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2016年7月9日

中子星

58史塔


陸地上的燈塔大家經常會看到,但大家又是否知道宇宙中亦有不少「燈塔」呢?單單在銀河已經有超過1500顆「宇宙燈塔」了。其實它們是脈衝星(pulsar),是中子星(neutron star)的一種。


歷史背景

圖一:四位科學家的頭像

中子星的概念首次由Fritz Zwicky和Walter Baade於1934年提出。其後於1967年Jocelyn Bell Burnell 和 Antony Hewis發現天空中有一定點不停發出穩定輻射,變化周期為1.33秒。當時的一些科學家以為那是有智慧外星生物的通訊信號並命名其為LGM-1,意思是’Little Green Man’,但其實是人類第一顆發現的脈衝星。


中子星的結構

http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/archive/EducationResource/Universe/framed_c/lecture/ch16/imgs/nstar.gif
圖二:中子星理論模型
Illustration of a neutron star within supernova remnant Cassiopeia A
圖三:中子星核心為超導體的模型

以往科學家相信的中子星理論模型應該是由三部分組成:一層由重原子核構成的固體外殼;由中子、質子和電子構成的液態超導體(superconductor)內層;可能存在的固體核心。不過,近年研究團隊從美國航太總署錢德拉X-射線觀測衛星(NASA's Chandra X-ray Observatory)搜集到中子星仙后星座A(Cassipoeia A)的數據中,發現其溫度迅速下降,這是首個直接證據證明中子星的核心其實是由超流體及超導體所組成的。


中子星的特徵

中子星中約95-99%的成分是中子,但仍有少量的質子和電子。中子星一般的直徑只有20km,但質量則大約是1.4倍太陽質量,因此其密度極高(約1014-1015g/cc),相當於把整個太陽壓縮至跟香港島差不多的大小。其引力比地球大20億倍,即是小小的一支茶匙已經重達10億噸!正因其引力極大,任何山脈和高山都會因自身的重量向下塌陷,所以中子星的表面十分光滑而沒有任何山峰。

中子星還有兩個重要特徵。第一個是其自轉速度極高而週期非常穩定,每秒可以旋轉數次,快至數千次亦有。那是因為在恆星形成中子星的塌縮過程中,角動量守恆使恆星核心塌縮時的旋轉速度急劇上升而成了極高速自轉的中子星。第二個是中子星擁有極強的磁場,大約為1012高斯(Gaussian units),相比起地球的磁場只有0.5高斯,可見中子星磁場的威力是何其大!


中子星的形成

中子星是恆星其中一種死亡的方式。若恆星垂死時(恆星中的燃料即將耗盡時)的質量為4-8倍太陽質量,燃料耗盡後恆星核心的重力因此而勝過電子簡併壓力(electron degeneracy pressure),使核心不斷收縮,密度不斷增加。當密度達至約1012 g/cc時,電子便會被壓進原子核內,與質子結合為中子。

質子 + 電子 -> 中子 + 中微子

中微子會帶著能量以接近光速逃離核心,核心便會因此而加速塌縮。直到核心的密度達至中子簡併壓力(neutron degeneracy pressure)所產生的反收縮作用急劇上升,導致塌縮下墜的物質衝擊到突然變得堅硬的核心,而發生反衝(rebound),其產生向外傳播的衝擊波(shock wave),把恆星的外層猛烈地推開去。這巨大的爆炸被稱為超新星爆炸(supernova)。若爆炸後恆星剩餘核心的質量介乎於1.4 -3.2倍太陽質量(質量必須大於1.4倍太陽質量為昌德拉華特極限Chandrasekhar limit),中子簡併壓力便能抗衡核心進一步收縮,使該核心成為一顆穩定、非常細小但密度極高的中子星。


脈衝星

http://www.lcsd.gov.hk/CE/Museum/Space/archive/EducationResource/Universe/framed_c/lecture/ch16/imgs/pulsar.jpg
圖四:脈衝星模型
圖五:蟹狀星雲中的脈衝星脈衝信號的「開」和「關」

脈衝星簡單來說是在自轉的中子星而被發現有週期性的脈衝信號。中子星極強的磁場加上中子星的高速自轉使帶電粒子沿磁力線加速至接近光速,因而從磁場兩極會發射出高能輻射。隨著中子星自轉,輻射束會向宇宙掃射,情況就樣燈塔一樣,這被稱為燈塔效應(lighthouse effect)。若地球被其輻射束掃射,即是在地球上能觀測到其非常有規律和急速的脈衝,該中子星便會被歸類為脈衝星。

其中一個例子是位於蟹狀星雲(crab nebula)M1內的脈衝星。圖五是以X-射線拍攝的蟹狀星雲,可以見到脈衝星信號的「開」和「關」,其大約每秒「開」和「關」30次。

當你感到前路一片黑暗時,別忘記還有黑夜中的「燈塔」為你照明。



資料來源:
  1. Fraser, C. (2013). What is a Pulsar. Retrieved from http://www.universetoday.com/25376/pulsars/
  2. NASA. (2006). Neutron Stars and Pulsars. Retrieved from http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/pulsars1.html
  3. NASA. (2011). NASA'S Chandra Finds Superfluid in Neutron Star's Core.Retrieved from http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/casa2011.html
  4. Lesson Five: History of the Neutron Star. Retrieved from http://campus.pari.edu/radiosky/lessons/pulsars/01.shtml
  5. Nola, T. (2013). Neutron Stars: Definition & Facts. Retrieved from http://www.space.com/22180-neutron-stars.htm

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