磁星的物理本質與活動性第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日磁星-奇特的天文現(xiàn)象觀測證據(jù):脈沖星磁場測定

自轉周期很長:

周期增長率很高:在10keV處觀測到x-ray發(fā)射譜線,被認為是在電子(或質子)在超強磁場下的Landau能級躍遷譜線探測到能量為1044ergs的x-ray巨型耀斑衰減的尾巴。磁星是一類中子星,它(衰變)的超強磁場作為它強大x-ray或γ-ray輻射以及粒子發(fā)射的源泉。兩類磁星:1)反常x-脈沖星(AnormalousX-rayPulsars---AXPs)2)軟γ重復暴(SoftGammaRepeaters---SGRs)第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日我們研究探討的問題欲探討的問題:磁星(1014-1015gauss)的物理本質?磁星的活動性:

難以利用脈沖星自轉能的損失率來解釋。而且磁星的表面溫度107K,遠遠超過通常中子星的表面溫度(105-106K)第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日磁星超強磁場的物理本質?己經(jīng)提出的模型:Ferrario&Wickrammasinghe(2005)suggestthattheextra-strongmagneticfield

ofthemagnetarsisdescendedfromtheirstellarprogenitorwithhighmagneticfieldcore.Duncan&Thompson(1992,1993):α-Ωdynamowithinitialspinperiodlessthan3msIwazaki(2005)proposedthehugemagneticfieldofthemagnetarsissomecolorferromagnetismofquarkmatter.Vink&Kuiper(2006)suggestthatthemagnetarsoriginatefromrapidratatingproto-neutronstars.我們探討3P2中子超流體的誘導磁矩產(chǎn)生的誘導磁場。我們計算發(fā)現(xiàn):磁星超強磁場來自在原有本底(包括電子Pauli順磁磁化)磁場下，各向異性中子超流體3P2中子Cooper對的Pauli磁化現(xiàn)象(磁疇)

。中子反常磁矩:第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日中子星內(nèi)部結構:中子超流渦旋運動核心(1km)3P2(各向異牲)中子超流渦旋區(qū)1S0

(各向同性)中子超流渦旋區(qū)

(5-8)%質子(II型超導體?)(正常)電子Fermi氣體=(g/cm3)10141011107內(nèi)殼超富中子核、晶體、自由電子外殼(重金屬晶體)夸克物質???51014104第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日1S0

與3PF2

中子超流體

1S0中子超流渦旋1S0中子Cooper對:自旋=0,各向同性△(1S0)≥0,1011<ρ(g/cm3)<1.4×1014

△(1S0)≥2MeV7×1012<ρ(g/cm3)<5×10133P2中子超流渦旋(3P2中子Cooper對:自旋=1,各向異性,(反常)磁矩~10-23c.g.s.)△

n(3P2){△

n(3P2)}max～0.05MeV

(3.31014<(g/cm3)<5.21014)第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日3P2中子Cooper對的磁矩的分布3P2中子Cooper對系統(tǒng):Bose子系統(tǒng)，在低溫下都凝聚在基態(tài)(E=0)狀態(tài)。每個3P2中子Cooper對具有磁矩:

μB=2μn=1.9×10-23ergs/gauss。在外磁場作用下，磁針(磁矩)有著順磁場方向的趨勢,具有較低的能量值。即它比Z=0,1狀態(tài)有更低的能量。

第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日順磁方向與逆磁方向排列的

3P2Cooper對數(shù)目差在(T,B)環(huán)境下,自身磁矩順磁場與逆磁場方向排列的3P2中子Cooper對數(shù)目之差為f(x)為布里淵函數(shù)第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日處于3P2

中子Copper對的中子數(shù)所占的百分比(動量空間中)Fermi球內(nèi)、在Fermi表面附近厚度為殼層內(nèi)的中子才會結合成3P2Cooper對。它占中子總數(shù)的百分比為:EF(n)~60MeV,(3P2(n))~0.05MeV,q~8.7%

處于3P2Copper對狀態(tài)的中子總數(shù)目為:第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日3P2中子Cooper對的誘導磁矩磁針順磁場與逆磁場方向排列的3P2中子Cooper對數(shù)目之差為它們引起的誘導磁矩為當:(高溫近似)第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3PF2中子超流體的總的誘導磁場

:中子星的磁矩同(極區(qū))磁場強度的關系:第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日高溫、非超強磁場近似當中子星內(nèi)部溫度仍然較高時，T7>>2η,這種由各向異性(3P2)超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導磁場遠低于中子星的本底磁場(主要由相對論性簡并電子氣體的Pauli順磁性產(chǎn)生的強磁場。但是，隨著中子星內(nèi)部冷卻，溫度下降，由各向異性(3P2)超流體內(nèi)產(chǎn)生的誘導磁場將逐漸增加。當溫度下降到遠低于這種誘導磁場將會超過原初本底磁場。形成磁疇(鐵磁體)(B<1013gauss,T>107K)第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日

從順磁磁化(paramagnetism)到

磁疇(鐵磁性ferromagnetism)相變A)高溫、低磁場情形

(B<1013gauss,T>107K)令從順磁磁化體向鐵磁體(磁疇)的相變,相變溫度可由令第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日中子星磁場的上限物理圖象:當溫度T0

的極限情形下,3P2中子超流體所有3P2Cooper對的磁矩全部都順著外磁場方向排列，這時3P2中子超流體的總誘導磁矩的上限為由它產(chǎn)生的誘導磁場的上限為B(in)max因為第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日Bin-T

曲線(取η=1)(未考慮相互作用)第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日物理圖象絕大多數(shù)3P2中子Cooper對的磁矩投影指向都是混亂的,順著磁場方向排列的3P2中子Cooper對的數(shù)量略微多于逆磁場方向排列的3P2中子Cooper對的數(shù)量(數(shù)量差為ΔN1)。正是這微弱的相差，造成了3P2

中子超流體的各向異性與誘導磁矩。即磁星的超強磁場是由3P2

中子超流體中，偏離ESP狀態(tài)的(數(shù)量約占千分之一)

3P2中子Cooper對的誘導磁矩造成的(3P2中子Cooper對的中子總數(shù)只占3P2

中子超流體內(nèi)中子總數(shù)的8.7%)。第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日中子星磁場的變化當中子星內(nèi)部冷卻到3P2超流體的相變溫度Tλ=2.8×108K以后,發(fā)生相變:正常Fermi狀態(tài)

3P2中子超流狀態(tài)。這時中子星磁場會發(fā)生變化,這是由于中子3P2Copper對的磁矩在外磁場作用下會逐漸轉向順著外磁場方向排列。在溫度較高的條件下，絕大多數(shù)中子3P2Copper對的磁矩方向排列是混亂的。只有極少數(shù)中子3P2Copper對的磁矩順著外磁場方向排列。但是，隨著在中子星冷卻的過程，它內(nèi)部的溫度下降，順著外磁場方向排列的中子3P2Copper對數(shù)量迅速(指數(shù))增長。當溫度下降到T7<2η以后,3P2中子超流體的這種誘導磁矩產(chǎn)生的誘導磁場超過它原有的初始本底磁場。隨著中子星的進一步冷卻,兩個因素使得中子星磁場增長1)(百分比)愈來愈多的中子3P2Copper對的磁矩方向(在原有的初始本底磁場作用下)轉向順磁排列。增強了磁矩，因而增強了誘導磁場。2)3P2中子超流區(qū)擴大，3P2中子超流體的總質量不斷增長(見圖);第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日3P2中子能隙圖(Elgag?yetal.1996,PRL,77,1428-1431)第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日脈沖星磁場的增長隨著在原有3P2中子超流體區(qū)域(3.31014<(g/cm3)<5.21014)外側鄰近部分區(qū)域物質溫度下降到相應的相變溫度時，該區(qū)域物質

正常Fermi狀態(tài)

3P2中子超流狀態(tài),因而3P2中子超流體區(qū)域擴大，中子星內(nèi)3P2中子Cooper對的總磁矩會不斷地緩慢(幾乎連續(xù))增長。它產(chǎn)生的誘導磁場也逐漸增長。結論:它將朝著磁星方向演化。第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日磁星的活動性第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日UndertheultrastrongmagneticfieldTheLandauenergylevelisquantizedwhenBBcr

(Bcr=4.4141013gauss)n:quantumnumberoftheLandauenergylevel

n=0,1,2,3……Landaucolumnppz第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日Theoverwhelmingmajorityofneutronscongregatesinthelowestlevelsn=0orn=1,WhenTheLandaucolumnisaverylongcylinderalongthemagneticfiled,butitisverynarrow.Theradiusofitscrosssectionisp.ppz第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日高Landau能級粒子布居數(shù)第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日結論:當T71,BBcr

條件下即:當溫度低于107K,磁場超過Landau臨界磁場的狀態(tài)下，在沿垂直磁場方向上，電子幾乎都集中在n=0,1,2,3的Landau基態(tài)上。我們可以忽略n>100….(pzpF)第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日總的能級占有狀態(tài)數(shù)近似估計第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日Landauquantization

n=0n=1n=4n=3n=2n=5n=6pzp第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日在低溫、超強磁場下

(單位體積內(nèi))電子氣體的微觀狀態(tài)數(shù)估算(與量子數(shù)n無關)由第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日PrincipleofPauli’sincompatibilityPauli不相容原理:Thetotalnumberstates(perunitevolume)occupiedbytheelectronsinthecompletedegenerateelectrongasshouldbeequaltothenumberdensityoftheelectrons.第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日沿著磁場方向的Fermi能量第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日BasicideaWhentheenergyoftheelectronneartheFermisurfaceisratherhigh(EF>600MeV)Energyoftheresultingneutronswillberatherhighandtheywillreactwiththeneutronsinthe3P2Cooperpairsandwilldestroythese3P2Cooperpairs.Itwillcausetheisotropicsuperfluiddisappearandthenthemagneticfieldinducedbythe3P2Cooperpairswillbealsodisappear.第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日Inducedmagneticmomentdisappears

Theenergyofa3P2Cooperpairofneutronswillbereleasedasthermalenergywhenthemagneticmomentdisappear.Energyrange:(X-ray–soft-ray)Thex-ray(orsoft-ray)maybeobserveddirectly,becauseThethermalphotonswillnotbeabsorbedbymostelectronsandprotonsinthedeepoftheirFermisea.第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日Totalreleasedenergyx-rayLuminosityofAXPs:Itwillbemaintained~105-106yr第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日PhaseOscillationAfterwards,Revivetothepreviousstatejustbeforeformation