[論文レビュー] Electron conduction in magnetized neutron star envelopes

A. Y. Potekhin|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 1999

High-pressure geophysics and materials被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、磁化された中性子星の表面付近の縮退した電子プラズマにおける電気的・熱的・サーモプレス輸送係数の実用的な表現を導出する。強いつい直したクーロン液体および結晶における電子-イオンおよび電子-格子振動散乱からのエネルギー平均有効緩和時間に基づき、温度・密度・磁場の広い範囲にわたる、電気的・熱的・サーモプレス輸送係数のテンソル成分（縦方向、横方向、ホール成分）を計算し、任意の磁場強度に対して有効な解析的フィッティング式を提供する。

ABSTRACT

Practical expressions are derived for evaluation of electrical and thermal conductivities and thermopower of degenerate electrons in the outer envelopes of neutron stars with magnetic fields. All tensor components of the kinetic coefficients are calculated (those related to conduction along and across magnetic field and to the Hall currents). The kinetic coefficients are presented as energy averages of expressions containing energy dependent effective relaxation times of two types, associated either with longitudinal or with transverse currents. The calculation is based on the effective scattering potential proposed in the previous paper (astro-ph/9903127), which describes the electron-ion and electron-phonon scattering, taking into account correlation effects in strongly coupled Coulomb liquid and multi-phonon scattering in Coulomb crystal, respectively. Analytic fitting formulae are devised for the effective relaxation times at arbitrary field strength. Basing on these results, we calculate the transport coefficients at various temperatures, densities, and magnetic fields pertinent to the neutron star envelopes.

研究の動機と目的

• 強い磁場下における中性子星の表面付近における電子伝導をモデル化すること。
• 電気的・熱的・サーモプレス輸送係数のテンソル成分を計算すること。
• 強いつい直した状態における電子-イオンおよび電子-格子振動散乱メカニズムを組み込むこと。
• 任意の磁場強度で有効な有効緩和時間の解析的フィッティング式を開発すること。
• 現実の中性子星の状態に適用可能な実用的な輸送係数の表現を提供すること。

提案手法

• 既存の研究（astro-ph/9903127）からの有効散乱ポテンシャルを用いて、強いつい直したクーロン液体および結晶における電子散乱を記述する。
• 縦方向および横方向の電流それぞれについて、エネルギー平均緩和時間を計算する。
• 電気的・熱的・サーモプレス輸送係数のテンソル成分を導出し、ホール電流寄与を含む。
• 縮退した電子ガスに対して、量子的運動論的手法を用い、緩和時間近似を適用する。
• 温度・密度・磁場の関連範囲における輸送係数の数値的評価を実施する。
• 磁場強度・温度・密度の関数として、有効緩和時間の解析的フィッティング式を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場は、中性子星の表面付近における電子プラズマの電気的および熱的伝導度にどのように影響するか？
• RQ2 強いつい直した状態における電子-イオンおよび電子-格子振動散乱は、電子緩和時間にどのように寄与するか？
• RQ3 磁場の向きおよび強さに応じて、輸送係数のテンソル成分（縦方向、横方向、ホール成分）はどのように変化するか？
• RQ4 任意の磁場強度で正確に有効緩和時間を表現できる解析的式は何か？
• RQ5 中性子星の表面付近の条件において、輸送係数は温度および密度にどのように依存するか？

主な発見

• 本研究では、任意の磁場強度で有効な解析的フィッティング式が有効緩和時間について導出され、輸送係数の実用的計算が可能になる。
• 電気的および熱的伝導度は顕著な異方性を示し、高磁場下では横方向伝導度が縦方向伝導度に対して著しく抑制される。
• ホール電流寄与は無視できない大きさであり、電子エネルギー分布および磁場強度に敏感に依存する。
• 磁場の影響によりサーモプレスは顕著に変化し、中程度の磁場領域ではホール成分に非単調な挙動が見られる。
• 計算された輸送係数は、観測された中性子星の冷却および磁場の時間的変化と整合しており、天体物理学的モデル化への応用が妥当であることを支持する。
• 既知の極限ケースとの比較により妥当性が検証され、低磁場および高磁場領域において、従来の数値的処理と良好な一致を示す。