[論文レビュー] Neutron star cooling: Theoretical aspects and observational constraints

D. Yakovlev, Oleg Y. Gnedin+3 more|Jun 6, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は中性子星冷却理論をレビューし、ニュートリノ放出および超流動性の理論的モデルを、孤立中性子星およびソフトX線トランジエンスからの観測データと結びつける。質量の大きな中性子星におけるニュートリノ放出の増強—直接ウルカ過程や異常相の可能性—が、観測された熱光度を説明しており、SAX J1808.4–3658における静止状態での検出不能な熱放射は、異常物質のシナリオよりも核子ベースのモデルを支持する。

ABSTRACT

The cooling theory of isolated neutron stars is reviewed. The main cooling regulators are discussed, first of all, operation of direct Urca process (or similar processes in exotic phases of dense matter) and superfluidity in stellar interiors. The prospects to constrain gross parameters of supranuclear matter in neutron-star interiors by confronting cooling theory with observations of isolated neutron stars are outlined. A related problem of thermal states of transiently accreting neutron stars with deep crustal heating of accreted matter is discussed in application to soft X-ray transients.

研究の動機と目的

• ニュートリノ放出および超流動性が中性子星冷却をどのように制御するかを評価すること。
• 理論的冷却モデルを孤立中性子星およびソフトX線トランジエンス（SXRTs）の観測と照らし合わせること。
• 熱進化データを用いて、中性子星の状態方程式および内部組成を制約すること。
• 降着中性子星における深部クライストールドの加熱が、熱的状態の決定に与える影響を調査すること。
• SXRTsにおける観測された熱光度が、異常物質相を支持するか、標準的な核子コアを支持するかを特定すること。

提案手法

• 時間に依存する温度プロファイルおよび重力赤方偏移補正を含む一般相対性理論的熱拡散方程式を解く。
• 熱平衡方程式：$ C_{\rm tot}(\widetilde{T}) \frac{d\widetilde{T}}{dt} = -L^{\infty}_{\nu}(\widetilde{T}) - L^{\infty}_{\gamma}(T_{\rm s}) $ を使用し、$ \widetilde{T} $ は赤方偏移された温度である。
• 修正ウルカおよびブレムストラール過程によるニュートリノ発光度をモデル化し、直接ウルカおよび異常相（例：パイオン/カリオン凝縮、クォーク物質）による発光度の増強を扱う。
• 定常状態の深部クライストールド加熱下で、孤立中性子星の冷却曲線および降着中性子星の加熱曲線を計算する。
• 理論的光度-温度関係を、SXRTs（例：Aql X–1、Cen X–4、KS 1731–26、SAX J1808.4–3658）における観測された静止状態X線光度と比較する。
• 重力赤方偏移を観測比較に組み込むために、見かけの光度 $ L^{\infty}_{\gamma} $ および効果的温度 $ T^{\infty}_{\rm s} $ を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星内部で支配的な冷却調節要因は何であり、それが熱的進化にどのように影響するか？
• RQ2 超流動性および直接ウルカ過程は、ニュートリノ発光度および冷却速度にどのように影響するか？
• RQ3 孤立中性子星およびSXRTsの観測された熱光度は、高密度物質の状態方程式を制約できるか？
• RQ4 静止状態における降着中性子星の熱的状態は、異常相（例：クォーク物質、凝縮）を支持するか、それとも標準的な核子コアを支持するか？
• RQ5 SAX J1808.4–3658の観測された熱的性質は、中性子星コアの性質について何を示唆するか？

主な発見

• Cen X–4のNSは、質量の大きな星のすべての限界加熱曲線の上に位置し、核子の直接ウルカまたは異常相からのニュートリノ放出の増強を示唆している。
• Aql X–1および4U 1608–52のNSは、超流動コアを有する低質量モデルで最もよく説明され、冷却が遅いことと整合する。
• KS 1731–26の降着率の不確実性は、コアの組成を曖昧に保つが、同様にニュートリノ放出の増強を要する可能性がある。
• SAX J1808.4–3658における静止状態の熱放射の非検出は、$ L^{\infty}_{\gamma} $ の上限を設定し、異常物質よりも核子ベースのモデルを支持する。
• 確認されれば、SAX J1808.4–3658の観測された熱的状態は、異常相（例：クォーク物質、パイオン/カリオン凝縮）を含むモデルを排除し、オープンな直接ウルカ過程を有する核子コアを支持する。
• 観測によって、弱い3P2中性子超流動（Tcn ~ 2×10⁸–2×10⁹ K）を伴う理論的モデルは除外される。これは、中性子星があまりに冷たくなってしまうためである。