[논문 리뷰] Transport properties and neutrino emissivity of dense neutron-star matter with localized protons

D. A. Baiko, P. Haensel|arXiv (Cornell University)|1999. 06. 18.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 밀도 높은 중성자별 물질에서 양성자 국소화가 운반 성질과 중성자미자 방출에 미치는 영향을 조사한다. 운동방정식을 해결하기 위해 변분법을 사용하여, 국소화된 양성자가 표준 운반 계수를 억제하고 중성자미자 방출성을 수정함을 보여주며, 쌍 브레머슈탈룽에서 T⁻² 의존성을 T⁶ 의존성으로 대체함으로써 저온에서 중성자별 냉각에 상당한 영향을 미친다.

ABSTRACT

As pointed out by Kutschera and W{ó}jcik, very low concentration of protons combined with a specific density dependence of effective neutron-proton interaction could lead to a localization of ``proton impurities'' in neutron medium at densities exceeding four times normal nuclear matter density. We study consequences of the localization of protons for transport processes in dense neutron star cores, assuming random distribution of proton impurities. Kinetic equations, relevant for the transport of charge, heat and momentum, are solved using variational method. Localization of protons removes a T^{-2} factor from the transport coefficients, which leads, at lower temperatures, to a strong decrease of thermal conductivity, electrical conductivity and shear viscosity of neutron star matter, as compared to the standard case, where protons form a Fermi liquid. Due to the localization of protons a number of conventional neutrino emission processes (including modified URCA process) become inoperative in neutron star cores. On the other hand, the energy loss rate from neutrino-antineutrino pair bremsstrahlung due to electron and neutron scattering off (localized) protons, will have a specific T^6 dependence, which could modify the cooling of the neutron star core, as compared to the standard case. Possible astrophysical implications of the localization of protons for neutron star evolution and dynamics are discussed.

연구 동기 및 목표

• 낮은 농도와 특정 상호작용 밀도 의존성으로 인해 양성자가 국소화될 때 밀도 높은 중성자별 물질의 운반 성질을 연구하기 위해.
• 양성자 국소화가 중성자별 핵에서 전기적 도전도, 열전도도, 점성 계수에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 국소화가 중성자미자 방출성에 미치는 영향, 특히 수정된 URCA 및 브레머슈탈룽 과정에 대해 평가하기 위해.
• 중성자별 냉각과 진화에 대한 천체물리적 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 랜덤하게 분포된 국소화된 양성자 불순물 가정 하에 전하, 열, 운동량 운반에 대한 운동방정식을 변분법으로 해결하기 위해.
• 핵 포화 밀도의 네 배 이상인 밀도에서 국소화를 고려한 중성자와 양성자 간 효과적 상호작용 모델링하기 위해.
• 국소화된 양성자 영역에서 운반 계수를 유도하기 위해 변분 접근법 적용하여 표준 T⁻² 온도 의존성 제거하기 위해.
• 전자 및 중성자 국소화된 양성자에서의 산란으로부터 중성자미자 방출성 계산하기 위해, 주로 중성자미자-반중성자미자 쌍 브레머슈탈룽에 집중하기 위해.
• 표준 페르미 액체 모델(양성자가 연속적인 페르미 표면을 형성함)과 결과 비교하기 위해.
• 유도된 방출성을 사용하여 중성자별 핵에서 냉각 속도와 그 온도 의존성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양성자 국소화는 밀도 높은 중성자별 물질의 전기적 도전도와 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 표준 T⁻² 의존성과 비교해 볼 때, 국소화된 양성자에서 산산히 흩어지는 중성자미자 방출성의 온도 의존성은 어떠한가?
• RQ3 어느 일반적인 중성자미자 방출 과정이 양성자 국소화로 인해 기능을 잃게 되는가?
• RQ4 수정된 방출성이 저온에서 중성자별의 냉각 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 국소화된 양성자가 중성자별 핵의 역학 및 열진화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 양성자 국소화로 인해 운반 계수에서 T⁻² 온도 의존성이 제거되어 저온에서 전기적 도전도, 열전도도, 점성 계수의 강한 억제가 발생한다.
• 연속적인 양성자 페르미 표면의 부재로 인해 수정된 URCA 과정과 기타 표준 중성자미자 방출 메커니즘이 기능을 잃게 된다.
• 전자 및 중성자 국소화된 양성자에서의 산란로 인한 중성자미자 방출성은 표준 T⁻² 의존성과 대비해 T⁶ 의존성을 따른다.
• 이 T⁶ 의존성은 특히 초유체 상 이후 단계에서 저온에서 중성자별 냉각 속도에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
• 결과적으로 국소화된 양성자가 존재할 경우 표준 모델이 예측하는 것보다 중성자별 냉각이 더 느릴 수 있음을 시사한다.
• 이 연구는 국소화된 양성이 관측 가능한 중성자별 열진화 및 냉각 곡선의 이격을 유도할 수 있음을 암시한다.