量子星 Quantum Stars

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1.7x10-10m http://www.colorado.edu/physics/2000/schroedinger/index.html

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

6. 電子雙縫實驗

7. 低密度:簡併壓力= 0 高密度:簡併壓力> 0 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

8. E 非簡併態 簡併態 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

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. NGC3242 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

12. IC3568 行星狀星雲 NGC6751

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

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

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) http://spaceflightnow.com/news/n0305/29weigh/

27. A. Wolszczan Arecibo

28. 中子星行星

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

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. 人 黃嘉華 伽瑪線爆發GRB源？ 中微子望遠鏡觀測 奇異星 在中大 研究 • 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

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