量子星 Quantum Stars 朱明中 香港中文大學物理系.

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1 量子星 Quantum Stars 朱明中 香港中文大學物理系

2 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

3 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.

4 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

5 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

6 電子雙縫實驗

7 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

8 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

9 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

10 白矮星

11 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

12 行星狀星雲 NGC6751 IC3568

13 指環星雲 (Ring Nebula) 從中大看

14 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→？

15 Arthur Eddington S. Chandrasekhar

16 中子星 (neutron stars) 星球質量大於1.4太陽質量: 重力塌縮
密度達 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

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

18 中子星 Lev Landau

19 中子星

20 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

21 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

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

23 脈沖星 M1 Crab Nebula

24 脈沖星 蟹狀星雲 Crab Nebula M1

25 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

26 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)

27 A. Wolszczan Arecibo

28 中子星行星

29 雙脈沖星 PSR J0737-3039A,B 3/2004發現，準確驗證廣義相對論
Diagram and animation courtesy Jordrell Bank Observatory

30 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

31 奇異星 在中大 研究 人 初步結論﹕ 超新星可以製造奇異星 奇異星急速冷卻變回中子星 相變釋放大量能量(潛熱)~1053 ergs
奇異星 在中大 研究 人 黃嘉華 初步結論﹕ 超新星可以製造奇異星 奇異星急速冷卻變回中子星 相變釋放大量能量(潛熱)~1053 ergs 兩次中微子爆發 伽瑪線爆發GRB源？ 中微子望遠鏡觀測

32 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