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《中子星物理导论》及其使用介绍 精选

已有 3299 次阅读 2024-3-21 15:45 |系统分类:教学心得

《中子星物理导论》及其使用介绍

 

《中子星物理导论》一书于2022年底由科学出版社出版。这是一本主要面向天文学和物理学等相关专业高年级本科生及研究生的教材,旨在阐述中子星相关概念的由来和发展、全景式地展示中子星模型的基本框架。全书包括一个绪论和十章内容,其中前三章介绍物态、结构以及热演化等中子星的基本物理属性,第四、五章阐述了脉冲星观测的主要结果和中子星产生电磁辐射的理论基础,最后第六到第十章则扩展性地介绍了中子星星风、中子星双星、磁陀星、引力波以及超新星爆发等相关内容。书中内容的撰写特别注重与本科基础物理知识的衔接,尽量避免过于艰深复杂的计算,同时适当介绍了与理论相关的中子星观测表现,使之形象化具体化,但不追求对全部观测结果的详尽描述。

对于爱好物理的学生而言,他们在学习天文学相关知识的时候一般都不太会满足于仅仅对天文现象的表面了解,而常常希望弄清楚现象背后的物理原理。从这个角度来说,中子星研究既涉及到物质的最深层次结构、广义相对论的时空观以及极端电磁场环境等物理学最前沿知识,又在很多方面与本科所学物理理论存在紧密联系。具体举例来说,统计物理是我们描述中子星物态和热力学属性的基本手段,而对脉冲星辐射机制的描述则完全属于电动力学的范畴。同时,中子星相关的天文现象还常常涉及双星演化、物质吸积、爆发和激波作用等多种基本天体物理过程。因此,这是一个非常适合天文学研究生和物理学本科生的授课主题,既有助于他们更好地体会和巩固所学物理知识的内涵和价值,也方便他们较为顺利地切入到天体物理研究领域。《中子星物理导论》一书的章节也正是基于这样的考虑来安排的。

在具体的教学工作中,我所采用的教学体系首先是以人们认识中子星这一概念的自然逻辑为主线,通过回答五个层次递进的问题来展开(对应书本前五章),可供使用本书教学的同仁参考。具体有:

1. 什么是中子星?有没有质子星?以恒星演化末期的核心塌缩为切入点,在简单介绍白矮星的基础上提出中子星的理论设想,探讨在核饱和密度之上可能的物质组分。据此指出物质组分对密度的强烈依赖,顺带讲解不同密度下原子核结构的可能变化,从而使学生认识到中子星可能具有的分层结构。

2. 中子星是否可以稳定存在?重点探讨费米气体的统计属性,并从力学平衡的角度(建立TOV方程)论证中子星的存在可能性。具体来说,需要计算简并压并将其代入TOV 方程以获得中子星的物质分布情况和质量半径关系。对于大三大四正在学习或已经学完了统计物理的学生而言,这部分内容正好提供了一个实践平台,因而是教学的重点内容之一。并且,结合TOV 方程的求解,可以跟学生讨论有关常微分方程数值求解的问题。还可以结合多方物态假设,讲解参数化方法在科学研究中的重要作用。

3. 如何寻找中子星或者说中子星发什么光?基于一般的恒星观测经验,首先想到中子星的发光性质同样也决定于它们的温度,因而引申出热演化的问题。热传递方程是《数学物理方法》课程讲解的三大方程之一,所以对学生来说不会太过陌生,我们可以把重点放在热传递系数的物理推导上。同时,针对含时的热传递方程,我们也可以适时介绍数值求解偏微分方程的相关理念,鼓励学生尝试开展数值计算。根据热演化的计算结果,我们可以指出X射线观测的必要性和历史困难,进而转入到上世纪60 年代X 射线天文学的兴起。

4. 脉冲星就是中子星:怎么释放能量?以上世纪60年代射电天文的大发展为背景,介绍射电脉冲星的发现历史和有关射电观测的一些基本概念(如脉冲到达时间、色散量等)。理论方面,可主要基于灯塔模型探讨两个问题,一是什么天体可以转得这么快(根据$P$的观测)?二是它的旋转为什么会减慢(根据$\dot{P}$的观测)?前一个问题自然导出脉冲星就是中子星的结论,而后一个问题则引申出中子星的磁场及其磁偶极辐射。这个时候,教学的重点就落到了中子星相关的电动力学问题上,一是计算均匀磁化球的磁场结构,二是计算旋转磁偶极子的电磁辐射,它们均属于电动力学的经典问题。根据计算结果,可使学生明白如何从脉冲星观测来确定其磁场强度和年龄,进而确定中子星模型解释脉冲星观测的主体框架。

5. 脉冲星就是中子星:如何产生脉冲辐射?鉴于中子星的磁偶极辐射并不能直接用来解释脉冲星的射电观测,引导学生思考电磁场和等离子体的耦合问题,从而引申出中子星磁层的概念。基于无力场假设,分析说明磁层间隙和加速区的存在。在此基础上,我们再回顾电动力学中有关运动带电粒子产生电磁辐射的内容,可对加速产生的相对论性电子的同步辐射和曲率辐射进行介绍,最终为脉冲星的射电脉冲辐射给出理论解释。

通过对上述五个问题的递进分析,我们可以实现从理论到观测再到理论的逻辑闭环,因而是整个课程讲解的核心内容。在课堂上不做详细数学推导的情况下,大概至少需要10个课时讲清楚其中的概念和逻辑。在课时充足的情况下,可以在物态和结构的不确定性、具体计算方法特别是在数值计算举例等方面做更细致的展开。

上述内容的安排主要遵循从第一性原理出发展开逻辑推理的思路,但天文学和天体物理的主要研究方法更多地还是开展天文观测再基于观测开展理论建模。因此,为了能够更好地描述中子星可能具有的观测表现,我们还很有必要讨论它们和外部环境、其它天体之间的关系和相互作用,主要可在如下三个方面进行拓展(对应书本后五章):

1. 中子星星风及其作用。紧接着前面对磁层的介绍,我们可以将相关讨论扩展到光速圆柱以外,探讨耦合了等离子体的玻印廷流向无穷远处的演化,从而提出相对论性星风的概念。在此基础上,一方面我们可以探讨中子星星风对超新星遗迹的作用,并进而讨论极端情况下对超新星爆发本身以及伽马射线暴等剧烈爆发过程的影响。二是可以关注处于双星系统中的中子星,其星风与伴星星风的相互作用(包括大质量伴星、小质量伴星等不同情况),并将其与伽马射线双星、蜘蛛类脉冲星等对象相联系。

2. 物质吸积和强磁场效应。既然上面已经提到了双星系统这样特定的天体物理对象,那么自然也就有必要对其轨道运动以及相互之间可能的物质转移(吸积过程)进行介绍。通过引入吸积盘、吸积柱等概念,介绍中子星在X射线波段的重要观测表现,特别是物理内涵丰富的各种爆发现象(如X射线热核暴)。与此同时,从X 射线暴的角度又将自然引申出磁陀星的概念,结合相关观测结果,使学生定性了解极强磁场可能带来的特殊效应。

3. 引力波。最后,在有关双星轨道运动的认知基础上,可继续联系到若干重要的广义相对论效应和引力波辐射问题。进而结合最新的引力波探测,探讨中子星研究的新视角和新方法,回归到物态和结构等核心物理问题。

从课程内容的逻辑一致性考虑,对上述内容的讲解仍然可以物理推演为主要手段,而不采用实际中广泛存在的基于观测驱动的视角。不过,在具体的讲解过程中,物理推演将主要以数学计算和定性分析相结合的方式进行,因为系统的复杂程度使得对物理图像的完全解析表达变得异常困难乃至不可能。对这些拓展内容的讲解需至少6-8个学时,因此整个课程在最简洁的情况下可以按照1 学分来设置,可以把主要的模型框架讲完。但如果有2学分32学时的话,应该就可以对相关的天文观测历史和结果做比较详细的介绍。

《中子星物理导论》是在我从事近二十年天体物理研究工作[1]并在华中师范大学面向天文学专业研究生和物理学专业本科生开设中子星相关课程[2]的经历和经验基础上形成的。在教学实践中,鉴于手头并没有一本现成的教材可以完全切合我的这些教学安排[3],我从2020年开始历时三年对积累的教学素材进行了编撰[4],最终形成了这本书。考虑到其中的内容大多从物理原理出发进行论述,因而称为物理,而未冠之以天体物理。且这些内容一般描述了它们最基本的形式,因而称之为导论是最为合适的,希望能够为初学者进入中子星研究领域提供入门的导引。

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注释:

[1] 我于2004年前后开始进入天体物理学的研究领域,最早接触的研究课题便是有关奇异夸克星的结构和演化,主要关注星体内部的物理问题。自2006年起开始研究伽马射线暴现象,其中的一项主要工作也是探讨中子星作为伽马暴能源对其余辉辐射造成的影响,因研究所需而学习了与中子星相对论性星风形成和演化相关的一些理论模型。2009年博士毕业后,我开始思考中子星作为能源在各种极端爆发现象中可能扮演的重要角色,也为检验中子星内部物理探索一条可能的新路子。因此除了伽马暴,我还进一步研究了超亮超新星、快变蓝色光学暂现源、白矮星吸积诱导塌缩等现象,特别是在引力波电磁对应体日益受到关注的背景下提出了由并合后中子星供能的并合新星(mergernova)模型。在这些过程中,我就顺带对引力波相关的内容做了一些了解,并同时开始关注中子星在双星系统中的一些行为。与此同时,近十年来我还在快速射电暴方面开展了一些研究工作,并因此对脉冲星辐射机制和磁星爆发机制进行了较为深入的学习。通过这些研究经历,我对中子星的各个方面慢慢都有了或多或少的认识,在脑子里形成了一个大概的体系。

[2] 伴随着研究工作的进行,我在华中师范大学为天体物理专业的研究生开设了《脉冲星与中子星》课程。并自2017 年开始,作为学院本科教学课程体系改革的一个部分,我将该课程和《高能天体物理》一起作为选修课同时面向物理学专业的本科生开设,为对天文学感兴趣以及有志于在这一方向继续深造的学生提供一个了解天体物理研究基本特点的窗口。

[3] 手头能够找到的国内外已经出版的中子星或脉冲星相关书籍大多是面向前沿研究的专著,其区分无非是在理论和观测方面具有不同的侧重,对基础物理知识一般甚少着墨,因而很难直接作为教材使用。最接近教学需求的著作或属S. L. Shapiro S. A. Teukolsky 撰写的《黑洞、白矮星和中子星:致密天体物理》。不过,这本经典著作的内容极为丰富,应用于具体的教学过程不太好驾驭,且对于本科课程来说时间上也是不允许的。此外,这本书成书于1983年,未能反映最近四十年来人们对中子星的一些新认识,尽管中子星主要的理论体系确实在四十年前已基本确立。

[4] 2020年上半年,在新冠疫情的影响下,我只能在武汉家中进行网络教学,因为少了很多事务性的工作而多了不少可自由支配的时间。于是就有了教学积累的内容资料系统整理出来的冲动,最主要的动机也是觉得可以写出来传给在家上课的学生,便于他们课后理解消化。写作过程总体上还比较顺利,大概花了完整一个月的时间,写完了接近一百页的主体内容。到8月份的时候,大概又增加了几十页,完成了全书十章内容,还增加了绪论。当时,科学出版社的周涵编辑恰好来信约稿,于是就和她商定了出版的计划。第二年3 月,我将书稿打印装订了几十本分发给上课的学生,希望通过授课的过程来进一步查漏补缺。随后的暑假,我再将书稿寄送给各地的同行专家,请求他们审阅指正。有多位老师给我回复了详细的修改建议,使我颇为感动,并根据他们的建议大幅度改进了书稿。2022年初,我按照约定向出版社提交了初稿,随后进入了三校三修的过程。期间于2022年暑假,最后一次对全书内容特别是数学推导进行了核对检查。从动笔到出版前后历时三年,其中大概有半年的完整时间完全消耗在了这件事中。

 



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