中子星核心中有超流體

2011/03/22 |

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美國航太總署錢德拉X-射線觀測衛星(NASA`s Chandra X-ray Observatory)，於一顆中子星的核心中，業已首度發現超流體(superfluid：一種異乎尋常、無摩擦力的物質態)的直接證據。於地球上之實驗室中產生的超流體展現了異常屬性，諸如能向上攀升及從密閉容器中消失。就瞭解已知最高密度物質中的核交互作用(nuclear interactions)而言，上述發現具有諸多重要意涵。

圖片引用自原文

中子星含有已知可觀測的最稠密物質。一茶匙的中子星物質重60億噸。這類恆星的核心壓力很高，以至於大部分的帶電粒子(電子及質子)結合，形成一顆幾乎由不帶電粒子組成，而被稱為中子星的恆星。

兩支獨立的研究團隊研究了一顆超新星的殘留物─仙后星座A(Cassipoeia A 或簡稱Cas A)。當從地球觀測時，這顯然是顆1萬1千光年外之巨大恆星，約在330年前爆炸的殘留物。錢德拉X-射線觀測衛星的數據發現，該超新星爆炸後殘餘之超稠密中子星的溫度迅速下降，顯示該中子星曾於十年期間冷卻約達4%。

於2011年2月25日版《物理評論記事》(Physical Review Letters)雜誌發表一篇論文的研究團隊領導人，墨西哥國立自治大學(the National Autonomous University in Mexico)的Dany Page宣稱：「雖然聽起來似乎不大，不過上述的溫度下降，事實上是引人矚目且令人訝異的。這意味，該中子星內部發生某種不尋常的事。」

含有帶電粒子的超流體也是超導體，意味超流體能起如同完美導電體的作用，因而絕不會喪失能量。上述新發現強烈暗示，該恆星核心中殘餘的質子處於超流體狀態，由於具有電荷，因而也形成超導體。

俄羅斯聖彼得堡loffe研究所的Peter Shterning是論文被英國《皇家天文協會通告月刊》(the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)採納的另一支研究團隊領導人，他宣稱：「錢德拉X-射線觀測衛星發現仙后星座A中子星迅速冷卻，是此類中子星核心事實上由超流體及超導物質組成的首度直接證據。」

這兩支團隊證實，上述溫度迅速冷卻起因於，該中子星在被發現前約100年內，核心中產生了中子超流體。預期冷卻會持續幾十年，而後減緩下來。

於地球上，物質在接近絕對零度的極低溫度下，開始發生超流動性。不過，於中子星內，能在接近攝氏10億度的溫度下出現超流動性。迄今，在估測此臨界溫度上，有著極大的不確定性。該項新研究將臨界溫度局限於攝氏5億到10億度間。

仙后星座A將使研究人員們得以驗證，束縛亞原子粒子的強核力(strong nuclear force)於超稠密物質中，如何起作用的模型。就瞭解中子星中，包括自轉突變(glitches)、中子星進動(precession：旋轉軸方位的改變)、磁星爆發(magnetar outbursts)及中子星磁場的演變等一系列變化而言，上述結果也是重要的。

被稱為自轉突變之中子星自旋速度的小幅突然改變，先前已提供了中子星外殼中有超流動性之中子的證據。由於中子星外殼密度比核心密度低很多，因而來自仙后星座A的最新訊息揭露了，有關該中子星超稠密之內部區域的新資訊。

冷卻的仙后星座A中子星是由來自加拿大阿爾伯塔大學(the University of Alberta, Canada)的合撰人Craig Heinke及來自英國南安普敦大學(the University of Southampton, UK)的Wnee Ho，於2010年首度發現的。該項研究是天文學家們首次測定一顆年幼中子星的冷卻速度。

原文網址：NASA’S Chandra Finds Superfluid in Neutron Star’s Core
翻譯：peregrine | 本文原發表於PEREGRINE科學點滴