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1、超强磁场下电子气体性质 和 磁星的X-射线光度彭秋和(南京大学天文系)问题1)大多数中子星观测到的1011-1013高斯的强磁场的物理原因?2)磁星(1014-1015gauss)的物理本质?3)磁星高X-射线光度?4)磁星的活动性:x-射线耀斑(Flare);x-射线短爆发(Burst)?(短时标)我们已有的工作背景我们计算发现:中子星观测到的1011-1013高斯的强磁场实质上来源于中子星内超相对论强简并电子气体的Pauli顺磁磁矩产生的诱导磁场。中子反常磁矩电子磁矩Qiu-hePengan
2、dHaoTong,2007,“ThePhysicsofStrongmagneticfieldsinneutronstars”,Mon.Not.R.Astron.Soc.378,159-162(2007)我们计算发现:磁星超强磁场来自在原有本底(包括电子Pauli顺磁磁化)磁场下，各向异性中子超流体3P2中子Cooper对的顺磁磁化现象。ProceedingsofScience(NucleusinCosmos,X,2008,189)问题:1)磁星的高x-射线光度---本文探讨的问题2)某些磁星的x
3、-射线耀斑Landauquantizationn=0n=1n=4n=3n=2n=5n=6pzpLandau柱面Theoverwhelmingmajorityofneutronscongregatesinthelowestlevelsn=0orn=1,whenTheLandaucolumnisaverylongcylinderalongthemagneticfiled,butitisverynarrow.Theradiusofitscrosssectionisp.Morethemagneti
4、cfiledis,morelongandmorenarrowtheLandaucolumnis.ppz超强磁场下EF（e）将明显增高。WhatistherelationofEF(e)withB?根据Pauli原理，在完全简并状态下,单位体积内所有可能的微观状态数密度等于物质中电子数密度。由此估算EF（e）同B的关系主要思路在磁场下的Landau理论（非相对论）求解在磁场下非相对论Schrödinger方程的结论:Landau&Lifshitz,§112(pp
5、.458-460)：1）在均匀磁场下自由电子的能量为(Landau能级)：2）沿磁场方向动量在pz-pz+dpz间隔内电子气体可能的微观状态数目为(推导过程中利用了非相对论回旋运动方程的解)磁场下电子的非相对论回旋频率(Larmor频率)ωB:垂直于磁场方向电子的能量为量子化的(n为量子数,σ为电子自旋)()在相对论情形下，上述两个结论都需修改在强磁场下Landau能级能量的相对论表达式n:quantumnumberoftheLandauenergyleveln=0,1,2,3……(当n=0时,
6、只有σ=-1)(电子Bohr磁矩)强磁场下Landau能级是量子化的。中子星和白矮星内电子高度简并状态情形：电子气体的Fermi能远远超过电子的静止能量:EF>>mec2,通过求解磁场下相对论的Dirac方程，在相对论情形下（包括超强磁场）的Landau能级为:遇到的困难在磁星超强磁场情形Landau能级的非相对论理论中关于电子气体的微观状态数目的推论(Landau–Lifshitz教科书上(p.460)的第二个结论)需要修正。原书中关于电子气体的微观状态数目的推导过程中利用了非相对论电子回旋运
7、动(回旋频率为(h/2π)ωB的解。统计权重（关于微观状态数目）问题在非相对论的Landau理论中，沿磁场方向动量在pzpz+dpz间隔内、单位体积内电子气体可能的微观状态数目为:如果把它用于计算中子星内几乎完全简并电子气体的可能的微观状态数目,就会导出同前述物理图像完全矛盾的错误结论。理由如下:我们按照统计物理的常规方法计算中子星内单位体积内电子气体可能的微观状态数目为Landau–Lifshitz§112(p.460)错误推论及其原因按照Pauli不相容
8、原理,在完全简并的电子气体内,单位体积内电子可能的微观状态数目就等于电子的数密度其中Ye为电子丰度((5-8)%),ρ为物质质量密度。这个结论同前述“磁场愈强、Landau柱面愈狭长。在确定的电子数密度条件下,Fermi能量(沿磁场方向的动能)愈高”合理分析图象完全相反。原因:当磁场强度时利用非相对论电子回旋运动的解获得的Landau推论不再适用,需要重新讨论。教科书中方法在某些统计物理教科书中,采用如下方法来计算统计权重:在沿磁场方向动量在pzpz+dpz间隔内、单位体积内电子气体可能的微
