[論文レビュー] Neutrino emission due to Cooper pairing of nucleons in cooling neutron stars

D. G. Yakovlev, A. D. Kaminker+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 40

ひとこと要約

本稿は、超流動性中性子星コアにおける中性子および陽子のコープアー対形成がもたらすニュートリノ放射を調査し、低温において中性子対形成がニュートリノ発光度を著しく増大させ、標準的および急速冷却を加速することを示している。主な発見は、このメカニズムにより、中程度の超流動性を仮定した標準的冷却モデルを用いても、6個の観測された中性子星の表面温度を一貫して説明可能となり、長年の冷却理論における不一致を解消することである。

ABSTRACT

The neutrino energy emission rate due to formation of Cooper pairs of neutrons and protons in the superfluid cores of neutron stars is studied. The cases of singlet-state pairing with isotropic superfluid gap and triplet-state pairing with anisotropic gap are analysed. The neutrino emission due to singlet-state pairing of protons is found to be greatly suppressed with respect to the cases of singlet- and triplet-state pairings of neutrons. The neutrino emission due to pairing of neutrons is shown to be very important in the superfluid neutron-star cores with the standard neutrino luminosity and with the luminosity enhanced by the direct Urca process. It can greatly accelerate both, standard and enhanced, cooling of neutron stars with superfluid cores. This enables one to interpret the data on surface temperatures of six neutron stars, obtained by fitting the observed spectra with the hydrogen atmosphere models, by the standard cooling with moderate nucleon superfluidity.

研究の動機と目的

• 超流動性中性子星コアにおける中性子および陽子のコープアー対形成に起因するニュートリノエネルギー放射率を分析すること。
• 標準的および直接ウルカ過程と比較して、コープアー対に起因するニュートリノ放射が中性子星冷却に与える相対的寄与を評価すること。
• このメカニズムが、孤立中性子星の観測された表面温度と理論的冷却モデルの間の不一致を解消できるかを同定すること。
• 中性子星冷却シミュレーションにコープアー対ニュートリノ放射を組み込むための定量的フレームワークを提供すること。

提案手法

• BCS型超流動性理論を用いて、核子のsinglet状態（1S0）およびtriplet状態（3P2）におけるコープアー対形成に起因するニュートリノ発光度率を導出すること。
• 3つの状況について発光度を計算する：(A) singlet状態のnn対形成、(B) mJ=0 を持つtriplet状態のnn対形成、(C) mJ=2 を持つtriplet状態のnn対形成。
• さまざまな密度および温度における、導出された発光度を標準的過程（修正ウルカ、核子-核子ブレムストラール放出）および直接ウルカ過程と比較すること。
• コア全域で固定された状態方程式と一定の臨界温度 Tcn および Tcp を用いて、1.30 M☉の中性子星の冷却モデルに新しい発光度を組み込むこと。
• 観測された6個の中性子星の表面温度に、水素大気モデルを用いて冷却曲線をフィッティングすること。
• 超流動パラメータ（Tcn、Tcp）のわずかな変化が冷却進化および観測適合に与える影響を評価する感度分析を実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子および陽子のコープアー対形成は、中性子星コアにおけるニュートリノ発光度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 超流動性中性子星における、コープアー対に起因するニュートリノ放射の、全ニュートリノ放射出力に占める相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 このメカニズムにより、直接ウルカ過程による急速冷却を仮定しなくても、孤立中性子星の観測された表面温度を説明できるか？
• RQ4 冷却進化は、中性子および陽子の超流動臨界温度の変動に対してどの程度感度を示すか？
• RQ5 コープアー対ニュートリノ放射を含めた場合、標準的冷却モデルと中程度の超流動性を仮定することで、観測された熱的データを再現できるか？

主な発見

• singlet状態の陽子対形成に起因するニュートリノ放射は、中性子対形成と比較して著しく抑制され、ほとんどの冷却状況では無視できる。
• mJ=2 を持つtriplet状態の中性子対形成（3P2）に起因するニュートリノ放射は顕著に増大し、T ≲ Tcn ≪ Tcp の条件下で他の過程を上回る。
• T ≲ Tcn ≪ Tcp の条件下では、中性子コープアー対形成に起因するニュートリノ放射が、標準的冷却シナリオでさえも冷却を数個のオーダー加速させる。
• コープアー対ニュートリノ放射を組み込むことで、1本の冷却曲線が同時に5個の中性子星の観測表面温度をフィット可能とし、このメカニズムがないと不可能であった。
• モデルは、微視的多体計算と整合的な中程度の超流動臨界温度（Tcn ~ 10^9 K、Tcp ~ 10^10 K）で観測を説明可能である。
• 冷却曲線が Tcn および Tcp のわずかな変化に敏感であることは、観測から超流動パラメータを制約する強力なツールを提供する。