量子星 Quantum Stars 朱明中 香港中文大學物理系

量子星 Quantum Stars 恆星之死 量子力學–波粒二象性 簡併壓力 degeneracy pressure 白矮星 white dwarfs 中子星及脈沖星neutron stars and pulsars

恆星之死 恆星之穩定﹕重力與熱核壓力之平衡 核燃料殆盡→重力塌縮 重力必勝？ →核心加熱 →燃燒上一輪灰燼 氫→氦→碳 →氧→…→鐵 恆星質量決定最終 元素(如太陽﹕氦) Ref.: K. Thorne, “Black Holes and Time Warps”, Norton.

量子力學 Quantum Mechanics 波粒二象性 Wave-particle duality: 粒子亦有波動性質 粒子雙縫實驗 Double-slit Experiment: 干涉圖，如波動→物質波 matter waves (de Broglie 1923) = h/p 波長反比於動量 h=普朗克常數 Davisson, Germer 實驗證實(1927) 例﹕五十伏特電子波長約1.7x10-10 m http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/index.html

粒子雙縫實驗 B A x 接收器 1 2 粒子射出時間相隔很遠 粒子不會分裂 http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/two-slit2.html

電子雙縫實驗

簡併壓力(degeneracy pressure) R. H. Fowler (1926): 量子力學→簡併壓力 高密度→粒子波長與平均相距相若 再增加密度→縮短粒子波長 (費米子) →增加頻率→增加能量 (E=hf ) →需投入能量才能提高密度 ＝抵抗力，簡併壓力 低密度:簡併壓力= 0 高密度:簡併壓力> 0

排他律與簡併壓力 費米子﹕不可佔據同一量子態 →低能階填滿後必需佔據高能階 高密度→能量增高 簡併態(degenerate)=所有低能階已被填滿 E 非簡併態 簡併態

白矮星 (white dwarfs) R. Fowler (1926): 當星球收縮至高密度，電子簡併壓力可支持重力→白矮星 白矮星: 質量 ~ 太陽質量 半徑 ~ 地球 (矮) 密度 ~ 水的百萬倍 (106 g/cc) 表面溫度 ~ 幾萬度 (白) 如天狼伴星 Sirius B:太陽質量，0.76地球半徑，密度3x106 g/cc，表面溫度三萬度 電子速度達光速一半: 量子、相對論星

白矮星

白矮星與行星狀星雲 白矮星表面重力強大→物質下墜速度快→撞擊力大→爆炸 行星狀星雲(planetary nebula) = 星球表面爆炸推出之物質 NGC3242

行星狀星雲 NGC6751 IC3568

指環星雲 (Ring Nebula) 從中大看

陳德拉錫加極限 (Chandrasekhar limit) 陳德拉錫加: 白矮星質量不可大於1.4倍太陽質量，否則不穩定 (相對性流體力學＋量子力學) →電子簡併壓力最多只可支持1.4倍太陽質量=陳德拉錫加極限 太陽→白矮星→黑矮星 質量大恆星→？

Arthur Eddington S. Chandrasekhar

中子星 (neutron stars) 星球質量大於1.4太陽質量: 重力塌縮 密度達1014-1015 g/cc時，電子被擠壓至原子核內，與質子結合成中子(neutrons) 大部份星球物質→中子物質 若M < 2-3 Mo，中子簡併壓力支持星球 典型中子星﹕一倍半太陽質量 半徑十公里→表面重力極強 (人→一百萬噸) →極圓、表面極平滑 e + p → n +ｖ

中子星 Neutron Stars http://www.fourmilab.ch/earthview/vplanet.html ~50 km http://www.fourmilab.ch/earthview/vplanet.html Photo credit: NASA

中子星 Lev Landau

中子星

中子星 半徑收縮後果﹕1.角動量守恆→急促自轉 2. 磁場濃縮→磁場極高 自轉速度: 每秒數次至數百次，極穩定 觀測中子星週期準確度達十七位！~原子鐘

脈沖星(pulsars) 磁場增強10¹²倍，達10¹² Gauss 帶電粒子被磁場加速、牽引→粒子束 若磁軸相對自轉軸傾側，造成燈塔效應 →脈沖星

脈沖星 1967 Jocelyn Bell發現 (Little Green Man) 1974 Nobel Prize, A. Hewish

脈沖星 M1 Crab Nebula

脈沖星 蟹狀星雲 Crab Nebula M1

雙星系統 (binary systems) 若其中一成員為致密星(compact stars, 白矮星、中子星、或黑洞)，可能吸收伴星物質 雙中子星: 重力波

中子星的行星證據 中子星PSR B1257+12 週期有微小和有規律 的改變→行星公轉引 起擾動 (1992) 三顆地球大小 的行星﹕第一個太陽 系外發現的行星系統 (extrasolar planets) http://spaceflightnow.com/news/n0305/29weigh/

A. Wolszczan Arecibo

中子星行星

雙脈沖星 PSR J0737-3039A,B 3/2004發現，準確驗證廣義相對論 http://www.jb.man.ac.uk/research/pulsar/doublepulsar/ Diagram and animation courtesy Jordrell Bank Observatory

中大的相關研究 中子由夸克(quarks)組成，是否有夸克星/奇異星(quark star/strange star)? 如有，有甚麼性質，如何觀測？ 奇異星之相變 (phase transition) 黃嘉華, MPhil 奇異星/中子星之進動 (precession) 曹家怡, MPhil

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