[論文レビュー] Neutrino-pair bremsstrahlung by electrons in neutron star crusts

A. D. Kaminker, C. J. Pethick+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 1998

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、中性子星の皮膚における相対論的デゲネレート電子によるニュートリノ対ブレムストラールングの包括的分析を提示する。液体相ではクーロン散乱を、固体相ではフォノンおよび静的格子寄与を考慮する。多フォノン過程の精密な取り扱いと電子バンド構造効果を導入し、放射率が結晶構造に大きく依存しないが、融点付近ではデュイー・ウォーラー要因および多フォノン効果により著しく抑制されることを示す。静的格子寄与は高密度域で核の形状および形因数に最も敏感である。

ABSTRACT

Neutrino-pair bremsstrahlung by relativistic degenerate electrons in a neutron-star crust at densities (10^9 - 1.5x10^{14}) g/cm^3 is analyzed. The processes taken into account are neutrino emission due to Coulomb scattering of electrons by atomic nuclei in a Coulomb liquid, and electron-phonon scattering and Bragg diffraction (the static-lattice contribution) in a Coulomb crystal. The static-lattice contribution is calculated including the electron band-structure effects for cubic Coulomb crystals of different types and also for the liquid crystal phases composed of rod- and plate-like nuclei in the neutron-star mantle (at 10^{14} - 1.5x10^{14} g/cm^3). The phonon contribution is evaluated with proper treatment of the multi-phonon processes which removes a jump in the neutrino bremsstrahlung emissivity at the melting point obtained in previous works. Below 10^{13} g/cm^3, the results are rather insensitive to the nuclear form factor, but results for the solid state near the melting point are affected significantly by the Debye-Waller factor and multi-phonon processes. At higher densities, the nuclear form factor becomes more significant. A comparison of the various neutrino generation mechanisms in neutron star crusts shows that electron bremsstrahlung is among the most important ones.

研究の動機と目的

• 密度範囲 10^9 から 1.5×10^14 g cm⁻³ にわたる中性子星の皮膚におけるニュートリノ対ブレムストラールングを正確にモデル化すること。特に固体相を対象とする。
• 従来のモデルに見られる不整合を解消するため、多フォノン散乱過程を組み込み、融点における放射率の物理的に不自然な不連続性を排除すること。
• 電子バンド構造および核の形因数が、特に皮膚の底近くで非球形核を有する異常相において、静的格子寄与に与える影響を評価すること。
• 基底状態および付加物質の両方に対して適用可能な信頼性の高い解析的フィットを提供し、中性子星の冷却モデルを支援すること。

提案手法

• 有効場理論および多体摂動論を用いて、液体相および固体相におけるニュートリノ放射率の形式的取り扱いを展開する。
• フォノン寄与は、Baiko et al. (1998) が提唱した新しい手法を用い、多フォノン過程を含める。これにより、融点遷移における放射率の不連続性が回避される。
• 静的格子寄与は、体心立方（bcc）、面心立方（fcc）、六方最密充填（hcp）のクーロン結晶に対して、電子バンド構造効果を完全に取り入れた評価が行われ、電子分散関係にギャップを含む。
• 核が棒状および板状をとる領域（ρ ≥ 10^14 g cm⁻³）における物質の記述を可能にする、滑らかな組成モデルを導入する。これにより、核の形因数の正確な取り扱いが可能になる。
• 基底状態および付加物質の両方に対して放射率を計算し、実用的な天体物理学的モデリングに適した解析的フィット（式40）が得られた。
• 電子スクリーニングおよび誘導過程の効果を含み、中性子物質における超伝導性および対相関ギャップの影響にも注意を払った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多フォノン過程の取り入れが、中性子星の皮膚における融点付近のニュートリノ放射率にどのように影響するか？
• RQ2 電子バンド構造効果は、結晶性皮膚における静的格子寄与のニュートリノ対ブレムストラールングをどの程度抑制するか？
• RQ3 10^14 g cm⁻³ 以上の密度域において、核の形因数および非球形核の形状は放射率にどのように影響するか？
• RQ4 皮膚密度範囲にわたるフォノン寄与と静的格子寄与の相対的寄与度は何か？他のニュートリノ放出機構と比較するとどうなるか？
• RQ5 基底状態および異常核相にわたる皮膚全体にわたって正確に保たれる単純な解析的フィットを放射率について導出可能か？

主な発見

• 多フォノン過程の取り入れにより、融点における物理的に不自然な放射率の不連続性が解消され、液体相と固体相の間で滑らかな遷移が実現される。
• 静的格子寄与は電子バンド構造効果により著しく抑制され、特に融点付近で顕著である。高密度域では核の形因数に最も敏感である。
• 密度 ρ ≤ 10^14 g cm⁻³ の範囲では、放射率は結晶構造（bcc, fcc, hcp）にほとんど依存せず、格子の種類が全放射率に顕著な影響を与えないことが示された。
• 皮膚の底近く（ρ ≥ 10^14 g cm⁻³）では、電子バンド構造効果と核の形因数の両方の効果が重なり合い、特に棒状・板状核を有する相では放射率が低下する。
• フォノン寄与は密度が増加するにつれて減少し、高密度域では重要性を失う一方、静的格子寄与は固体相で支配的である。
• 球形核を有する基底状態物質の放射率について、解析的フィット（式40）が提供された。これは ρ ≤ 10^14 g cm⁻³ に対して信頼できる推定値を提供し、10^14 ≤ ρ ≤ 1.4×10^14 g cm⁻³ に対しては保守的な上限としても有効である。