[논문 리뷰] The superfluid two-stream instability and pulsar glitches

Nils Andersson, G. L. Comer외 1명|arXiv (Cornell University)|2002. 11. 07.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중성자별 내 초유체 중성자와 초전도체 성분인 양성자 간의 상대 유속에 의해 유도되는 초유체 이중류 불안정성—이로 인해 비틀림 편차가 안정화되는 것을 방해함으로써 펄서 급변동을 유도할 수 있음—을 제안한다. 두 유체 유체역학과 분산 분석을 통해, 침습 효과가 천체물리학적으로 타당한 유속 수준에서 이 불안정성이 발생할 수 있음을 보여주며, 특히 자전 속도 차이가 누적되는 핵부에서 급변동 발생 메커니즘을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초유체 시스템, 특히 중성자별 내부와 같은 환경에서 플라즈마 물리학에서 잘 알려진 새로운 이중류 불안정성이 발생할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이 불안정성이 수십 년에 걸친 연구에도 불구하고 여전히 잘 이해되지 않는 펄서 급변동의 물리적 촉발 메커니즘으로 기능할 수 있는지 평가하기 위해.
• 두 상호 침투하는 초유체 성분의 상대 유속 하에서의 안정성 분석을 수행하여, 중성자별 핵부와 관련된 두 유체 모델을 사용하기 위해.
• 초유체 중성자별 내 침입 효과가 얼마나 강력한지 평가하여, 이로 인해 낮은 상대 유속에서도 불안정성이 발생할 수 있는지, 즉 천체물리학적으로 실현 가능한지 확인하기 위해.
• 이 불안정성이 급변동 반복 주기 및 느리게 자전하는 또는 마그네타르 유사 펄서에서 작동할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 초유체 중성자별의 두 유체 방정식 기반 형식화를 통해 초유체 중성자와 결합된 양성자-전자 유체를 별개의 구성 요소로 모델링하기 위해.
• 한 유체는 정지해 있고 다른 유체는 균일하게 흐르는 시스템에서 파동의 국소적 분산 관계를 유도하여 이중류 불안정성이 존재함을 증명하기 위해.
• 두 번째 모델 분석: 중성자별 외부 핵부를 모방하는 얇은 구형 캡슐 내에 놓인 두 개의 자전 유체를 고려하기 위해.
• 에너지 밀도 기술에 열역학적 공액 변수(화학적 포텐셜 및 침입 함수 α)를 사용하여 침입 효과를 통합하기 위해.
• 각 유체에 대한 오일러 유사 방정식을 사용하여 상대 속도 항과 기울기 힘을 포함하여 선형 안정성 조건을 유도하기 위해.
• 불안정한 모드의 증가율을 수치적으로 평가하여 불안정성 발생의 임계 상대 유속 임계값을 결정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈마의 페일리-버넘 불안정성과 유사한 이중류 불안정성이 중성자별 핵부와 같은 초유체 시스템에서 발생할 수 있는가?
• RQ2 침입 효과가 초유체 중성자별 내에서 낮은 상대 유속에서도 이중류 불안정성이 발생하도록 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 특히 성숙한 중성자별에서 천체물리학적으로 실현 가능한 조건 하에서 이 불안정성이 펄서 급변동을 유도할 정도로 강력한가?
• RQ4 초유체와 정상 성분 간의 자전 라그가 불안정성 발생과 급변동 반복 주기에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 급변동이 관측되는 느리게 자전하는 또는 마그네타르 유사 펄서에서 이중류 불안정성이 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 국소적 분산 분석을 통해 상대 유속이 임계 임계값을 초과할 경우 불안정한 모드가 존재함을 보여주며, 초유체 이중류 불안정성이 중성자별 핵부에서 존재할 수 있음을 입증하였다.
• 침입 효과는 초유체 성분 간의 결합을 크게 강화하여, 천체물리학적으로 타당한 유속 수준에서 불안정성이 발생할 수 있도록 한다.
• 구형 캡슐 모델에서 자전 라그가 임계 값을 도달할 경우 불안정성이 급변동을 유도할 수 있는 정도로 증가함을 보여주며, 핵부에서 급변동 발생에 대한 타당한 물리적 메커니즘을 제안한다.
• 불안정성 발생의 임계 상대 유속은 ΔΩ/Ω ≈ 5×10⁻⁴ 수준으로 추정되며, 이는 젊은 펄서의 관측된 간격과 일치하는 간격을 나타낸다.
• 모델은 스피드다운 속도가 충분히 높아서 필요한 자전 라그를 누적시킬 수 있는 한, 느리게 자전하는 별에서도 급변동이 발생할 수 있음을 예측하며, 저주기 펄서와 마그네타르에서의 급변동을 설명한다.
• 결과적으로 이중류 불안정성이 핵부 기원의 급변동에 대한 촉발 메커니즘으로 작용할 수 있으며, 특히 굴레의 비틀림 해제가 반복 급변동을 설명하기에 너무 약한 경우에 유용할 수 있다.