[論文レビュー] Dissipative superfluid relativistic magnetohydrodynamics of a multicomponent fluid: the combined effect of particle diffusion and vortices

Vasiliy A. Dommes, M. E. Gusakov|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 86被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、中性子星における多成分超流動/超伝導系の統一的で散乱性のある相対論的磁気流体力学（MHD）フレームワークを提示する。粒子拡散およびストローム・ダイナミクス（Feynman-OnsagerおよびAbrikosov渦）を含む。熱力学的フラックスに基づいて線形かつOnsager対称性を持つ散乱項を導出し、有限温度における超流動性・超伝導性を有する中性子星の磁熱的進化、振動、不安定性を一貫してモデル化可能である。

ABSTRACT

We formulate dissipative magnetohydrodynamic equations for finite-temperature superfluid and superconducting charged relativistic mixtures, taking into account the effects of particle diffusion and possible presence of Feynman-Onsager and/or Abrikosov vortices in the system. The equations depend on a number of phenomenological transport coefficients, which describe, in particular, relative motions of different particle species and their interaction with vortices. We demonstrate how to relate these transport coefficients to the mutual friction parameters and momentum transfer rates arising in the microscopic theory. The resulting equations can be used to study, in a unified and coherent way, a very wide range of phenomena associated with dynamical processes in neutron stars, e.g., the magnetothermal evolution, stellar oscillations and damping, as well as development and suppression of various hydrodynamic instabilities in neutron stars.

研究の動機と目的

• 中性子星内の多成分超流動/超伝導混合系に対して、一貫性のある散乱的相対論的MHD理論を構築すること。
• 常温状態における相対論的・有限温度系として、通常物質間の粒子拡散およびそれらと渦（Feynman-OnsagerおよびAbrikosov）との相互作用を組み込むこと。
• 従来の非散乱的相対論的MHDモデルを、拡散、粘性、相互摩擦効果を体系的に含める形で拡張すること。
• 磁場の進化、振動、流体力学的不安定性を含む中性子星のダイナミクスをモデル化するための実用的かつ即時利用可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 保存則および熱力学的原則を用いて、一次の散乱的相対論的MHD方程式を導出する。
• 粒子拡散、渦の抵抗、相互摩擦のための擬似経験的輸送係数を導入し、エントロピー生成が非負となるように保証する。
• Onsagerの相反関係を適用して、散乱項の熱力学的整合性を確保する。
• 下から上への手法により、輸送係数を微視的相互摩擦パラメータおよび運動量移動率と関連付ける。
• CarterおよびGD16の変分形式を、相対論的・多成分・超流動/超伝導系における散乱効果を含む形に適応する。
• フレームワークが流体力学的領域で有効であることを検証し、高周波モードにおける因果性の問題が生じる可能性があるが、実用的シミュレーションではこれをフィルタリングしていることを指摘する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多成分超流動/超伝導混合系に粒子拡散および渦を含む散乱的相対論的MHDを一貫してどのように定式化できるか？
• RQ2 相対的粒子拡散および渦の抵抗が、中性子星の磁熱的進化に果たす役割は何か？
• RQ3 微視的理論から得られる相互摩擦および運動量移動率が、巨視的MHD方程式における経験的輸送係数にどのように対応するか？
• RQ4 渦-粒子相互作用が、中性子星の振動および磁場進化の安定性とダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 統一的フレームワークは、強い磁場を有する回転中性子星核における超流動的流体ダイナミクスと電磁気的進化を同時に記述できるか？

主な発見

• 本稿は、粒子拡散および渦ダイナミクスを含む多成分超流動/超伝導系の完全な散乱的相対論的MHD方程式のセットを導出している。
• 経験的輸送係数と微視的相互摩擦パラメータおよび運動量移動率との間の直接的な対応関係を確立している。
• Onsagerの相反関係と非負のエントロピー生成を通じて、熱力学的整合性を確保している。
• 方程式は、磁場の緩徐的進化、振動の減衰、流体力学的不安定性の抑制といった、広範な中性子星現象に適用可能である。
• 従来の非散乱的相対論的MHD形式を拡張し、拡散および粘性効果を含めることで、中性子星モデリングにおける重要な空白を埋めている。
• 理論は流体力学的領域で有効であり、数値的シミュレーションによる中性子星進化の解析に使用可能であり、高周波モードの不安定性は実用的実装に従いフィルタリングされる。