[論文レビュー] Superfluidity in the Interiors of Neutron Stars

J. A. Sauls|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、中性子星の内部で、密度の高い核物質におけるクーペル対形成に起因する、超流動性の中性子と超伝導性の陽子が存在すると提案する。また、陽子の磁束線に起因するヴォルテックスピン留めが、パルサーのグルーブと回転減速挙動を説明できることを示しており、1つの接続あたり約0.1 MeVのピン留めエネルギーと、約10⁻³ rad/sの臨界ピン留め解除速度を想定している。これは、通常の流体モデルとは異なる回転ダイナミクスのメカニズムを提供する。

ABSTRACT

I review some of the ideas that have been proposed for the structure of neutron star interiors, and concentrate on the theoretical arguments for the existence of superfluidity in neutron stars. I also discuss the implications of neutron superfluidity and proton superconductivity for the rotational dynamics of pulsars, and review arguments that have been proposed for observable effects of superfluidity on the timing history of pulsars and perhaps other neutron stars. The Lecture notes also include discussions of several features that are unique to interacting superfluid-superconducting mixtures, as well as the magnetic structure of quantized vortices in spin-triplet ($^3$P$_2$) neutron superfluids.

研究の動機と目的

• BCS対形成メカニズムに基づき、中性子星内部における超流動性および超伝導性の理論的基盤を確立すること。
• 超流動性ヴォルテックスのダイナミクスとピン留めメカニズムを通じて、特にグルーブを示すパルサーの観測された回転挙動を説明すること。
• 中性子のヴォルテックスが陽子の磁束線にピン留めされる役割を調査し、地殻のピン留めモデルとは対照的な代替メカニズムを提示すること。
• 超流動性がパルサーの時計歴史および長期的回転減速進化に与える影響を評価すること。
• 中性子星における磁束線のダイナミクス、磁場の排除、超伝導状態の安定性に関する未解決の問題に取り組むこと。

提案手法

• BCS理論を用いて、密度の高い核物質における中性子および陽子のクーペル対形成をモデル化し、超流動および超伝導相を記述するための秩序パラメータ形式を採用する。
• ゴルコフ＝ナンブ形式を用いて、S波およびP波の対称性に注目し、超流動性中性子物質における対ギャップおよびエネルギー準位を記述する。
• 中性子超流動におけるヴォルテックスのダイナミクスをモデル化し、ヴォルテックス線の運動、陽子の磁束線へのピン留め、およびそれによる地殻への運動量移動を含む。
• 陽子の磁束線コアによる中性子密度の摂動を用いて、1つのヴォルテックス-磁束線交差あたりのピン留めエネルギーを推定する：εpin ~ 0.1 MeV/接続。
• ピン留め解除の臨界速度差δΩcrit ~ 10⁻³–10⁻² rad/sを評価し、ベラのようなパルサーの観測された回転減速率と比較する。
• ピン留めの異方的幾何学的配置を分析し、磁場軸の周囲の円錐領域にのみ強いピン留めが生じることで、有効な慣性モーメントが小さくなることを見出す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星内部における超流動性および超伝導性の理論的根拠は何か？また、多体量子効果によってどのように生じるのか？
• RQ2 中性子超流動内のヴォルテックス線と、超伝導コア内の陽子磁束線との相互作用は何か？その結果生じるピン留めエネルギーはどの程度か？
• RQ3 コア部の超流動におけるヴォルテックスピン留めは、地殻のピン留めに依存せずに、観測されたグルーブを説明できるか？
• RQ4 超伝導性中性子星コアにおける磁束の排除および再配置にかかる時間スケールは何か？また、パルサー進化にどのように影響するか？
• RQ5 ピン留め中心（磁束線）の異方的分布が、有効な慣性モーメントおよび超流動成分の回転減速挙動に与える影響は何か？

主な発見

• 中性子星における中性子超流動は、コア部の中性子のクーペル対形成に起因し、フェルミ粒子の一致した対形成を記述するマクロな秩序パラメータによって特徴づけられる。
• 陽子の超伝導性は、量子化された磁束線の形成をもたらし、これが中性子のヴォルテックスの広範なピン留め中心として機能する。
• ヴォルテックス-磁束線交差あたりのピン留めエネルギーの推定値は~0.1 MeVであり、これは超流動ヴォルテックスを安定化させる強いピン留めを示している。
• ヴォルテックスのピン留め解除の臨界速度差はδΩcrit ~ 10⁻³–10⁻² rad/sであり、ベラのようなパルサーの約2年間の回転減速率と同等である。
• 磁場軸の周囲の円錐領域に限定されたコア部の異方的ピン留めにより、ピン留めされた回転の有効慣性モーメントが小さくなり、これは小さなグルーブ振幅と整合的である。
• 地殻のピン留めに依存しない、グルーブを説明するための妥当な代替メカニズムとして、コア部のヴォルテックスピン留めが提示される。これにより、地殻における複雑な再ピン留めダイナミクスの必要性が回避される。