[논문 리뷰] Neutrino emission due to Cooper pairing of nucleons in cooling neutron stars

D. G. Yakovlev, A. D. Kaminker외 1명|arXiv (Cornell University)|1998. 12. 19.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 1인용 수 40

한 줄 요약

이 논문은 초유체 중성자별 핵에서 중성자와 양성자의 쿠퍼 쌍성화에 의한 중성미자 방출을 조사하며, 저온에서 중성자 쌍성화가 중성미자 방출 강도를 크게 증가시켜 표준 및 빠른 냉각을 가속화함을 보여준다. 핵심 발견은 이 메커니즘이 중성자별 6개의 관측 표면 온도를 표준 냉각 모델과 중간 정도의 초유체성으로 일관되게 설명할 수 있게 해주며, 냉각 이론에서 오랫동안 지속된 모순을 해결한다는 것이다.

ABSTRACT

The neutrino energy emission rate due to formation of Cooper pairs of neutrons and protons in the superfluid cores of neutron stars is studied. The cases of singlet-state pairing with isotropic superfluid gap and triplet-state pairing with anisotropic gap are analysed. The neutrino emission due to singlet-state pairing of protons is found to be greatly suppressed with respect to the cases of singlet- and triplet-state pairings of neutrons. The neutrino emission due to pairing of neutrons is shown to be very important in the superfluid neutron-star cores with the standard neutrino luminosity and with the luminosity enhanced by the direct Urca process. It can greatly accelerate both, standard and enhanced, cooling of neutron stars with superfluid cores. This enables one to interpret the data on surface temperatures of six neutron stars, obtained by fitting the observed spectra with the hydrogen atmosphere models, by the standard cooling with moderate nucleon superfluidity.

연구 동기 및 목표

• 초유체 중성자별 핵에서 중성자와 양성자의 쿠퍼 쌍성화에 의한 중성미자 에너지 방출률을 분석하기 위해.
• 냉각 중성자별에서 표준 및 직접 우르카 과정과 비교해 쿠퍼-쌍 유도 중성미자 방출의 상대적 중요도를 평가하기 위해.
• 이 메커니즘이 이론적 냉각 모델과 고립된 중성자별의 관측 표면 온도를 일치시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 중성자별 냉각 시뮬레이션에 쿠퍼-쌍 중성미자 방출을 포함하기 위한 정량적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• BCS 유형 초유체성 이론을 사용하여 단일 상태(1S0) 및 삼중 상태(3P2) 쿠퍼 쌍성화의 중성미자 방출 강도를 유도하기 위해.
• 세 가지 경우에 대한 방출 강도를 계산하기 위해: (A) 단일 상태 nn 쌍성화, (B) mJ=0 인 삼중 상태 nn 쌍성화, (C) mJ=2 인 삼중 상태 nn 쌍성화.
• 다양한 밀도와 온도에서 유도된 방출 강도를 표준 과정(수정 우르카, 핵자-핵자 브레머스트라할링)과 직접 우르카 과정과 비교하기 위해.
• 핵심에서 고정된 상태방정식과 핵심에서 일정한 임계온도 Tcn 및 Tcp를 사용하여 1.30 M☉ 중성자별의 냉각 모델에 새로운 방출 강도를 통합하기 위해.
• 수소 대기 모델을 사용하여 관측된 여섯 개의 중성자별 표면 온도에 대한 냉각 곡선을 피팅하기 위해.
• 소규모 초유체 매개변수(Tcn, Tcp) 변화가 냉각 진전과 관측 적합도에 미치는 영향을 평가하기 위한 민감도 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자와 양성자의 쿠퍼 쌍성화는 중성자별 핵에서 중성미자 방출 강도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초유체 중성자별에서 쿠퍼-쌍 유도 중성미자 방출이 총 중성미자 빛나는 강도에 기여하는 비율은 어느 정도인가?
• RQ3 이 메커니즘이 직접 우르카 과정을 통한 빠른 냉각을 도입하지 않고도 고립된 중성자별의 관측 표면 온도를 설명할 수 있는가?
• RQ4 냉각 진전은 중성자 및 양성자 초유체 임계온도의 변화에 얼마나 민감한가?
• RQ5 쿠퍼-쌍 중성미자 방출을 포함하면 표준 냉각 모델과 중간 정도의 초유체성으로 관측된 열 데이터를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 상태 양성자 쌍성화에 의한 중성미자 방출은 중성자 쌍성화에 비해 크게 억제되어 대부분의 냉각 시나리오에서 무시할 수 있다.
• mJ=2 인 삼중 상태 중성자 쌍성화(3P2)에 의한 중성미자 방출은 크게 증가하며, T ≲ Tcn ≪ Tcp 조건에서 다른 과정을 압도한다.
• T ≲ Tcn ≪ Tcp 조건에서 중성자 쿠퍼 쌍성화에 의한 중성미자 방출은 표준 냉각 시나리오에서도 냉각 속도를 수십 배에서 수백 배 이상 가속화할 수 있다.
• 쿠퍼-쌍 중성미자 방출을 포함하면 하나의 냉각 곡선이 다섯 개의 중성자별 관측 표면 온도를 동시에 맞출 수 있게 되며, 이는 이 메커니즘 없이선 불가능한 일이다.
• 모델은 초유체 임계온도가 중간 정도인 경우(Tcn ~ 10^9 K, Tcp ~ 10^10 K)에 잘 맞으며, 이는 다체 이론 계산과 일치한다.
• 냉각 곡선이 Tcn 및 Tcp의 미세한 변화에 민감한 것은 관측을 통해 초유체 매개변수를 제약하는 강력한 도구가 된다.