毫秒脈衝星吸收足夠的伴星物質會像 Ⅰa 型超新星一樣爆發嗎?

白矮星吸收伴星的物質到最後會發生超新星爆發,那換成中子星會怎麼樣?毫秒脈衝星就是吸收伴星物質從而自轉加速的,它們吸收足夠的物質後會怎麼爆發?


謝 @Yui Yoshioka 邀。
這問題很有趣。先說簡單的結論,我認為不會。
超新星爆發的基本過程是這樣的:
首先是核塌縮型超新星。失去了熱壓的恆星在重力的作用下開始塌縮(核心區高溫高密度產生的光致電離和中微子反應也為增加核的不穩定性作出了巨大的貢獻),內層的物質先落到核心處,核心質量變大,不斷被壓縮(簡併態物質的半徑和質量負相關)。密度達到核物質密度的時候核心停止壓縮,開始反彈並撞上了外層的物質,外層物質又反彈並撞上更外層的物質...從而產生了激波。激波攜帶的能量把外層的物質都吹跑,這就是核塌縮型超新星爆發。
題主提到的機制不可能發生這種類型的爆發。因為脈衝星已經是核物質密度了,吸積落上去的物質不足以產生激波,不過會有別的效應,接下來會提到。
但超新星不僅有核塌縮型的啊,還有Ia型超新星,它的前身星就是白矮星(雖然到底是單簡併還是雙簡併還沒搞清楚),看上去大有可為。但我認為這種機制恐怕也不行。
我們來看看Ia型超新星怎麼回事。
和Ia型超新星爆發密切相關的概念是簡併態物質中的不穩定核燃燒。這是因為簡併態物質的壓強和溫度無關,只和密度有關。以電子為例,當恆星中的電子氣體達到簡併態時,引力由簡併壓平衡,這時核反應釋放的能量轉為光度和內能。但是簡併電子氣體的內能只和密度有關,幾乎不變,因此內能全部用來增加非簡併的離子的溫度;由於核反應速率對溫度敏感(見我之前的回答),光度在短時間內急劇上升。不過溫度上升到一定程度的時候電子解除了簡併態,快速膨脹並冷卻,重新達到平衡。這種由於簡併氣體中不穩定的核燃燒導致的短時間內光度增加的現象叫flash,例如有helium flash,carbon flash等等。
Ia型超新星的爆發原理和flash相似。在Chandrasekhar極限附近,簡併氣體的密度很大(10^9 g/cm的量級),即使溫度不高也能點燃碳燃燒,從而導致溫度上升;由於在Chandrasekhar極限附近的電子氣體簡併太強,要溫度達到10^10 K的量級才可以解除簡併,因此整個恆星的物質都開始發生劇烈的核燃燒而不膨脹,並且這個燃燒波面向外傳播,導致超新星爆發。由於這些核燃燒釋放的能量在10^51 erg的量級,比白矮星的束縛能更大,Ia型超新星爆發連殘骸都不會留下。
這下我們可以看到超新星爆發的原理了:發生在簡併氣體中的核燃燒。中子星除了中子外啥都沒有(可能有部分電子,質子之類的),根本燒不起來,所以估摸著也不會發生超新星爆發吧...

那麼難道脈衝星吸積傍星後啥都不會發生?其實不是的,不能變成超新星(supernova),但可以變成新星(nova) 啊。如果說超新星是發生在簡併氣體核心處的燃燒,新星就是發生在表面處的燃燒。氣體落在白矮星表面,質量增加到一定程度的時候會發生不穩定燃燒導致短時間的光度增加並被拋射出去,這種現象稱為新星。氣體落在白矮星上積累到能發生燃燒的時間段就是新星的周期,典型的時標是年,這取決於白矮星的質量和吸積速率。除了新星,還有矮新星(dwarf nova),這種新星的燃燒發生在吸積盤上。但這個課題我也不是很了解,就此打住。
中子星的吸積估計也會發生同樣的現象,而且周期會很短,不過也許是我讀的文獻太少,目前沒聽說過這種報道,希望有知道的大佬能補充一下。
(手機碼字導致語法亂七八糟的,將就著看吧233)


在Andrew Lyne的Pulsar Astronomy裡面翻到了一個東西叫X-ray burster,可能和這個問題有關,但是似乎不一定是脈衝星……大體上是20keV的X射線持續20s左右,被認為是中子星表面吸積引發的核爆炸。中子星表面吸積了氫之後會在底部發生比較穩定的核燃燒產生氦,大約1m厚,然後氦的底部也發生聚變。假如氫的供應很充足的話,氦的燃燒可能是不穩定的,然後就炸了……這本書裡面給了一個示意圖:

大約每一次flash需要吸積 10^{21}mathrm g 的氫,然後發出 10^{39}mathrm{erg} 能量。


中子星的逃逸速度達到光速一小半,引力勢能超過核聚變能幾個數量級(核聚變的能標好像只有0.02C)。落到中子星表面的物質經過這麼高能的洗禮,即使沒變成中子也被燒到沒法再燒了。

如果積累足夠多的物質,只有可能坍縮成黑洞。

然而黑洞只有三毛,中子星無比強大的磁場(恆星級別同步輻射加速器)留不下,所以應該會發生強大的磁爆。儘管總能量遠不及超新星,但足以產生快速射電暴和X射線爆發。而且這裡應該有個問題:中子星直徑很小,坍縮成黑洞的時間極短;但根據相對論在外界觀察者看來,物體落進黑洞需要無限長的時間。那麼磁場何時消失?各種輻射的波形應該什麼樣?

相對於雙中子星合併,干擾因素少很多,問題會更純粹一些。


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