[論文レビュー] Ferromagnetic Phase Transitions in Neutron Stars

J. P. W. Diener|arXiv (Cornell University)|May 31, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中性子星物質における強磁性相転移を、バリオンの磁気双極子モーメントおよび電荷-磁場結合を明示的に含む量子ハドロン力学（QHD）を用いて調査する。その結果、Landau準位遷移に伴い特定の密度で強磁性磁場が急激に跳躍することが判明し、質量-半径関係に顕著な変化をもたらさないものの、中性子星の磁気的性質に顕著な影響を与えることが示された。

ABSTRACT

The ferromagnetic phase in pure neutron matter as well as charge neutral, beta-equilibrated nuclear matter is considered. We employ Quantum Hadrodynamics, a relativistic field theory description of nuclear matter with meson degrees of freedom, and include couplings between the baryon (proton and neutron) magnetic dipole moment as well as between their charge and the magnetic field in the Lagrangian density describing such a system. We vary the strength of the baryon magnetic dipole moment till a non-zero value of the magnetic field, for which the total energy density of the magnetised system is at a minimum, is found. The system is then assumed to be in the ferromagnetic state. The ferromagnetic equation of state is employed to study matter in the neutron star interior. We find that as the density increases the ferromagnetic field does not increase continuously, but exhibit sudden rapid increases. These sudden increases in the magnetic field correspond to shifts between different configurations of the charged particle's Landau levels and can have significant observational consequences for neutron stars. We also found that although the ferromagnetic phase softens the neutron star equation of state it does not significantly alter the star's mass-radius relationship. The properties of magnetised symmetric nuclear matter were also studied. We confirm that magnetised matter tends to be more proton-rich but become more weakly bound for stronger magnetic fields. We show that the behaviour of the compressibility of nuclear matter is influenced by the Landau quantisation and tends to have an oscillatory character as it increases with the magnetic field. The symmetry energy also exhibits similar behaviour.

研究の動機と目的

• 極めて強い磁場下における高密度の中性子物質に強磁性がどのように出現するかを調査すること。
• バリオンの磁気双極子モーメントおよび電荷-磁場結合が中性子星における状態方程式に与える影響をモデル化すること。
• 中性子星内部で自発的磁化が生じる条件を特定すること。
• 強磁性転移がマグネタールやその他の中性子星現象に与える観測的意義を評価すること。
• Landau量子化が磁化された核物質における圧縮率および対称性エネルギーをどのように変化させるかを分析すること。

提案手法

• 中性子物質内の核力相互作用を記述するため、メソン交換を伴う相対論的場理論（QHD）を用いる。
• ラグランジアンにバリオンの磁気双極子モーメントと磁場との明示的結合、およびバリオンの電荷と電磁場との結合を含める。
• 地面状態を解き、磁場構成を自己無撞着に決定するために、相対論的平均場（RMF）近似を用いる。
• バリオンの磁気双極子モーメントの強度を変化させ、非ゼロの磁場を持つ最小エネルギー状態を特定し、強磁性秩序を示す。
• 荷電フェルミ粒子のLandau量子化を考慮した粒子密度、エネルギー密度、圧力、スカラー密度を計算する。
• 得られた強磁性状態方程式を中性子星内部に適用し、質量-半径関係および放射特性に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な中性子物質において、どのような条件下で自発的強磁性相転移が発生するか？
• RQ2 Landau準位遷移は、高密度で磁化された中性子星物質における磁場の振る舞いにどのように影響を与えるか？
• RQ3 強磁性は中性子星の状態方程式および質量-半径関係にどのような影響を与えるか？
• RQ4 Landau量子化は、磁化された核物質における圧縮率および対称性エネルギーにどのように作用するか？
• RQ5 中性子星における磁場の急激な跳躍は、特にマグネタールにおいて、観測的にどのような結果をもたらすか？

主な発見

• 強磁性磁場は、Landau準位状態間の遷移に伴い、特定の密度で急激に上昇するが、連続的な上昇とは異なる。
• これらの急激な磁場の跳躍は、Landau準位内の荷電粒子の量子数分布の変化と直接関連しており、準位的転移を示唆している。
• 強磁性相は状態方程式をやや軟らかくするが、中性子星の質量-半径関係に顕著な変化をもたらさない。
• 磁化された対称核物質は、磁場強度が増加するにつれて、より陽子を多く含み、結合エネルギーが小さくなる。
• Landau量子化効果により、磁場強度が増加するに従い、核物質の圧縮率に振動的挙動が現れる。
• 対称性エネルギーに対しても、磁場強度に伴う振動的変化が観察され、これはLandau準位量子化が核力に与える影響を反映している。