[논문 리뷰] Impact of internal heating on the thermal evolution of neutron stars

Christoph Schaab, Armen Sedrakian외 2명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|1999. 04. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 2인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 내부 가열 과정—특히 에드워즈 크리프와 프로톤 에드워즈 운동—이 중성자별의 열진화에 미치는 영향을 조사하며, 중년기 및 노령 펄사에서 표면 온도가 크게 증가함을 보여준다. 현대적인 마이크로물리적 입력을 사용한 일차원 및 이차원 냉각 시뮬레이션을 통해, 밀리초 펄사에서는 고착된 에드워즈의 열크리프와 핵의 화학적 가열이 지배적이며, 관측된 온도 한계에 의해 강한 고착 모델은 배제됨을 확인하여 향상된 냉각 시나리오와의 일치도 향상됨.

ABSTRACT

The impact of various competing heating processes on the thermal evolution of neutron stars is investigated. We show that internal heating leads to significantly enhanced surface temperatures for pulsars of middle and old age. The heating due to thermal creep of pinned vortices and due to outward motion of proton vortices in the interior of the star leads to a better agreement with the observed data in the case of enhanced cooling. The strong pinning models are ruled out by a comparison with the cooling data on the old pulsars. For millisecond pulsars, the heating due to thermal creep of pinned vortices and chemical heating of the core have the largest impact on the surface temperatures. The angular dependence of the heating rates require two dimensional cooling simulations in general. Such a simulation is performed for a selected case in order to check the applicability of one-dimensional codes used in the past.

연구 동기 및 목표

• 경쟁적인 내부 가열 과정이 중성자별 열진화에 미치는 상대적 영향을 평가하기 위해.
• 각도에 따라 달라지는 가열률이 존재할 경우 일차원 냉각 시뮬레이션이 여전히 타당한지 확인하기 위해.
• 특히 중년기 및 밀리초 펄사에 대해 이론적 냉각 모델을 관측 데이터와 비교하기 위해.
• 고착 에너지 및 초유체 갭과 같은 마이크로물리적 매개변수를 관측된 표면 온도를 통해 제약 조건을 설정하기 위해.
• 에드워즈 크리프, 굴곡 균열, 화학적 가열 등의 다양한 가열 메커니즘이 표면 온도 진화에 미치는 효과를 평가하기 위해.

제안 방법

• 냉각과 가열 과정을 모두 포함한 완전히 상대론적이고 진화적 냉각 코드를 사용함.
• 대부분의 경우 일차원 시뮬레이션을 사용하였으며, 1D 근사의 타당성을 검증하기 위해 이차원 시뮬레이션도 수행함.
• 에드워즈 크리프, 프로톤 에드워즈 운동, 굴곡 균열, 핵 내 반응에서 유래한 가열률을 통합함.
• 초밀도 물질에 대한 상대론적 및 비상대론적 상태방정식을 적용함.
• 가열 효과를 분리하기 위해 일정한 자기모멘트와 관성모멘트를 가정함.
• 최근 개발된 수치 코드를 사용해 전체 2D 시뮬레이션과 비교함으로써 1D 접근법의 타당성을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 내부 가열 과정이 중성자별의 표면 온도 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 가열률의 각도 의존성이 일차원 냉각 시뮬레이션의 타당성을 어느 정도 손상시키는가?
• RQ3 에드워즈 크리프, 핵의 화학적 가열, 굴곡 균열 중 어떤 가열 메커니즘이 오래된 펄사와 밀리초 펄사의 열진화에 가장 크게 기여하는가?
• RQ4 관측된 표면 온도 한계가 강한 에드워즈 고착 모델과 같은 특정 마이크로물리적 모델을 배제할 수 있는가?
• RQ5 내부 가열을 포함함으로써 향상된 냉각 시나리오와의 일치도가 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• 특히 고착된 에드워즈의 열크리프와 프로톤 에드워즈 운동으로 인한 내부 가열은 중년기 및 노령 펄사의 표면 온도를 크게 증가시킴.
• 회전 매개변수 K ≈ 10⁻¹⁵ s인 펄사에서는 에드워즈 관련 가열로 인해 향상된 냉각 시나리오와의 일치도 향상됨.
• PSR 0950+08의 관측된 최고 온도 한계에 의해 강한 고착 모델은 배제되며, 약한 고착 모델은 여전히 일치함.
• 밀리초 펄사(K ≈ 10⁻²² s)에서는 고착된 에드워즈의 열크리프와 핵의 화학적 가열이 표면 온도 상승을 주도함.
• 이차원 시뮬레이션은 일차원 냉각 코드가 관측 결과와 비교할 때 타당함을 확인하였으며, 각도 의존성을 적절히 평균화하면 성립함.
• 굴곡 균열 가열은 이전 연구와는 달리 미미한 영향을 미치며, 가열률 수식의 차이로 인해 이러한 결과가 도출됨.