[論文レビュー] Cooling neutron stars with localized protons

D. A. Baiko, P. Haensel|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高密度で陽子が局在化すると仮定するもとで中性子星の冷却を調査している。陽子の局在化は熱的および輸送特性を顕著に変化させる。モデルは、特にゲミンガに対して、軽い水素大気を含めることによってのみ、ベラ、PSR 0656+14、ゲミンガの観測された表面温度を再現できる。これは、陽子の局在化が冷却を遅らせ、理論と観測を一致させることを示している。

ABSTRACT

We analyze cooling of neutron stars, assuming the presence of localized protons in the densest region of their cores. Choosing a single threshold density for proton localization and adjusting neutron star mass, we reproduce the observational data on effective surface temperatures of Vela and PSR 0656+14, with or without an accreted hydrogen envelope. However, the presence of a tiny hydrogen envelope is mandatory, in this model, for reproducing the Geminga data.

研究の動機と目的

• 中性子星コアにおける陽子の局在化が、孤立中性子星の観測された有効表面温度を説明できるかどうかを評価すること。
• 局在化した陽子が熱伝導度、ニュートリノ発光度、冷却 timescale に与える影響を特定すること。
• プロトン局在化モデル下で観測データに一致させるために、軽い水素大気が必要かどうかを検証すること。
• プロトン局在化シナリオが、既存の中性子星冷却観測と整合性を持つかどうかを評価すること。
• 観測温度データに適合するための臨界密度および星の質量のパラメータ空間を制限すること。

提案手法

• 中性子星コアに UV14+TNI 方程式状態 (EOS) を採用し、クライストに NW73 および BPS71 EOS を使用する。
• Levenfish ら (LSY99) の冷却コードを用いて、原始から現在の年齢までの中性子星の進化をシミュレートする。
• Paper I (Baiko & Haensel 1999) の結果を応用し、局在化した陽子を含む物質の輸送特性（熱伝導度、ニュートリノ発光度など）を扱う。
• プロトンの局在化は臨界密度 ρlp ≈ 4ρ₀ 以上で発生すると仮定し、高密度領域では陽子分率 xp が減少するとする。
• 観測温度データに適合させるために、中心密度 ρc、臨界密度 ρlp、陽子分率 xp0、大気質量 ΔM を変化させる。
• Vela、PSR 0656+14、ゲミンガの観測誤差範囲と冷却曲線を比較し、大気なしおよび大気ありの両モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度で陽子がコアに局在化する場合、中性子星の冷却が観測された表面温度と整合することができるか？
• RQ2 プロトン局在化モデル下で、ゲミンガのような中性子星の有効温度を説明するために、軽い水素大気は果たすどのような役割を果たすか？
• RQ3 標準モデルと比較して、プロトン局在化は熱伝導度およびニュートリノ発光度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 観測データに適合するための臨界密度 ρlp および中性子星質量 M にどのような制限を課すことができるか？
• RQ5 プロトン局在化シナリオは、ベラ、PSR 0656+14、ゲミンガの観測温度と整合性を持つか？

主な発見

• 局在化した陽子を含むモデルは、水素大気の有無に関わらず、ベラおよび PSR 0656+14 の観測された有効表面温度を再現できる。
• ゲミンガに関しては、観測温度を説明するために水素大気（質量 ΔM = 10⁻¹⁰ M☉）が不可欠であり、モデルは質量が 1.5 M☉ 以上のものが必要である。
• ρlp = 4.3ρ₀ および M = 1.61 M☉ の冷却曲線は、3 つの源のすべての気体大気温度誤差範囲を同時に貫通する。
• 大気がない場合、モデルはゲミンガの温度を説明できず、この源では大気の効果が極めて重要であることが示された。
• ρlp–M 平面上の許容パラメータ領域は、ΔM ≥ 10⁻¹⁰ M☉ の範囲では大気質量にほとんど依存しない。
• プロトン局在化は、標準的な T⁻¹ 依存性ではなく、温度に依存する熱伝導度（κ ∝ T）をもたらし、熱的平衡化が約 2 時間隔で遅れる。