cooper对磁矩的磁偶极辐射(3P2 MDRA)的产热率超
20、过修正的Urca过程的冷却率，由于这种净剩的热量供给，使得那些偏离ESP状态的3P2中子Cooper对的磁矩逐渐地恢复到完全混乱的ESP状(即 “等概率状态”的A 相)。这段时间即加热时标 3) 在这段加热时标内，同时也会有一部分3P2中子Cooper对因加热 而解体(设其数量占百分比为),转 变为正常中子。即当3P2中子超流体恢复A相的同时, 数量为N(3P2)的3P2中子Cooper对被拆散 为正常中子(总共数量为2N(3P2)。它占总的中子数目的比例为q ( 所有3P2中子Cooper对内的中子数目占中子总数的比例为q ),Glitch(中子星壳层旋转突然加快),4)根据B.Link的论
21、证：中子超流涡旋区域同II型质子超导态(超导磁通管)区域是不会共存的(2003,Phys.ReV.Lett.91(10):101101), 因此我们可以认为在中子超流涡旋区域内，质子系统处于正常的Fermi 流体状态。而质子系统（通过Coulomb 相互作用)同中子星内部和壳层的电子系统紧密地结合,它们同中子星外壳共同以(脉冲星)观测到的角速度(=2/P)统一地绕中子星旋转轴旋转，基本上同中子星内部中子超流涡旋区域脱耦,它们仅仅通过质子同中子超流涡丝轴线核心区域数量极少的正常中子之间的作用的或电子磁矩同它们的磁矩之间极为微弱相互作用来联系。 但是， 数量(指所占比例)为q 的(刚被拆散的)正常
22、中子则将会通过核力即正常的质子强烈地耦合,正是由于这种强烈耦合, 使得内部快速旋转的整个中子流体系统将通过较强的耦合作用带动外部慢速旋转的壳层，使它突然加快旋转,即导致了中子星整体磁球(包括壳层)的转动突然加快，呈现出Glitch现象。,Glitch的间隔时标,5)一旦3P2中子超流体恢复ESP状态，原来偏离ESP状态(B相)的诱导磁矩也就随之消失(由B相转变为A相,加热时标为theat)。此后,我们的3P2 中子超流涡旋体的磁偶极辐射 (3P2 MDRA) 也就不会出现。加热机制消失，仅仅只有冷却机制起作用。这种冷却机制将使前述被拆散的一部分( ) 3P2中子Cooper对的正常中子再次恢复
23、为Cooper对。同时，随着温度的下降, 在各向异性中子超流体内的3P2中子 Cooper对的磁矩在中子星内部强磁场环境下有着自发地转向外磁场方向排列的趋势, 即部分3P2中子Cooper对的磁矩(自旋)又迅速偏离ESP状态。它们再次迅速地趋向于统计平衡的B相 (即3P2 中子超流体从ESP状态的A相完全转变为偏离ESP的状态的B相)。相继两次Glitch的时间间隔 加热时标 + 冷却时标,Glitch的触发时标,由测不准关系式(核密度下),设中子星内处于正常质子状态成分占Yp ( 0.7s 的脉冲星没有探测到Glitch (Lyne (2000) )。由于伴随着因此，相继两次Glitch的幅
24、度与时间间隔并不存在严格的规律或遵循周期或准周期关系(由于随机因素) 。多次glitch之后，相继两次Glitch的时间间隔会逐渐变长、Glitch的幅度出现下降的趋势。,V具体的定量估计,加热时标,通过加热使3P2 中子超流体从B相完全转变为A相所需的时间就是加热时标。即:使原有那些偏离ESP状态的3P2 中子Cooper对恢复到ESP状态(3P2中子超流体的诱导磁矩消失)所需时标。所需热量为,加热时标为,加热条件:,它是正常中子数量增长的特征时标, 就是Glitch突变的持续时标 。即: Glitch突变的持续时标 加热时标,值的估算,在这个加热时标内，同时被解体的3P2-中子Cooper
25、 对的中子数量的比例为q ,因此值可以估算如下:, :由于加热而解体(转变为正常中子)的3P2中子Cooper对占总3P2中子Cooper对的百分比。,Glitch持续时标,对年轻脉冲星, 如果它们的超流涡旋量子数仍然非常高,如此非常短的持续时间，在非长年地连续监测的脉冲星观测中是难以发现与记录的。,t 持续 随着量,的增加而逐渐增长。,中子星在演化进程中，超流涡旋的平均量子数,n ,逐渐降低,将较快地降低,t 持续也随着(超流涡旋整体的旋转减慢(周期增长)而逐渐增长。,加热机制的效率,缓慢Glitch现象,(Na Wang et al. 2005 观测上发现),对于那些年龄较老的脉冲星,物理
26、图象:老年中子星内部的加热机制效率大大降低。使得在较长的时标内才能有一定数量的中子(它们能够曳动质子-电子等离子壳层、其数量比例为q )从3P2-中子Cooper对解体形成正常中子状态。这就会出现了缓慢Glitch现象,冷却时标,Glitch的冷却时标 就是前述被拆散的一部分() 3P2中子Cooper对的正常中子由于MUrca的中微子发射过程再度恢复为Cooper对的冷却时标。可以估算如下,相继两次Glitch的时间间隔,相继两次Glitch 的时间间隔 加热时标 + 冷却时标,对年轻脉冲星, 如果它们的超流涡旋量子数仍然非常高,它们的加热时标非常短(10-2-102 sec)。而它的冷却时
27、标远远长于加热时标,t间隔 的长短随着温度的下降,依照 T-9 而迅速增长。它也随磁场强弱按照 B2 而增长。,或,Glitch的幅度同t间隔的关联,Glitch的幅度同t 间隔的关联是通过参量相关的,对于年龄较老的脉冲星, 随着,的下降及(Core)2,的减少，Glitch 的幅度迅速下降,Glitch前后脉冲星旋转频率跃变的幅度:,(最后一个因子大致显示了这种引起Glitch 跃变的效率),Glitch的幅度同t间隔关联的观测,或,LMC的脉冲星PSR J0537-6910 连续9年的监测, 观测到23次Glitch), 观测己给出它的 Glitch的幅度同t间隔的关联(Middleditch et.al., 2006, ApJ. 652:1531),Glitch的幅度同t间隔关联的理论预言,我们可以通过对 LMC 的脉冲星 PSR J0537-6910的 研究结果应用于其它的脉冲星Glitch, 来从它的某个Glitch的幅度来预测它下一次Glitch 发生的时间,建议:接下来的这项研究可以由乌鲁木齐天文台监测脉冲星Glitch的年轻学者来进行。,谢谢大家!,
