[論文レビュー] Internal temperatures and cooling of neutron stars with accreted envelopes

A. Y. Potekhin, G. Chabrier+1 more|ArXiv.org|Jun 16, 1997

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 8被引用数 58

ひとこと要約

本稿では、H、He、C、Oで構成された付着した被膜の更新された状態方程式および熱伝導率を組み込んだことで、中性子星の冷却に対する洗練されたモデルを提示している。最小限の付着（≥10⁻¹⁶ M☉）でさえも、熱的構造および冷却の進化を顕著に変化させ、ニュートリノ冷却期には効果的温度が上昇し、光子冷却期には低下する。

ABSTRACT

The relationships between the effective surface (T_e) and internal temperatures of neutron stars (NSs) with and without accreted envelopes are calculated for T_e > 5 imes10^4 K using new data on the equation of state and opacities in the outer NS layers. We examine various models of accreted layers (H, He, C, O shells produced by nuclear transformations in accreted matter). We employ new Opacity Library (OPAL) radiative opacities for H, He, and Fe. In the outermost NS layers, we implement the modern OPAL equation of state for Fe, and the Saumon-Chabrier equation of state for H and He. The updated thermal conductivities of degenerate electrons include the Debye-Waller factor for the electron-phonon scattering in solidified matter, while in liquid matter they include the contributions from electron-ion collisions (evaluated with non-Born corrections and with the ion structure factors in responsive electron background) and from the electron-electron collisions. For T_e < 10^{5.5} K, the electron conduction in non-degenerate layers of the envelope becomes important, reducing noticeably the temperature gradient. The accreted matter further decreases this gradient at T_e > 10^5 K. Even a small amount of accreted matter (with mass > 10^{-16} Msun) affects appreciably the NS cooling, leading to higher T_e at the neutrino cooling stage and to lower T_e at the subsequent photon stage.

研究の動機と目的

• 現代の状態方程式および付着被膜の熱伝導率を組み込むことで、中性子星の熱的進化の理解を深めること。
• 軽元素（H、He、C、O）の付着が、内部温度（T_b）と表面温度（T_eff）の関係（T_b – T_eff）および冷却速度に与える影響を調査すること。
• 高度な透過率および伝導率処理を用いることで、従来のモデルを5×10⁴ Kまでの低い効果的温度まで拡張すること。
• 極めて小さな付着（例：10⁻¹⁶ M☉）が中性子星の冷却行動および観測的特徴に与える影響を定量化すること。
• 多様な付着および重力条件に適用可能な、T_bの関数としてのT_effの解析的フィッティング式を提供すること。

提案手法

• H、He、C、Feの更新されたOPAL放射透過率を用い、古くはるいLos Alamos透過率を置き換える。
• 現代の状態方程式を適用：外層部にはFeに対してOPAL、H/Heに対してSaumon–Chabrierを用いる。
• 電子熱伝導率モデルを改善し、固体相ではデバイ・ワラー因子、液体相ではイオン構造因子を用いた非ボーン補正を組み込む。
• 更新された輸送係数を用いて、熱的構造方程式（d log T / d log P ∝ P K / g T⁴）を解き、T_b – T_eff関係を計算する。
• 広範な温度および密度範囲で有効な、T_b、表面重力g、付着質量ΔMの関数としてのT_effの解析的フィッティング式を導出する。
• 標準的および強化されたニュートリノ放射シナリオの下で冷却進化をシミュレートし、付着および内部物理に依存する感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽元素（H、He、C、O）の付着が、中性子星におけるT_b – T_eff関係にどのように影響を与えるか？
• RQ2 極めて小さな付着（例：ΔM ≈ 10⁻¹⁶ M☉）が、中性子星の冷却進化および表面温度に与える影響は何か？
• RQ3 更新されたOPAL透過率および電子熱伝導率モデルが、熱的構造および冷却速度に与える影響は？
• RQ4 付着被膜の組成（例：Fe 対 H/He）が、熱的断熱性および冷却時間スケールに与える影響はどの程度か？
• RQ5 解析的フィッティング式は、多様な付着および重力条件においてT_eff – T_b関係を正確に記述できるか？

主な発見

• わずか10⁻¹⁶ M☉の付着質量でさえも、中性子星の冷却に顕著な影響を与え、ニュートリノ冷却期にはT_effを上昇させ、光子冷却期には低下させる。
• 非縮重層での電子伝導は、T_eff < 10⁵.⁵ Kで重要になり、温度勾配を低下させ、熱的断熱性を向上させる。
• 液体被膜における電子-イオン散乱の計算精度を高めるために、非ボーン補正およびイオン構造因子を組み込むことで、熱伝導率の計算が改善された。
• 固体物質におけるデバイ・ワラー因子は、電子-フォノン散乱を低減させ、結果として熱伝導率を低下させ、温度勾配を増大させる。
• T_effの解析的フィッティング式（式A7–A10）は、広範なパラメータ範囲でT_b – T_eff関係を典型的に2–3%の誤差、最大で5.2%の誤差で再現している。
• 高温のT_bでは、熱的断熱性は、軽元素が重い元素に燃焼する深く高温の層に支配され、被膜の組成が冷却進化に重要な役割を果たす。