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錢卓首度證明 中子星核心為超流體與超導體
http://www.nownews.com/2011/03/07/91-2694172.htm有兩組天文研究團隊,分別分析錢卓X射線觀測衛星(Chandra X-ray Observatory)的資料後,發現有顆中子星的溫度遞減速率極快,因而首度直接證明這顆恆星內部的物質是所謂的超流體(superfluid)和超導體(superconductor)這些奇特的物質。這項發現對瞭解在已知最稠密的物質狀態下的核子反應相當重要。
這顆中子星位在超新星殘骸仙后A(Cassiopeia A,Cas A)中,這個超新星大約是在330年前發生爆炸的結果,爆炸後,前身恆星的核心部分變成一顆非常緻密的中子星,以天文尺度而言,算是非常年輕的中子星。從錢卓連續觀測的結果,天文學家估算在過去10年間,這個中子星已經降溫了4%左右。其中一個團隊主持人是墨西哥國立自治大學(National Autonomous University)Dany Page表示,雖然4%聽來不多,但對天文學家來說,這已經是所觀測到最劇烈的降溫趨勢。這表示這顆中子星的內部必定有不尋常之處。
中子星是目前直接觀測的天體中,所含物質密度最高、最緻密物質的天體。在中子星上一茶匙的物質,相當於60億噸重。中子星核心處的壓力之高,迫使絕大部分的電子與質子結合而形成中子。因此這種超新星殘骸幾乎都是由中子所組成,另外還有少數質子、電子和其他粒子。
理論物理學家曾詳細模擬物質在極高密度狀態下的行為模式,甚至曾思考過超流體可能性。超流體是一種幾乎沒有摩擦力的物質狀態,地球實驗室中製造出的超流體都具有超凡特性,例如可向上爬而逃出人造容器的能力。由帶電粒子組成的超流體也是超導體,讓電流流動幾乎沒有任何阻力可言。地球上已經利用超導體的特性製造出許多科技產品。另一團對主持人俄羅斯聖彼得堡艾爾菲研究所(Ioffe Institute in St Petersburg)Peter Shternin表示,錢卓所觀測到的仙后A中子星快速冷卻的現象,首度直接證明中子星的核心是由超流體和超導體物質組成。
這兩個團隊都認為仙后A中子快速冷卻的現象,顯示在過去100年間,中子星的核心逐漸轉變成中子超流體。理論預測中子星核心過渡到超流體狀態時,會大量形成幾乎無質量也幾乎不與其他物質交互作用的微中子(neutrino),這些微中子向外逃出而帶走能量,所以中子星會有明顯的降溫現象。這些團隊認為:快速冷卻的現象可能還會持續數十年左右,之後冷卻的速度就會減慢下來。
地球實驗室中物質開始變成超流體都是在接近絕對0度的極端低溫下,但中子星內部的超流體卻可在溫度高達10億度左右的高溫狀態下發生,因為粒子間的交互作用是經由強核子力達成,也就是夸克(quarks)聯合在一起而形成質子或中子的作用力,而質子和中子聯合起來才組成粒子的原子核。然而,直到現在,科學家仍然無法確定地估算超流體形成的溫度。此番藉由錢卓的觀測結果,這些天文學家至少能確定形成溫度介在5億度到10億度以下。
此外,由這個快速降溫度現象,中子星核心遺留的質子數量已相當少,使得中子星核心變成超流體的過渡期提早發生;又由於質子帶有正電,所以仙后A中子星的核心亦為超導體狀態。地球實驗室中已知不同組成成分的超導體,在溫度高過攝氏零下100~200度時,就會喪失超導特性;然而由於中子星核心極高的密度,因此可讓物質在接近攝氏10億度的高溫環境下仍具有超導電性(superconductivity)。
經由中子星超流體電腦模擬結果與強核子力物理學,這些天文學家或許可在仙后A中子星測試極緻密物質的強交互作用詳細特徵,如此一來或許就可藉機瞭解中子星的行為特性,例如中子星的脈衝性質和進動、磁場強度極高的中子星—磁星(magnetar)的爆發和演化等現象。(文/引用自臺北天文館網路天文館網站)