[論文レビュー] Phase Transitions in Dense Baryonic Matter and Cooling of Rotating Neutron Stars

Fridolin Weber, Rodrigo Negreiros|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、密度の高いバリオン物質における回転駆動型相転移（例：クォーク・ハドロン転移や凝集体形成）が中性子星の熱的進化に与える影響を調査する。一般相対性理論に基づく星の回転と熱的進化の連成計算コードを用いて、スピンアップ／スピンダウンの過程で顕在する顕在熱の放出や冷却チャネルの変化が表面温度に影響を与えることが示され、これが奇妙なコア状態の観測可能な痕跡を示す可能性がある。

ABSTRACT

New astrophysical instruments such as skA (square kilometer Array) and IXO (formerly Constellation X) promise the discovery of tens of thousands of new isolated rotating neutron stars (pulsars), neutron stars in low-mass X-ray binaries (LMXBs), anomalous X-ray pulsars (AXPs), and soft gamma repeaters (SGRs). Many of these neutron stars will experience dramatic density changes over their active lifetimes, driven by either stellar spin-up or spin-down, which may trigger phase transitions in their dense baryonic cores. More than that, accretion of matter onto neutron stars in LMXBs is believed to cause pycno-nuclear fusion reactions in the inner crusts of neutron stars. The associated reaction rates may be drastically altered if strange quark matter would be absolutely stable. This paper outlines the investigative steps that need to be performed in order to explore the thermal response of neutron stars to rotationally-driven phase transitions in their cores as well as to nuclear burning scenarios in their crusts. Such research complements the exploration of the phase diagram of dense baryonic matter through particle collider experiments, as performed at RHIC in the USA and as planned at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany.

研究の動機と目的

• 中性子星の回転変化（例：LMXBにおけるスピンアップ、ミリ秒パulsarにおけるスピンダウン）が、高密度バリオン物質における相転移を引き起こす仕組みを理解すること。
• 回転する中性子星コアにおけるクォーク・ハドロン転移や凝集体相転移に伴う顕在熱放出の熱的影響を調査すること。
• 奇妙なクォーク物質のナゲットが存在する場合、地殻におけるピクノ核反応速度がどのように変化するかを評価し、熱的進化に与える影響を明らかにすること。
• 軟X線トランジエンス（例：SAX J1808.4–3658）における吸着・静穏サイクルの間の、吸着中性子星の熱的応答をモデル化すること。
• 原始中性子星進化におけるコア-地殻境界の不安定性と結晶化の役割を調査すること。

提案手法

• 2次元一般相対性理論に基づく星の回転コードを用い、回転周波数の関数として計量関数、フレーム・ドレージング周波数、密度勾配、および粒子組成を計算する。
• 回転コードの出力を2次元一般相対性理論に基づく熱的進化コードに結合し、ニュートリノ発光度、比熱、熱伝導度を含むエネルギー保存方程式を解く。
• 温度勾配、回転に起因する項（例：∂rΩ、∂θΩ）、相対論的補正を含む非等方的熱フラックスを含む熱的進化方程式を実装する。
• 密度と回転の関数として顕在熱の放出と冷却チャネルの変化（例：ハイパーフォトン、クォーク、凝集体寄与）を用いて相転移をモデル化する。
• 孤立パulsarおよび吸着系におけるスピンアップ／スピンダウンサイクルの間の熱的応答をシミュレートし、一時的吸着段階を含む。
• 図6に示すように、修正された反応速度計算を用いて、地殻における奇妙なクォーク物質ナゲットがピクノ核反応速度に与える影響を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転エネルギーの損失または蓄積が、中性子星の高密度コアにおける相転移をどのように誘発するか。その結果生じる熱的痕跡は何か。
• RQ2 回転する中性子星におけるクォーク・ハドロン転移や凝集体相転移に伴う顕在熱放出によって、表面温度にどのような観測可能な変化が生じるか。
• RQ3 奇妙なクォーク物質ナゲットが存在する場合、内側地殻におけるピクノ核反応速度はどのように変化するか。その熱的影響は何か。
• RQ4 SAX J1808.4–3658のような軟X線トランジエンスの中性子星の熱的進化は、スピンアップに続く圧縮率の低下によってコア組成の変化を露呈できるか。
• RQ5 熱電気的不安定性とコア-地殻の結晶化は、原始中性子星の初期熱的進化においてどのような役割を果たすか。

主な発見

• 中性子星における回転駆動型密度変化（最大60％）が相転移を引き起こし、コア組成と冷却行動を変化させることを示した。
• クォーク・ハドロン相転移に伴う顕在熱放出が、回転する中性子星の熱的進化を顕著に変化させ、観測可能な温度の急上昇を引き起こす可能性がある。
• 地殻に奇妙なクォーク物質ナゲットが存在する場合、ピクノ核反応速度が著しく変化することが、56Feおよび118Kr反応のシミュレーション（図6）で示された。
• LMXBでスピンアップを経験する吸着中性子星は、コアの圧縮率低下により奇妙な相（例：K−凝集体、クォーク物質）が破壊され、その結果熱的進化が変化することがある。
• SAX J1808.4–3658のような軟X線トランジエンスの中性子星の静穏状態における熱放射は、回転変化がニュートリノ放出チャネルを変化させることで、コア組成のプローブとして有効である。
• コア-地殻境界における熱電気的不安定性は、原始中性子星の熱的進化において、特に初期冷却段階で顕著な役割を果たす可能性がある。