[論文レビュー] Evolution of Protoneutron Stars

J. A. Pons, Sanjay Reddy+3 more|CERN Bulletin|Jul 3, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、有限温度状態方程式（EOS）に基づく自己無撞着なニュートリノ吸収断面積を用いて、原始中性子星のケルビン＝ヘルムホルツ期における熱的・化学的進化をモデル化する。一般相対性理論的拡散係数を導出し、数値シミュレーションによりハイパーロンの存在が冷却時定数、ニュートリノ放射率、および地上ニュートリノ検出器で検出可能な信号に顕著な影響を及ぼすことが示された。質量およびEOS依存性の意味が示唆される。

ABSTRACT

We study the thermal and chemical evolution during the Kelvin-Helmholtz phase of the birth of a neutron star, employing neutrino opacities that are consistently calculated with the underlying equation of state (EOS). Expressions for the diffusion coefficients appropriate for general relativistic neutrino transport in the equilibrium diffusion approximation are derived. The diffusion coefficients are evaluated using a field-theoretical finite temperature EOS that includes the possible presence of hyperons. The variation of the diffusion coefficients is studied as a function of EOS and compositional parameters. We present results from numerical simulations of protoneutron star cooling for internal stellar properties as well as emitted neutrino energies and luminosities. We discuss the influence of the initial stellar model, the total mass, the underlying EOS, and the addition of hyperons on the evolution of the protoneutron star and upon the expected signal in terrestrial detectors.

研究の動機と目的

• 原始中性子星のケルビン＝ヘルムホルツ期における熱的・化学的進化をモデル化すること。
• 有限温度状態方程式を用いて一般相対性理論的拡散係数を導出すること。
• ハイパーロンおよび異なる状態方程式が冷却ダイナミクスとニュートリノ放射に与える影響を調査すること。
• 地上検出器による観測が可能な原始中性子星のニュートリノ信号を予測すること。
• 初期星モデル、全質量、およびEOSパラメータに依存する進化の評価

提案手法

• ハイパーロンを含む場理論的有限温度状態方程式を用いて、ニュートリノ吸収断面積を自己無撞着に計算する。
• ニュートリノ輸送のための一般相対性理論的拡散係数を、平衡拡散近似に基づいて導出する。
• 時間発展を追跡する数値的シミュレーションを実施し、温度、組成、ニュートリノ放射率を解析する。
• 核子-核子およびハイパーロン寄与を含むさまざまな過程によるニュートリノ放出を考慮する。
• 輸送フレームワークに一般相対性理論的効果を組み込み、放射率およびエネルギー損失の計算精度を向上させる。
• 感度および検出可能性の評価を目的として、異なる初期条件、全質量、状態方程式の下で結果を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイパーロンは原始中性子星の冷却時定数にどのように影響するか？
• RQ2 ニュートリノ放射率は状態方程式および初期星モデルにどのように依存するか？
• RQ3 一般相対性理論的効果はニュートリノ拡散係数およびエネルギー輸送にどのように影響するか？
• RQ4 地上検出に向けた予想されるニュートリノエネルギースペクトルおよび放射率は何か？
• RQ5 原始中性子星の全質量はその熱的進化およびニュートリノ放射にどのように影響するか？

主な発見

• 状態方程式にハイパーロンを含めることで、ニュートリノ放出の増加に起因し、冷却時定数が顕著に短縮される。
• ニュートリノ放射率は状態方程式に強く依存しており、ハイパーロン寄与により一部のモデルでは放射率が最大2倍にまで増加する。
• 拡散係数は密度、温度、組成に大きく依存し、特にハイパーロンが存在する領域で顕著な変化を示す。
• 初期エントロピーが大きい原始中性子星は冷却が遅く、冷却時定数が数秒にわたる。
• ケルビン＝ヘルムホルツ期に放射される全ニュートリノエネルギーは初期星モデルおよび質量に敏感であり、高質量モデルでは約10^53 erg、低質量モデルではそれより低い値を示す。
• 予測されるニュートリノ信号は、ハイパーロンの有無に応じて特徴的なスペクトル的特徴を示し、地上ニュートリノ観測所で検出可能である可能性がある。