[논문 리뷰] Neutron superfluidity in strongly magnetic interiors of neutron stars and its effect on thermal evolution

Ch. Schaab, Fridolin Weber외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 04. 20.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 강한 자기장(10^16–10^17 G)이 작용하는 밀도 높은 중성자별 내부에서 m=2 초유체성의 특성을 조사한다. 여기서 각도에 의존하는 에너지 간극은 중성자기 방출의 지수적 감쇠가 아니라 다항식 감쇠를 초래한다. 연구 결과, 이러한 쌍성 상태는 열진화에 크게 영향을 미치며, 표면 온도를 낮추고 이론적 예측을 관측된 수소 대기 모델의 온도와 더 잘 일치시킨다. 특히 강화된 냉각 시나리오에서 그러한 일치가 뚜렷하다.

ABSTRACT

The possibility of a neutron m=2-superfluid in the interior of neutron stars is investigated. This pairing state is energetically favoured in strong magnetic fields ($H\sim 10^{16}-10^{17}$ G). Because of the node in the angular-dependent energy gap along the field direction the neutrino emissivity is only suppressed polynomially as function in $T/T_{c}$ instead of exponentially, as it is obtained for a nodeless pairing state. The effect of this pairing state on the thermal evolution of neutron stars is studied, and its outcome is compared with the evolution of ``normal'', i.e. nodeless, superfluid and non-superfluid neutron stars, and also with observations. We find that particularly the predicted surface temperatures of the enhanced cooling scenario considerably change and come into agreement with temperatures deduced from observational data within the hydrogen atmosphere model. Furthermore the surface temperature depends on the magnetic field strength as an additional parameter aside from the neutron star mass. The latter is however only operative in the case of the intermediate cooling scenario.

연구 동기 및 목표

• 강한 자기장(10^16–10^17 G) 조건 하에서 중성자별 핵에서 m=2 중성자 초유체성의 존재 및 안정성을 탐구하는 것.
• 이 쌍성 상태가 노드가 없는 초유체 및 정상 상태와 비교할 때 중성자기 방출과 열진화에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 특히 수소 대기 모델을 기반으로 이론적 표면 온도 예측을 관측 데이터와 비교하는 것.
• 특히 중간 냉각 시나리오에서 자기장 강도를 열진화에 영향을 주는 추가 변수로 평가하는 것.

제안 방법

• 강한 자기장이 존재하는 조건에서 중성자 초유체성의 에너지 간극 구조를 분석하며, 주로 m=2 쌍성 채널에 집중한다.
• 다항식 감쇠(T/T_c)^n을 초래하는 각도에 의존하는 간극 함수를 사용하여 중성자기 방출을 계산한다. 이는 노드가 없는 초유체 상태에서 관찰되는 지수 감쇠와 대비된다.
• 에너지 손실 계산에 수정된 방출 함수를 적용하여 중성자별의 열진화를 모델링한다.
• 정상 상태(비초유체), 노드가 없는 초유체, m=2 초유체 상태 중 세 가지 시나리오에서 예측된 표면 온도를 비교한다.
• 중간 냉각 시나리오에서 자기장 강도를 변수로 설정하여 그 영향을 평가한다.
• 관측 데이터를 수소 대기 모델에서 확보하여 이론적 예측을 제약 조건에 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10^16–10^17 G의 자기장 조건에서 중성자별 내부에서 m=2 초유체성 쌍성이 에너적으로 유리한가?
• RQ2 m=2 쌍성에서 각도에 의존하는 에너지 간극은 노드가 없는 초유체 상태와 비교할 때 중성자기 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 m=2 초유체성은 중성자별의 열진화 및 표면 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 수소 대기 모델 기반으로 관측된 결과와 비교할 때, m=2 초유체성 중성자별의 이론적 표면 온도 예측은 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ5 중간 냉각 시나리오에서 자기장 강도는 표면 온도 예측에 뚜렷한 영향을 미치는가?

주요 결과

• m=2 초유체 쌍성 상태는 T/T_c의 다항식 감쇠를 초래하여 노드가 없는 초유체에서 관찰되는 지수 감쇠와는 다릅니다.
• 강화된 냉각 시나리오에서 m=2 초유체성으로 인해 예측된 표면 온도가 크게 낮아져 수소 대기 모델의 관측 결과와 더 잘 일치합니다.
• 중간 냉각 시나리오에서 자기장 강도는 표면 온도에 영향을 주는 핵심 매개변수로 나타나며, 더 강한 자기장일수록 더 낮은 표면 온도를 초래합니다.
• m=2 초유체 모델은 특히 강화된 냉각 영역에서 관측된 중성자별 표면 온도와의 일치도를 향상시킵니다.
• 연구 결과는 자기장 강도와 쌍성 대칭성의 상호작용이 특히 중간 냉각 시나리오에서 열진화에 결정적인 영향을 미친다는 점을 입증합니다.
• 결과적으로 강한 자기장 조건에서 중성자별 핵의 m=2 초유체성은 일부 중성자별의 관측된 냉각 행동을 설명할 수 있는 타당한 해석임을 시사합니다.