中子星：宇宙中的极端天体

中子星：宇宙中的极端天体

中子星是一种由中子组成的极端致密天体，其形成、演化和物理特性一直是天文学研究的重要课题。本文将从多个方面介绍这种神秘天体的基本特征。

1. 形成和演化

大质量恒星（> 8 倍太阳质量）在演化末期会发生核坍缩型超新星爆炸，大部分恒星物质会被抛射到宇宙空间中形成超新星遗迹，而在其中心会留下一个富含铁的致密核。在极强引力的作用下，原子核被压碎，核外电子与原子核里的质子结合成中子，形成一个巨大的中子天体。如果这个天体的质量小于TOV极限，中子简并压可以与引力达到平衡，就会演化为中子星；否则，它会继续坍缩形成恒星级黑洞。

中子星形成后会高速自转，也被称为脉冲星。初期主要通过中微子辐射快速损失能量，随后以坡印亭流和脉冲星风的形式缓慢释放能量，导致自转逐渐减慢。孤立的中子星最终会停止辐射，成为"死"中子星。而在双星或多星系统中的中子星，可以通过吸积伴星物质来补充能量，演化过程更为复杂。

2. 密度和磁场

中子星是宇宙中密度极高的天体，典型中子星的质量约为1个太阳质量（约$2\times10^{30}$千克），但半径只有约10公里，平均密度达到$10^{14} , \rm g , cm^{-3}$，是水密度的一百万亿倍。其史瓦西半径约为3公里，仅为其表面半径的三分之一，说明中子星非常接近坍缩成黑洞的状态。

中子星表面磁场极其强大，源于其前身星的磁场。前身星表面磁场约为100高斯，半径约$10^6$千米。坍缩成中子星后，半径缩小至原来的$1/10^5$，根据磁通量守恒，中子星表面磁场增强至前身星的$10^{10}$倍，即$10^{12}$高斯。某些中子星表面磁场甚至可达$10^{15}$高斯，远超地球磁场（不到1高斯）和人造磁场（约$10^5$高斯）。

中子星磁场结构类似地球磁场，有北磁极、南磁极和磁轴。磁轴与自转轴通常不重合，导致磁场随自转高速转动并产生辐射。脉冲星辐射主要由磁场中带电粒子加速产生的同步辐射或曲率辐射，这些粒子在磁极附近加速，因此辐射呈双锥形分布。磁极随脉冲星自转扫过地球时形成脉冲信号，使我们在地球上观测到规律的脉冲。

图 1：脉冲星磁场以及辐射

参考文献：
[1] Oppenheimer J R, Volkoff G M. On Massive Neutron Cores[J/OL]. Physical Review, 1939, 55(4):374-381. DOI: 10.1103/PhysRev.55.374.
[2] 图片来自于 Jake Parks, Atmospheres are key to pulsar-proofing exoplanets。链接：图片网址