[논문 리뷰] Superfluidity in Disordered Neutron Stars Crusts

J. A. Sauls, N. Chamel외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 비정질(neutron star crust)에서 중성자 초유체성(superfluidity)을 조사하며, 구조적 불규칙성이 결정 격자에서의 일관된 브라거 산란(coherent Bragg scattering)보다 초유체 분율(superfluid fraction)을 덜 억제함을 보여준다. 비정질 구조에서도 구조의 관성 모멘트의 초유체 분율이 순수 중성자 물질의 약 ~88%에 머무르며, 핵심 초유체 성분이 분리되어 있지 않더라도 펄서 급변동(glitches)을 설명하는 데 충분하다.

ABSTRACT

Nonequilibrium conditions imposed by neutrino cooling through the liquid-solid transition lead to disorder in the solid crust of neutron stars. Disorder reduces the superfluid fraction, $ρ_s/ρ$, at densities above that of neutron drip, $ρ_d \approx 4 imes 10^{11}\,g/cm^3$. For an amorphous solid crust the suppression of $ρ_s$ is small, except in the highest density regions of the crust. In contrast to the strong reduction in neutron conduction predicted for coherent Bragg scattering in a crystalline crust, the disordered solid crust supports sufficient neutron superfluid density to account for pulsar glitches.

연구 동기 및 목표

• 비정질 불순물과 구조적 불규칙성이 중성자별 crust에서 중성자 초유체성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 결정 격자에서 강한 브라거 산란 억제와 관측된 펄서 급변동의 진폭 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 비정질 crust가 펄서 급변동 현상을 설명하기에 충분한 초유체 관성 모멘트를 유지할 수 있는지 판단하기 위해.
• 비평형 응고 조건 하에서 crust의 관성 모멘트의 초유체 분율을 평가하기 위해.

제안 방법

• 비정질 핵 구조에서 중성자 초유체성을 모델링하기 위해 금속 합금 및 더러운 초전도체 프레임워크를 사용한다.
• 자기적 일관성 있는 T-행렬 근사법을 통해 불규칙성 효과를 포함한 BCS 초유체성 이론을 적용한다.
• 불규칙한 잠재력에서의 동역학적 Green 함수의 운동량 공간 표현을 사용해 초유체 분율을 계산한다.
• 비율 압력(degeneracy pressure)을 통합 변수로 사용해 내부 crust에 걸쳐 초유체 밀도를 통합한다.
• Cao 등(2006)의 중성자 갭 및 페르미 속도 데이터와 Onsi 등(2008) 및 Chamel(2012)의 핵 구조 데이터를 활용한다.
• 순수 중성자 물질, 비정질 crust, 브라거 산란이 지배하는 결정성 crust의 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자별 crust의 구조적 불규칙성이 중성자 유체의 초유체 분율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비정질 crust가 펄서 급변동을 설명하기에 충분한 초유체 관성 모멘트를 유지할 수 있는가?
• RQ3 순수 중성자 물질에 비해 비정질 crust에서의 초유체 관성 모멘트 억제 정도는 정량적으로 얼마인가?
• RQ4 브라거 산란이 일관되게 작용하는 결정성 crust에 비해 비정질 crust의 초유체 분율은 어떻게 다른가?
• RQ5 관측된 급변동의 진폭을 설명하기 위해 핵심에서 분리된 초유체 성분이 반드시 필요한가?

주요 결과

• 비정질 crust에서 crust 관성 모멘트의 초유체 분율은 순수 중성자 물질에 비해 최대 12% 감소하여 약 88% 수준을 유지한다.
• 일관된 브라거 산란이 지배하는 결정성 crust에서는 초유체 분율이 순수 중성자 물질의 값의 28.5%로 억제된다.
• 비정질 crust 모델에서, crust-핵 경계까지 통합한 결과, 초유체 분율은 crust 총 관성 모멘트의 78.2%에 이른다.
• 비정질 경우의 초유체 억제는 내부 crust의 고밀도 영역 외에는 최소한이다.
• 결과는 핵심 초유체 성분이 분리되어 있지 않더라도 crust의 초유체가 관측된 급변동 신호를 설명할 수 있음을 시사한다.
• 깊은 crust에서는 긴 코herence 길이로 인해 쌍파괴(pair-breaking) 및 불순물 효과에 가장 민감하지만, 비정질 상에서는 여전히 초유체성이 견고하다.