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(tái)、站開始對(duì)這類星體進(jìn)行空間探索。四十多年來(lái),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(cè)光(Photometry)、光譜觀測(cè)(Spectroscopy)、測(cè)時(shí)(1～ning)全類觀測(cè)方法進(jìn)行光學(xué)、紅外、紫外、X射線等多波段觀測(cè)。不斷更新的觀測(cè)設(shè)備和不斷提高的觀測(cè)技術(shù)給我們帶來(lái)令人震撼的新奇觀測(cè)現(xiàn)象的

2、同時(shí),也提出了一些難以解釋觀測(cè)現(xiàn)象的理論難題。中子星中99％的引力能(1053erg)通過(guò)中微子和反中微子釋放,近年來(lái)與中微子和反中微子的產(chǎn)生和輸運(yùn)相關(guān)的弱相互作用過(guò)程是天體物理研究的熱點(diǎn)課題之一,對(duì)解釋觀測(cè)和理論難題都有積極意義。中子星具有高溫、高密度、強(qiáng)磁場(chǎng)等特性,因此探討中子星極端物理?xiàng)l件下的弱相互作用過(guò)程對(duì)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(cè)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(guò)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(guò)程。介紹了中子星的結(jié)構(gòu)和基本特性、磁場(chǎng)及其起源;詳細(xì)說(shuō)明了極端物理環(huán)境下MURCA過(guò)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(jì)算過(guò)程和方法;并采用改進(jìn)的方法研究了強(qiáng)磁場(chǎng)、電荷屏蔽、超流等物理因素對(duì)上述弱相互作用過(guò)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(guò)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(guò)程的質(zhì)子分支詳細(xì)計(jì)算了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)MURCA過(guò)程(包括中子分支和質(zhì)子分支)的影響,結(jié)果表明強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)MURCA過(guò)程的中微子產(chǎn)能率有明顯影響,產(chǎn)能率的變化隨磁場(chǎng)強(qiáng)度呈鋸齒行變化,磁場(chǎng)越強(qiáng)變化幅度越大;并且強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)MURCA

5、過(guò)程質(zhì)子分支的影響比對(duì)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(shì)和超流臨界溫度,研究了強(qiáng)磁場(chǎng)和超流同時(shí)存在時(shí)對(duì)MURCA過(guò)程的影響。結(jié)果表明,強(qiáng)磁場(chǎng)提高中微子發(fā)射率;超流顯著降低中微子發(fā)射率。對(duì)于總中微子發(fā)射率,在中子星冷卻的初始階段,磁場(chǎng)影響占主導(dǎo)地位,但在溫度下降到低于超流臨界溫度時(shí),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(qiáng)磁場(chǎng)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(jì)算結(jié)果表明:弱磁場(chǎng)(B＜1012G)對(duì)中子星殼層中的β衰變(包括β-衰變和β+衰變)幾乎沒(méi)有影響,強(qiáng)磁場(chǎng)(B＞1012G)使β-衰變率和β+衰變率都顯著增大;在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)(B＞1013G)可以使電子俘獲率降低幾個(gè)量級(jí)。另外,基于最近提出的加熱磁星殼層的新機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和大規(guī)模殼層模型的結(jié)

7、果,計(jì)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(chǎng)衰減能夠?qū)е码娮踊瘜W(xué)勢(shì)和退激發(fā)能都增加,這個(gè)結(jié)論有利于解釋觀測(cè)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(dòng)量守恒、磁場(chǎng)和重子(中子或質(zhì)子)的熱運(yùn)動(dòng)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(jì)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(duì)進(jìn)一步研究星風(fēng)中的中微子加熱率、中微子輸運(yùn)過(guò)程中的不透明度問(wèn)題、合理解釋相關(guān)的中子星的觀測(cè)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(duì)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(duì)星風(fēng)中核子的比加熱率、熵等物理參量基本沒(méi)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(guò)程(R-過(guò)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(cè)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(guò)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(shí)等相關(guān)的核合成。由于弱相互作用對(duì)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(shí),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(duì)進(jìn)一步研究中子星(特