[論文レビュー] How long-range interactions tune the damping in compact stars

Kai Schwenzer|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

High-pressure geophysics and materials参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、遮蔽されていない磁気グルーオンに起因する非フェルミ液体効果を伴う長距離相互作用が、密なクォーク物質における体積粘性を顕著に増大させ、その共鳴ピークをシフトさせ、減衰を数個のオーダー増大させることを示している。この増大した減衰は、コンパクト星におけるrモード振動を安定化させ、観測された低質量X線連星（LMXB）で高い回転周波数を示す天体が、標準理論で予測されるrモード不安定性領域を避ける理由を説明する。これは、このような強い相互作用補正が含まれる場合にのみ観測データと整合する。

ABSTRACT

Long-range interactions lead to non-Fermi liquid effects in dense matter. We show that, in contrast to other material properties, their effect on the bulk viscosity of quark matter is significant since they shift its resonant maximum and can thereby change the viscosity by many orders of magnitude. This is of importance for the damping of oscillations of compact stars, like in particular unstable r-modes, and the quest to detect signatures of deconfined matter in astrophysical observations. We find that, in contrast to neutron stars with standard damping mechanisms, compact stars that contain ungapped quark matter are consistent with the observed data on low mass x-ray binaries.

研究の動機と目的

• 長距離グルオン的相互作用に起因する非フェルミ液体効果が、密なクォーク物質の体積粘性に与える影響を調査すること。
• これらの相互作用が、理論的rモード不安定性予測と、ゆっくり回転する低質量X線連星（LMXB）の観測結果との間にある乖離を解消できるかどうかを特定すること。
• ギャップのないクォーク物質相における減衰の増大が、高周波数でのrモードの安定化を可能にし、天体物理学的観測データと整合するかどうかを評価すること。
• rモードの飽和および重力波放射の文脈において、クォーク物質の減衰効果を標準的なハドロンモデルと比較すること。

提案手法

• 本研究では、密なクォーク物質における非レプトン的 $d + u \leftrightarrow u + s$ 反応の弱い相互作用率の計算を、遮蔽されていない磁気グルーオンに起因する非フェルミ液体（NFL）補正を含めるように拡張した。
• NFL挙動を示す修正されたクォーク分散関係を採用した：$p_i \approx p_{Fi} + v_{Fi}^{-1}\left(\left(1 + \sigma\log\left(\frac{\Lambda}{E_i - \mu_i}\right)\right)(E_i - \mu_i) - \delta\mu_i\right)$、ここで $\sigma \sim \alpha_s$ かつ $\Lambda \sim 0.28m$ である。
• 修正された分散関係を用いて、$\mu_\Delta \ll T$ の低温度領域で体積粘性を計算した。これによりフェルミ面付近の状態密度が増加し、弱い相互作用率が変化する。
• 非摂動的効果をモデル化するため、強い結合 $\alpha_s = 1$ を用いたハード密度ループ（HDL）近似を採用した。その結果、NFL補正が摂動的補正を上回ることが示された。
• 1.4\,M_\odot の星に対するrモード不安定性領域を計算し、標準的なハドロン的減衰とNFL増強クォーク物質減衰を比較した。
• 観測データ（LMXBから得たもの）と比較することで、理論的予測が観測された高回転周波数と整合するかどうかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遮蔽されていない磁気グルーオンによる長距離相互作用が、密なクォーク物質における分散関係および状態密度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 これらの相互作用に起因する非フェルミ液体効果が、ギャップのないクォーク物質の体積粘性をどの程度増大させるか？
• RQ3 NFL効果に起因する増大した体積粘性が、コンパクト星におけるrモードを安定化させ、観測された低質量X線連星の回転周波数を説明できるか？
• RQ4 観測されたLMXBが $T \lesssim 10^7\,\text{K}$ かつ高回転率であるにもかかわらず、標準モデルで予測されるrモード不安定性領域を避ける理由は何か？
• RQ5 観測データとの整合性が、クォーク物質における強い相互作用補正がなければ達成できないのか。それとも、ハドロン的メカニズムでも観測結果を説明できるのか？

主な発見

• 遮蔽されていない磁気グルーオンに起因する非フェルミ液体効果は、フェルミ面付近の状態密度を顕著に増大させ、ギャップのないクォーク物質における体積粘性を強く増大させる。
• NFL補正により、関連する温度および周波数領域で体積粘性の共鳴ピークがシフトし、その大きさが多数のオーダー増大する。
• 強い結合（$\alpha_s = 1$）の下で、ギャップのないクォーク物質における増大した減衰は、1.4\,M_\odot の星において観測領域の外側にrモード不安定性領域を押し出す。これはLMXBの観測データと整合する。
• 一方、標準的なハドロン的モデル（Urca過程による剪断粘性および体積粘性）では、観測された多数のLMXBが不安定性領域内に位置づけられ、観測結果と矛盾する。
• NFL増強クォーク物質による減衰が提供する安定性領域は、$\sim$300 Hz の回転周波数および $T \lesssim 10^7\,\text{K}$ を示すパルサーが存在しないこと（それらがrモード成長に対して不安定であるため）を強固に説明する。
• 結果はハイブリッド星および一部のギャップのないクォークを有する色超伝導相に一般化可能であるが、長距離色相互作用を有さないハイパーヌ星には適用できない。