跳到主要内容

主题

天文学与空间

天文学与空间

脉冲星,小故障和超流体

01 Jan 1998

长期以来,脉冲星旋转中偶尔出现的“毛刺”引起了天文学家的兴趣。

这些中子星通常以这样的精确度旋转,以至于它们被称为宇宙中最好的计时器,但是每隔一段时间它们的旋转速度就会突然增加。人们认为这些毛刺与恒星内部的超流有关,超流使中子无摩擦地流动。

Now, a group of Italian scientists have studied the interactions between quantized vortices in the superfluid and the 核 in the stars, which are widely thought to be responsible for the glitches (P Pizzochero et al. 1997 物理莱特牧师. 79 3347)。这项工作将对理解中子星的动力学和热历史具有重要意义。

中子在相当于几兆电子伏特的能量的温度下变为超流体。所有相互作用的费米子系统(具有半整数自旋的粒子)都有望在足够低的温度下形成库珀对的冷凝物–熟悉的例子是氦3中的超流动性和电子超导性。中子星形成后很快就会冷却到1 MeV以下,因此有望具有超流体内部。

Superfluids are characterized by a forbidden energy gap, which can be calculated using the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) equation. The pairing of protons and neutrons in the 核 also leads to an ordered phase with an energy gap between paired (even) and odd 核 . Indeed, the equation for the energy gap in 核 is just a discrete version of the BCS equation. In nuclear matter, the attractive nuclear interactions lead to neutron superfluidity and proton superconductivity.

在密度超过2的中子星中心 ´ 1014 克厘米-3, the neutrons form a homogeneous superfluid. But in the crust of the star, where the density is lower, this superfluid coexists with a crystalline lattice containing 核 with comparable numbers of protons and neutrons. The BCS theory must then combine the discrete version for paired 核 with the extended version for a superfluid.

中子星超流动性的直接观察证据来自脉冲星毛刺。超流体只能通过形成量化的涡旋来旋转,其中每单位面积的涡旋数与旋转速度成比例。旋涡线从恒星中心向外移动,从而降低了旋涡密度,从而降低了超流体的旋转速度。地壳中超流体和晶格的共存导致非常明显的旋转动力学,因为涡旋线变成“pinned”晶格中的原子核。这意味着故障后可能需要数月甚至数年的时间才能使转速松弛。如果恒星的内部由正常物质组成,那么粘性过程将使弛豫时间大大缩短。

Pulsar glitches are thought to be caused by a sudden release of 固定 vortex lines, an idea proposed by Philip Anderson and Naoki Itoh in 1975. Vortex lines can also move continuously through the crust superfluid, either by thermal activation or by quantum tunnelling against pinning forces, a process known as vortex creep. Models indicate that both the unpinning that leads to glitches and the post-glitch relaxation due to vortex creep depend on the strengths of the pinning forces and the lag in rotation rate between the crust superfluid and the lattice.

特别是,给定的钉扎力只能承受一定程度的滞后,超过该滞后,涡旋线将无法钉扎。类似地,存在一个稳态滞后,比临界滞后小一些,在该滞后处涡旋线会蠕变并使外壳超流体与外壳中的正常物质松弛。因此角动量从超流体转移到法向物质,能量耗散率与两个组件之间的转速差成正比。通过观察脉冲星的热发光度获得的这种能量耗散率的限制是对钉扎力的最直接限制。

那么固定的物理原因是什么?涡旋线是控制超流体中粒子的波函数相位中的奇点。超流体循环量化涡流的速度降低为1 /r,在哪里 r 是距涡旋轴的距离。每个粒子的动能降低为1 /r2,而每个粒子通过处于超流体相而获得的能量–凝结能– is given by ~D2/EF,在哪里 D 是超流体能隙, EF 是费米能量。

在某个临界距离(称为相干长度)处, V,动能损失超过凝结能。在小于相干长度的距离处,涡旋线由围绕奇点的圆柱状核组成,其中一些粒子处于正常(非超流体)状态。如果冷凝能量在类似的长度范围内变化, V, the vortex line will become 固定 to certain preferred sites.

This is the situation in the crust of a neutron star, where the density and condensation energy of the superfluid have different values inside and outside the 核 . The size of the nucleus is ~10 fm, comparable with the coherence length, while the lattice spacing is 30-50 fm. Pinning forces thus tend to pin the vortex lines to 核 in the lattice.

挑战在于计算和比较涡流穿过核和不穿过核时的能量。通过简单比较这两种情况下的凝结能,我于1977年对钉扎力进行了首次估算。为了估算核内的凝结能,我结合了超流体中子的局部密度和 D 在该密度下产生均匀的中子超流体。

1988年,理查德·爱泼斯坦(Richard Epstein)和戈登·拜姆(Gordon Baym)考虑了核与周围中子之间超流体密度的变化。他们使用了Ginzburg-Landau近似,但这仅在密度随距离长于相干长度的距离上变化时才有效。但是,原子核内部和外部之间超流体密度的变化发生在大约1 fm以上。因此,爱泼斯坦和拜姆通过比较他们的模型重新调整了相干长度’有限核的s结果与已知实验结果。通过这种重新缩放,有时多达10倍,他们获得了大约15 MeV的强钉扎能量。但是,对中子星热光度的观察给出了晶格与超流体之间临界滞后的上限,排除了这种强钉扎作用。

相反,Pizzochero及其同事使用了局部密度近似,该局部密度近似以前已用于计算中子星壳中的超流体间隙和比热。为了计算配对能,他们用单个粒子的连续能谱代替了BCS方程中地壳核的离散束缚能级。由于间隙和钉扎能主要取决于费米能级附近的状态,因此这应该是配对的良好近似。该计算还包括绕涡线流动的动能贡献。

结果表明,原子核与涡旋线之间的钉扎力约为0.5 MeV fm-1, similar to my first rough estimate and about 10 times less than the results obtained by Epstein and Baym. These pinning forces are not strong enough to dislodge 核 from their equilibrium sites in the lattice, so the vortex line probably only pins to 核 that lie within its core. Estimates of the critical lag and rate of energy dissipation, assuming this “weak”固定,与中子星热X射线的观测结果一致。

理解中子星壳异质环境中的配对机理继续引起理论物理学家的兴趣,Pizzochero及其同事开发的微观模型将用于研究中子星中的其他现象。例如,它可以帮助研究最内层的地壳层,“nuclei”可以拉长成杆状或板状。通过提高我们对地壳中钉扎力如何变化的认识,该模型还可以提供线索,说明涡旋在何处积累以及如何触发毛刺。

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者