中子星

中子星（ Neutron star ），大质量恒星演化到超新星爆发后的产物。主要由简并中子组成的性质奇特的致密天体。1932年发现中子后不久，L.D.朗道就提出可能存在由中子组成的致密星。1934年W.巴德和F.兹威基也分别提出了中子星的概念，指出中子星可能产生于超新星爆发。1939年J.R.奥本海默和G.M.沃尔科夫通过计算建立了第一个中子星的模型。1967年，英国天文学家A.休伊什和J.贝尔等发现了脉冲星。不久，就确认脉冲星是快速自转的、有强磁场的中子星。

中子星物理

大质量恒星耗尽内部核燃料后，星核坍缩，在某一点几乎所有的自由电子将被迫与原子核中的质子结合形成中子。中子的自引力质量束缚体就是中子星。假定中子星内部是自由中子，则它由理想的费米气体组成。对于这个中子气体自引力球，用非相对论性描述，则中子星满足下面的质量半径关系：

R=0.114( h²/ G m p ^8/3) M ^−1/3

式中R和M是中子星的半径和质量，h为普朗克常数，G是万有引力常数，m_p是电子质量。对于一个质量为M =1.4M_⊙的中子星，由上式推算得到半径R =1.5×10⁶厘米，即15千米。

中子星的引力把大部分自由电子压进原子核里，强迫它们与质子结合形成中子。中子星的密度极高，一匙勺中子星物质重10亿吨，它与质量为1.7×10⁻²⁴克、“半径”为10⁻¹³厘米的单个中子的密度相似。这样的高密度条件下，不应该忽略中子之间的强相互作用。从某个角度来说，中子星“仅仅是”另外一种原子核。但它与一般的原子核有两点不同：①中子星把中子“粘”在一起是自引力为主，不是介子交换力。②一个中子星的“原子”量是10⁵⁷左右。中子星极高的核密度以及非常强的引力场，意味着在正确描述中子星的结构时，应考虑核之间的相互作用力和牛顿引力理论的爱因斯坦修正。物理学家对中子星的结构了解甚少。因此，解决中子星理论的希望之一落在对它们的实际观测上。观测可能提供与核相互作用微观物理相关联的重要线索。

中子星内部结构图

中子星质量上限

中子星极限质量数值计算的精确性不如白矮星。理论证据表明，在异常高密度的中子星里，不管核排斥力有多强，若它的质量足够大，就不可能抵御引力。理由有两个：①狭义相对论给介质的“黏”度设置了一个限制。介质的密度增加，压力会随之升高，压力的升高会阻碍进一步的压缩。这种压力随密度增加而升高的速率可用来作为介质黏性的量度。但这种变化率与介质中的声速有关系。介质不可能黏滞到其中的声速超过光速。这对中子星内部最高压强设置了一个上限。②能量总是与排斥力场的作用联系在一起的。在广义相对论里，能量的行为非常类似于作为引力源的质量。试图抵抗它自身引力的物质越多，作用在物质上的引力就越大。倘若质量与半径之比足够大，引力将变成一个不可抗拒的力。罗兹和鲁菲尼利用一般的理论证明，中子星质量的上限为3个太阳质量左右。

中子星内部

中子星内，在几千米的距离上，引力能把物质固定在非常确定的结构中。主要表现之一是中子星表面上的所有不规则性都被消除，最高的山峰只有几厘米高。所有导致脉冲星电磁辐射的现象都发生在一个热到约100万度的薄薄外层。中子星内部结构的可能描述为：星体由一层1千米厚的固体包围，由原子核组成的固体晶格沉浸在简并电子海里，密度由每立方厘米1吨（正是白矮星的密度）向内增至每立方厘米几十万吨以上。往下的“幔层”越向内深入，铁核中包含的中子就越多，但中子在一定程度上要发生衰变。大约5千米的深处中子从“核”中逃离，在简并海中分解，产生的质子簇在这个海中漂浮，密度增大到每立方厘米1亿吨。在大约10千米的深处，中子物态成为星体的最重要成分。压力使晶体结构液化为主要由中子、质子和电子组成的液体。这种液体可能是一种完全没有黏滞的超流体。黏滞总是趋于消除液体中的任何不规则性，而超流体里的一个旋涡能保持数月之久。最后是半径约为1千米的核心，其组成还远不能确定。深层次的中子是费米子，它们通常不会表现出玻色–爱因斯坦凝聚现象。像为解释超导现象而发现电子对那样，某些中子可能形成“对”。就是说在中子星更深层次，物质形态不仅仅是超流，而有超导。人们进行了各种推测，多种模型已被提了出来，如固体中子晶格、介子凝聚体、夸克物质等。

致密物质的特性

中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能模拟出来的，因而为原子核物理、原子物理、等离子体物理、相对论和电动力学等学科拓宽了视野。为了描述中子星的内部，就必须将未能揭开高密度物质特性的实验物理予以扩展。迄今对致密物质的状态方程（即支配热力学量变化的定律的方程，如压强可表示为密度或其他量的函数）还几乎一无所知。但是，它应当是限制在两个极端情况之间：一个极端是自由气体，其中的粒子不受任何力；另一个极端是“硬”态，即物质具有最大刚性的状态，其中的声速等于光速（物质中的声速随其刚性而增大）。所有允许的状态和所有的物质形式都处在这两个极端状况之间。但当涉及中子星时，对这两个极端之间的许多种可能性的选择却只能依靠对基本粒子间强相互作用的有关认识。

上图是典型中子星的结构示意图。外层为固体外壳厚约1千米，由密度约10⁶～10¹¹克/厘米³各种原子核组成的点阵结构和简并的自由电子气所组成。外壳内是一层主要由中子组成的流体，密度约从4×10¹¹～10¹⁴克/厘米³，这层中还有少量的质子、电子和μ子。对于中子星内部的密度高达4×10¹⁴克/厘米³的物态，现有三种不同的看法：①超子流体；②固态的中子核心；③中子流体中的π介子凝聚。在极高密度下，当重子核心彼此重叠得相当紧密时(这种情形有可能出现于大质量中子星的中心部分)，物质的性质如何，是一个完全没有解决的问题。