中子星和脉冲星

中子星将超过太阳质量的物质压缩到一个城市大小的球体中，由中子简并压和核力支撑；当它旋转并发出辐射束时，我们将其视为脉冲星。

Definition

中子星是一种致密恒星残骸，其密度是原子核的几倍，主要由中子简并压和核力支撑；脉冲星是一种快速旋转、强磁化的中子星，以辐射脉冲的形式被观测到。

Scope

本主题涵盖了中子星在核心坍缩超新星中的形成、其内部结构和知之甚少的致密物质状态方程、中子星的最大质量、旋转驱动的脉冲星及其作为精确时钟的应用，以及磁星的极端磁场。

Core questions

• 中子星是如何形成的，是什么支撑着它们？
• 中子星内部的物质是怎样的？
• 为什么脉冲星会发出规律的脉冲？
• 中子星能达到的最大质量是多少？

Key concepts

• 中子简并
• 状态方程
• 脉冲星
• 磁偶极子
• 自旋减速
• 磁星
• 突跳

Key theories

中子简并和致密物质状态方程

中子星由中子简并压支撑，并由排斥核力增强；其结构源于核密度以上物质的状态方程，该方程决定了质量与半径之间的关系以及最大质量。

脉冲星的旋转磁偶极子模型

脉冲星是一种快速旋转的中子星，其强大且未对齐的磁场沿其两极引导辐射束；随着恒星的旋转，光束扫过地球，产生观测到的时钟般精确的脉冲，同时磁制动逐渐减慢自旋。

Mechanisms

当大质量恒星的铁核坍缩时，电子与质子结合形成中子，核心反弹形成一个直径约二十公里的中子星。角动量和磁通量的守恒使其快速旋转并拥有巨大的磁场；沿磁力线加速的带电粒子产生辐射束，被视为脉冲，而磁力矩则缓慢消耗其旋转能量。

Clinical relevance

中子星是超核密度物质和强场引力的天然实验室；毫秒脉冲星可与原子钟媲美，用于检验广义相对论和搜寻引力波，而中子星合并则产生重元素和可探测的引力波信号。

History

巴德（Baade）和兹威基（Zwicky）于1934年提出了中子星的概念，奥本海默（Oppenheimer）和沃尔科夫（Volkoff）于1939年对其进行了建模，乔斯林·贝尔·伯内尔（Jocelyn Bell Burnell）于1967年发现了第一颗脉冲星；帕奇尼（Pacini）和戈尔德（Gold）很快将脉冲星识别为旋转的磁化中子星，这一观点得到了蟹状星云超新星遗迹中脉冲星的证实。

Debates

中子星状态方程和最大质量

核密度以上物质的行为，以及因此而来的中子星最大质量和夸克物质等奇异相的可能存在，仍然不确定；质量和半径测量以及引力波观测正在稳步缩小可能性范围。

Key figures

• Jocelyn Bell Burnell
• Antony Hewish
• Fritz Zwicky
• Franco Pacini

Seminal works

• hewish1968
• shapiro1983

Frequently asked questions

为什么这么小的东西会这么重？

在中子星中，引力将物质压缩到与原子核密度相当或更高的程度，因此一茶匙的物质将重达数十亿吨；这使得超过一个太阳质量的物质可以容纳在仅约十公里的半径内。

为什么脉冲星的脉冲如此规律？

脉冲星从其磁极发出窄束辐射，由于中子星快速而稳定地旋转，每次光束扫过地球时，我们都会记录到一个脉冲，这使得脉冲星成为已知最精确的天然时钟之一。