中子星環(huán)境中弱相互作用率的研究.pdf

1、自從脈沖星被發(fā)現(xiàn)后,全世界諸多天文臺、站開始對這類星體進(jìn)行空間探索。四十多年來,Chandra、Hubble、Spitzer等空間望遠(yuǎn)鏡和Magellan、Gemini、Subaru等各類大型(6.5-8.2米)地面望遠(yuǎn)鏡利用測光(Photometry)、光譜觀測(Spectroscopy)、測時(1～ning)全類觀測方法進(jìn)行光學(xué)、紅外、紫外、X射線等多波段觀測。不斷更新的觀測設(shè)備和不斷提高的觀測技術(shù)給我們帶來令人震撼的新奇觀測現(xiàn)象的

2、同時,也提出了一些難以解釋觀測現(xiàn)象的理論難題。中子星中99％的引力能(1053erg)通過中微子和反中微子釋放,近年來與中微子和反中微子的產(chǎn)生和輸運相關(guān)的弱相互作用過程是天體物理研究的熱點課題之一,對解釋觀測和理論難題都有積極意義。中子星具有高溫、高密度、強磁場等特性,因此探討中子星極端物理條件下的弱相互作用過程對解釋中子星的冷卻、軟Gamma重復(fù)暴、反常X射線脈沖以及中子星Kick和Glitch等觀測現(xiàn)象非常必要。本文主要研究了中子星

3、核區(qū)的修正URCA(MURCA,全稱Modified Unrecordable Cooling Agent,)過程、殼層中重核的電子俘獲和β衰變、星風(fēng)中的中微子和反中微子吸收以及自由質(zhì)子電子俘獲等弱相互作用過程。介紹了中子星的結(jié)構(gòu)和基本特性、磁場及其起源;詳細(xì)說明了極端物理環(huán)境下MURCA過程、電子俘獲、β衰變、中微子和反中微子吸收等弱相互作用的計算過程和方法;并采用改進(jìn)的方法研究了強磁場、電荷屏蔽、超流等物理因素對上述弱相互作用過程的

4、影響及其在中子星研究中的具體應(yīng)用。主要內(nèi)容如下:
　　 (1)核區(qū)的MURCA過程基于BPS(Baym G.,Pethick C.,Suthedand P.)模型假設(shè)中子星核區(qū)物質(zhì)是n-p-e系統(tǒng),并考慮MtYRCA過程的質(zhì)子分支詳細(xì)計算了強磁場對MURCA過程(包括中子分支和質(zhì)子分支)的影響,結(jié)果表明強磁場對MURCA過程的中微子產(chǎn)能率有明顯影響,產(chǎn)能率的變化隨磁場強度呈鋸齒行變化,磁場越強變化幅度越大;并且強磁場對MURCA

5、過程質(zhì)子分支的影響比對中子分支的影響整體偏小。另外,采用改進(jìn)的電子化學(xué)勢和超流臨界溫度,研究了強磁場和超流同時存在時對MURCA過程的影響。結(jié)果表明,強磁場提高中微子發(fā)射率;超流顯著降低中微子發(fā)射率。對于總中微子發(fā)射率,在中子星冷卻的初始階段,磁場影響占主導(dǎo)地位,但在溫度下降到低于超流臨界溫度時,超流的影響變得至關(guān)重要。
　　 (2)殼層中的電子俘獲和β衰變基于原子核殼層模型,分析了在強磁場作用下中子星殼層中的電子俘獲和β衰變率

6、,以具體的核素為例進(jìn)行的詳細(xì)計算結(jié)果表明:弱磁場(B＜1012G)對中子星殼層中的β衰變(包括β-衰變和β+衰變)幾乎沒有影響,強磁場(B＞1012G)使β-衰變率和β+衰變率都顯著增大;在相同的磁場強度下,基態(tài)的β衰變比激發(fā)態(tài)的β衰變所受影響更大。在某些環(huán)境下,超強磁場(B＞1013G)可以使電子俘獲率降低幾個量級。另外,基于最近提出的加熱磁星殼層的新機制——退激發(fā)能作為加熱源,選用具體的殼層組份模型并采用實驗數(shù)據(jù)和大規(guī)模殼層模型的結(jié)

7、果,計算得出磁星外殼中(距離表面0.1km)重核電子俘獲的總的退激發(fā)能量為3.8×1042 erg s-1。而且磁星磁場衰減能夠?qū)е码娮踊瘜W(xué)勢和退激發(fā)能都增加,這個結(jié)論有利于解釋觀測到的持續(xù)反常X射線輻射光度。
　　 (3)初生中子星星風(fēng)中的中微子、反中微子吸收以及自由質(zhì)子電子俘獲綜合考慮能量動量守恒、磁場和重子(中子或質(zhì)子)的熱運動效應(yīng),改進(jìn)了初生中子星星風(fēng)的中微子和反中微子的吸收截面計算方法,得到了更為精確的中微子、反中微子

8、吸收反應(yīng)截面。這對進(jìn)一步研究星風(fēng)中的中微子加熱率、中微子輸運過程中的不透明度問題、合理解釋相關(guān)的中子星的觀測現(xiàn)象有重要作用。另外,采用弱電荷屏蔽理論討論了屏蔽對星風(fēng)中自由質(zhì)子電子俘獲反應(yīng)的影響,結(jié)果表明電荷屏蔽對星風(fēng)中核子的比加熱率、熵等物理參量基本沒有影響,但是可以明顯提高電子豐度。電子豐度是快中子俘獲過程(R-過程)核合成的基本輸入?yún)⒘?電子豐度的明顯提高有利地支持了Wanajo等最新的快中子俘獲核合成結(jié)果,可以解決觀測到的90Zr

9、等核素超豐和理論不相符的矛盾。
　　 中子星內(nèi)部的MURCA等弱相互作用過程產(chǎn)生的中微子是中子星能量損失的主要途徑,中微子能量損失決定年輕中子星的熱演化。電子俘獲、β衰變、中微子和反中微予吸收等弱相互作用也影響著中子星星風(fēng)中、殼層中、雙中子星合并時等相關(guān)的核合成。由于弱相互作用對周圍物理環(huán)境的變化非常敏感,在分析這些弱相互作用時,只研究純粹核物理的規(guī)律是不夠的,不可避免地要探討物理環(huán)境的影響。本文所得的結(jié)論對進(jìn)一步研究中子星(特