[論文レビュー] The superfluid two-stream instability and pulsar glitches

Nils Andersson, G. L. Comer+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2002

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中性子星における超流動中性子と超伝導的陽子の間の相対的流れによって駆動される超流動二流体不安定性が、ビスケットピン留めの不安定化を通じてパルサーのグルーブを引き起こす可能性を提案している。二流体流体力学と分散解析を用いて、エントレインメントが、天体的に現実的な流れレベルで不安定性が発生することを示しており、成熟した中性子星におけるグルーブ発生メカニズムを提示している。特に回転遅れが蓄積するコア領域で有効である。

ABSTRACT

This paper provides the first study of a new dynamical instability in superfluids. This instability is similar to the two-stream instability known to operate in plasmas. It is analogous to the Kelvin-Helmholtz instability, but has the distinguishing feature that the two fluids are interpenetrating. The instability sets in once the relative flow between the two components of the system reaches a critical level. Our analysis is based on the two-fluid equations that have been used to model the dynamics of the outer core of a neutron star, where superfluid neutrons are expected to coexist with superconducting protons and relativistic electrons. These equations are analogous to the standard Landau model for superfluid Helium. We study this instability for two different model problems. First we analyze a local dispersion relation for waves in a system where one fluid is at rest while the other flows at a constant rate. This provides a proof of principle of the existence of the two-stream instability for superfluids. Our second model problem concerns two rotating fluids confined within an infinitesimally thin spherical shell. The aim of this model is to assess whether the two-stream instability may be relevant (perhaps as a trigger mechanism) for pulsar glitches. Our results for this problem show that the entrainment effect could provide a sufficiently strong coupling for the instability to set in at a relative flow small enough to be astrophysically plausible.

研究の動機と目的

• 超流動系（中性子星内部など）において、プラズマ物理学で知られる二流体不安定性が発生するかどうかを調査すること。
• この不安定性が、数十年にわたる研究にもかかわらず未だよく理解されていないパルサーのグルーブの物理的トリガーとして機能しうるかどうかを評価すること。
• 二流体モデルを用いて、相対的流れ下での二つの相互浸透する超流動成分の安定性を分析すること。
• 超流動中性子星におけるエントレインメント効果が、低速の相対的流れでも不安定性が発生するように十分に強いのかを評価すること。
• この不安定性がグルーブ再発間隔に与える影響を検討し、ゆっくり回転するまたは磁気星様のパルサーでも動作可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 超流動中性子星の二流体方程式に基づく形式的枠組みを用い、超流動中性子と結合した陽子-電子流体を別個の成分としてモデル化する。
• 一方の流体が静止し、他方が一様に流れている系における波の分散関係を導出し、二流体不安定性の存在を証明する。
• 第二のモデルとして、中性子星の外核を模倣する薄い球殻内に閉じ込められた二つの回転流体を分析する。
• エネルギー密度の式に、熱力学的共役量（化学ポテンシャルとエントレインメント関数 α）を用いてエントレインメント効果を組み込む。
• 各流体のEuler型方程式を用い、相対速度項と勾配力項を含め、線形安定性条件を導出する。
• 不安定モードの増幅率を数値的に評価し、不安定性発生の臨界相対的流れ閾値を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマのファラリー＝ブナーマン不安定性に類似した二流体不安定性が、中性子星コアのような超流動系で発生しうるか？
• RQ2 エントレインメントが、超流動中性子星における低速相対的流れでも二流体不安定性が発生するようにする役割を果たすか？
• RQ3 特に成熟した中性子星において、現実的な天体的条件下でこの不安定性が十分に強く、パルサーのグルーブを引き起こすのに十分か？
• RQ4 超流動成分と通常の成分の間の回転遅れが、不安定性発生およびグルーブ再発間隔に与える影響は何か？
• RQ5 グルーブが観測されるようなゆっくり回転するまたは磁気星様のパルサーでも、二流体不安定性が動作可能か？

主な発見

• 局所的分散解析により、相対的流れが臨界閾値を超えると不安定モードが現れることが示され、中性子星コアに超流動二流体不安定性が存在しうることが明らかになった。
• エントレインメント効果が超流動成分間の結合を顕著に強化し、天体的に現実的な流れレベルで不安定性が発生することを可能にした。
• 球殻モデルにおいて、回転遅れが臨界値に達すると不安定性がグルーブのトリガーに相当する増幅率で成長することが示され、グルーブ発生の物理的メカニズムとして妥当である。
• 不安定性発生の臨界相対的流れは ΔΩ/Ω ≈ 5×10⁻⁴ のオーダーであり、これは若いパルサーの観測された間隔と整合的である。
• モデルは、スピンダウン率が十分に高い限り、ゆっくり回転する星でもグルーブが発生しうることを予測しており、低周期パルサーや磁気星におけるグルーブを説明できる。
• 結果から、二流体不安定性がコア由来グルーブのトリガー機構として機能しうることが示唆され、特にクライストラクトのビスケットピン留めが弱すぎて再発グルーブを説明できない状況で有効である可能性がある。