化學(xué)加熱機(jī)制對(duì)中子星熱演化的影響

余俊

摘 要：中子星由致密核物質(zhì)組成，它的內(nèi)部組成有中子、電子、質(zhì)子到奇異性物質(zhì)等許多可能，因?yàn)橹凶有堑膬?nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)超導(dǎo)、超流等一系列性質(zhì)，所以中子星的內(nèi)部物質(zhì)的成分和物態(tài)是許多科學(xué)家目前研究的方向。中子星的熱演化和它內(nèi)部致密核物質(zhì)的物態(tài)方程、組成成分緊密相關(guān)。通過(guò)將理論上的熱演化曲線與實(shí)際觀測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，是一種研究中子星的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)和解釋一些物理現(xiàn)象的有效方法。

關(guān)鍵詞：中子星；熱演化；化學(xué)加熱

1 中子星的形成過(guò)程

1.1中子星是一個(gè)超密中子簡(jiǎn)并星，主要是有中子和少量的質(zhì)子，電子構(gòu)成。

中子星的形成過(guò)程主要分為三個(gè)部分。第一部分中子化階段。當(dāng)恒星的質(zhì)量大于106g/cm-3 時(shí)，中子星內(nèi)部會(huì)達(dá)到β 衰變過(guò)程的條件，電子和質(zhì)子發(fā)生碰撞，形成了中微子和中子，質(zhì)子數(shù)減少，原子核的能量越來(lái)越大，由此在原子的中心形成了富中子核，這一過(guò)程被人們稱為中子化。第二部分就是自由中子發(fā)射。當(dāng)星體的中子化程度越來(lái)越高，質(zhì)子數(shù)下降，中子的能量增大，中子就會(huì)逃離原子核。第三個(gè)部分是，當(dāng)恒星的密度達(dá)到了10×1014g/cm-3這個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，中子星的原子核就會(huì)全部離解，電子和質(zhì)子結(jié)合形成中子，這樣整個(gè)中子星就為中性。

1.2中子星的結(jié)構(gòu)

根據(jù)目前科學(xué)家所研究的結(jié)果，可以將中子星的結(jié)構(gòu)分為5個(gè)部分。大氣層：它的厚度約為0.1-10cm。外殼層：外殼層厚度大概有幾百米。內(nèi)殼層：內(nèi)殼層的厚度有幾千米。外核：中子星的外核厚度大約有幾千米。內(nèi)核：它的內(nèi)核半徑有幾千米。

2 中子星的冷卻理論

中子星的冷卻主要有以下三個(gè)階段：

第一階段：熱弛豫階段，當(dāng)時(shí)間t小于10～100yrs時(shí)，中子星的內(nèi)部的中微子發(fā)生輻射，使其中子星的核心很快冷卻，但是中子星的外殼層冷卻速度并沒(méi)有核心那么快，因此殼層的溫度要高于核心，這時(shí)候中子星的外殼可以在一定程度上減緩熱量的散失的熱量，這樣中子星的外殼就像一個(gè)保溫套，外殼的冷卻主要靠熱傳導(dǎo)，將外殼的溫度傳遞到核心部分，因此，中子星的溫度反映的是外殼的熱狀態(tài)。

第二個(gè)階段：中微子的冷卻階段，這個(gè)階段的時(shí)間t小于等于105yrs。

這個(gè)階段中微子的輻射光度遠(yuǎn)大于表面輻射光度，因此中子星的冷卻主要由中微子的輻射決定，這時(shí)候中子星的表面溫度主要依賴中子星的內(nèi)部溫度。

第三個(gè)階段：光子冷卻階段，這個(gè)階段的時(shí)間t大于等于105yrs。這時(shí)候中微子的輻射光度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中子星表面光子的輻射光度。因此，中子星的溫度主要取決于表面光子輻射所散失的能量。中子星內(nèi)部溫度的變化被表面的熱性質(zhì)決定

中子星的冷卻理論是由Tsuruta & Cameron這兩個(gè)人建立的。由能量守恒定律和熱傳導(dǎo)的公式可知：在單位時(shí)間內(nèi)，中子星單位體積能量E的減少等于中微子輻射帶走的能量和溫度梯度差導(dǎo)致的熱量散出的總和?？梢缘玫饺缦鹿?/p>

這里的cv表示的是單位體積的熱容量，￡v表示的是中微子輻射過(guò)程的能量的損失率。通過(guò)一系列的計(jì)算，我們可以得到以下公式

我們研究熱演化理論的目的是為了模擬中子星的熱演化曲線，將理論曲線和實(shí)際曲線進(jìn)行比較。我們考慮中子星內(nèi)部沒(méi)有加熱機(jī)制的冷卻曲線。它可以解釋一部分中子星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但這種模型還有一定的局限性，

在實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)中，我們發(fā)現(xiàn)有些中子星在t大于109yrs后它的表面溫度依然高于105k，但是我們的標(biāo)準(zhǔn)模型的冷卻曲線是低于實(shí)際值。因此，我們考慮到中子星的內(nèi)部存在一些加熱機(jī)制，影響著標(biāo)準(zhǔn)模型，所以上述表達(dá)式并不準(zhǔn)確，我們?cè)诖耸降幕A(chǔ)上進(jìn)行一定的修改。

cv表示的是單位體積的熱容量，表示表面光子輻射光度，表示中微子的輻射光度

下面我們主要研究化學(xué)加熱機(jī)制對(duì)中子星熱演化的影響，這樣我們能夠在一定程度上彌補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型的不足之處。

3 什么是化學(xué)加熱

中子星的內(nèi)部的化學(xué)加熱是因?yàn)橹凶有堑男D(zhuǎn)速度逐漸變慢，從而導(dǎo)致中子星里面β平衡的偏離。當(dāng)中子星的旋轉(zhuǎn)速度變慢，它的離心力變小，星體的體積減少，這樣中子星的里面物質(zhì)的濃度變大，它的平衡狀態(tài)發(fā)生了改變。這樣中子星的內(nèi)部會(huì)再次發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣中子星的內(nèi)部會(huì)在次達(dá)到一個(gè)平衡。當(dāng)星體內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)的速率小于中子星旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致濃度上升的反應(yīng)，這樣這個(gè)系統(tǒng)將永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到平衡。中子星的內(nèi)部會(huì)偏向化學(xué)反應(yīng)，因此星體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一些額外的能量，額外的能量會(huì)通過(guò)某些反應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能是中子星加熱。我們會(huì)通過(guò)星體的旋轉(zhuǎn)過(guò)程和物態(tài)方程計(jì)算化學(xué)加熱對(duì)中子星熱演化的影響。

3.1化學(xué)加熱機(jī)制對(duì)中子星熱演化的影響

Reisenegger等幾位科學(xué)家研究了簡(jiǎn)單中子星物質(zhì)的化學(xué)加熱。在這之后提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，當(dāng)中子星內(nèi)部只有npe三種非超流物質(zhì)。我們可以定義質(zhì)子數(shù)的密度來(lái)表示這種物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)態(tài)。當(dāng)星體處于平衡狀態(tài)時(shí)，中子星的表面的能量密度￡和表面的壓強(qiáng)p都是常數(shù)，并且質(zhì)子數(shù)的密度x也是一個(gè)定值。我們可以定義旋轉(zhuǎn)過(guò)程中中子星表面的中子數(shù)密度之比為

根據(jù)一些科學(xué)家的大量計(jì)算，可以得到以下圖像

從上圖可以得知，當(dāng)中子星不考慮加熱機(jī)制的情況下，中子星的熱演化分為三個(gè)階段，在t小于10～100yrs的時(shí)間內(nèi)，由于中子星的外殼冷卻速度較慢，因此對(duì)于中子星內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)保護(hù)層，使中子星的溫度在一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)有很大的變化。T小于等于105yrs時(shí)，中微子輻射，中子星的能量大量散失，導(dǎo)致中子星的的溫度急劇下降.t大于等于105yrs，發(fā)生光子輻射。

但是當(dāng)有化學(xué)加熱機(jī)制存在的情況下，我們可以看到，在即將發(fā)生光子輻射階段之前，中子星的溫度會(huì)有一定的提升，使其溫度下降速度變慢。因此，我們就可以建立相應(yīng)的模型，去解釋其他中子星的熱演化。