[論文レビュー] Crustal heating in accreting neutron stars from the nuclear energy-density functional theory. I. Proton shell effects and neutron-matter constraint

A. F. Fantina, J. L. Zdunik+4 more|Lirias (KU Leuven)|Jun 11, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 85被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、核エネルギー密度関数形理論（EDF）を用いて、降着中の中性子星の外皮加熱をモデル化し、陽子殻効果と中性子物質の状態方程式（EoS）制約を明示的に組み込む。その結果、特にZ=14における殻閉じ効果が内皮における加熱の主要因となり、全外皮加熱が1.5–1.7 MeVに達するが、これは核構造の現実的効果を反映した結果であり、従来のモデルよりも顕著に高い値であることが判明した。

ABSTRACT

Observations of soft X-ray transients in quiescence suggest the existence of heat sources in the crust of accreting neutron stars. Heat is thought to be released by electroweak and nuclear processes triggered by the burying of ashes of X-ray bursts. The heating is studied using a fully quantum approach taking consistently into account nuclear shell effects. We have followed the evolution of ashes made of $^{56}$Fe employing the nuclear energy-density functional theory. Both the outer and inner crusts are described using the same functional, thus ensuring a unified and thermodynamically consistent treatment. To assess the role of the neutron-matter constraint, we have employed the set of accurately calibrated Brussels-Montreal functionals BSk19, BSk20, and BSk21 and for comparison the SLy4 functional. Due to nuclear shell effects, the fully accreted crust is found to be much less stratified than in previous studies. In particular, large regions of the inner crust contain clusters with the magic number $Z=14$. The heat deposited in the outer crust is tightly constrained by experimental atomic mass data. The shallow heating we obtain does not exceed $0.2$~MeV and is therefore not enough to explain the cooling of some soft X-ray transients. The total heat released in the crust is very sensitive to details of the nuclear structure and is predicted to lie in the range from $1.5$~MeV to $1.7$~MeV. The evolution of an accreted matter element and therefore the location of heat sources are governed to a large extent by the existence of nuclear shell closures. Ignoring these effects in the inner crust, the total heat falls to $\sim 0.6$~MeV. The neutron-matter constraint is also found to play a key role. The large amount of heat obtained by Steiner et al. (2012) could thus be traced back to unrealistic neutron-matter equations of state.

研究の動機と目的

• 降着中の中性子星の静止期における外皮加熱の起源と分布を理解すること。
• 特に陽子殻閉じ効果が内皮における加熱の分布に与える影響を評価すること。
• 中性子物質の状態方程式（EoS）制約が全外皮加熱に与える影響を評価すること。
• 以前のモデル（例：HZ、Steiner 2012）と、ソフトX線トランジエンスからの観測制約との不一致を解明すること。
• 同一のEDFを用いて外皮と内皮を熱力学的に一貫した統一的記述を提供すること。

提案手法

• ブルッセル・モンス関数形（BSk19, BSk20, BSk21）を用いた核エネルギー密度関数形（EDF）理論を採用し、比較のためSLy4を用いた。
• ペアリングおよび物質中効果を含めた自己無撞着なEDF計算を用いて、56Feの燃え殻が外皮層を通過する過程を追跡した。
• 降着経路に沿って電子捕獲、中性子放出・吸収、およびピクノ核反応による加熱発生を計算した。
• 外皮における反応を制約するため、実験的原子質量データを用い、観測された核質量と整合性を保った。
• 外皮と内皮の境界を定義するために、Chamel & Fantina (2016a) の中性子ドリップ密度および圧力の解析的公式を適用した。
• 殻効果の影響を分離するために、Mackie & Baym (1977) の可変液体滴模型（CLDM）と結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z=14における陽子殻効果が、内皮における外皮加熱の分布と大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ2 中性子物質の状態方程式が、外皮に蓄積される全加熱にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 なぜ以前のモデル（例：HZ、Steiner 2012）は観測制約よりも外皮加熱を過大評価しているのか？
• RQ4 EDF理論における核殻効果の組み込みは、冷蔵キャピラリー外皮と比較して、蓄積外皮の層構造と組成にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 実験的原子質量データは、外皮における加熱蓄積を制約するために果たす役割は何か？

主な発見

• 特に魔法数Z=14に起因する核殻効果により、内皮に大規模で広範なクラスター領域が形成され、従来のモデルと比較して層構造が緩和される。
• EDF計算により、全外皮加熱は1.5–1.7 MeVにきわめて厳密に制約され、BSk19–BSk21およびSLy4の結果は一貫性を示す。
• 実験的質量制約により、外皮加熱は≤0.2 MeVに制限され、一部のソフトX線トランジエンスにおける浅い加熱を説明するには不十分である。
• CLDM（MB）モデルでは殻効果が欠落しているため、全加熱は約0.6 MeVにまで低下し、殻閉じの重要性が明確に示された。
• Steinerら（2012）が報告した高い加熱値は、現実的でない中性子物質EoSおよび経験的殻パラメータ化に起因し、物理的現実とは一致しない。
• EDFに基づく外皮加熱は、密度~1.6×10¹² g cm⁻³におけるLauら（2018）の結果と良好に一致するが、より高い密度では、物質修正殻効果を一貫して扱うため、乖離が生じる。