[论文解读] Superfluidity in Disordered Neutron Stars Crusts

J. A. Sauls, N. Chamel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 14

一句话总结

本文研究了无序（非晶态）中子星地壳中的中子超流性，表明结构无序对超流分数的抑制程度远低于晶格中的相干布拉格散射。研究发现，即使在非晶态地壳中，地壳的转动惯量中超流分数仍保持在纯中子物质的约88%，足以解释脉冲星跳变现象，而无需假设核心存在解耦的超流分量。

ABSTRACT

Nonequilibrium conditions imposed by neutrino cooling through the liquid-solid transition lead to disorder in the solid crust of neutron stars. Disorder reduces the superfluid fraction, $ρ_s/ρ$, at densities above that of neutron drip, $ρ_d \approx 4 imes 10^{11}\,g/cm^3$. For an amorphous solid crust the suppression of $ρ_s$ is small, except in the highest density regions of the crust. In contrast to the strong reduction in neutron conduction predicted for coherent Bragg scattering in a crystalline crust, the disordered solid crust supports sufficient neutron superfluid density to account for pulsar glitches.

研究动机与目标

• 评估淬火杂质和结构无序对中子星地壳中中子超流性的影响。
• 解决晶态地壳中强布拉格散射抑制与观测到的脉冲星跳变幅度之间的矛盾。
• 确定非晶态地壳是否能维持足够的超流惯性以解释脉冲星跳变现象。
• 评估非平衡凝固条件下地壳转动惯量中超流分数的大小。

提出的方法

• 采用金属合金和无序超导体框架，模拟非晶态核地壳中的中子超流性。
• 通过自洽T矩阵近似方法，将BCS超流理论与无序效应相结合。
• 利用无序势场中中子格林函数的动量空间表述，计算超流分数。
• 以简并压强为积分变量，对内层地壳积分超流密度。
• 采用Cao等人（2006）提供的中子能隙和费米速度数据，以及Onsi等人（2008）和Chamel（2012）提供的核结构数据。
• 对比纯中子物质、非晶态地壳和以布拉格散射为主导的晶态地壳的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星地壳中的结构无序如何影响中子流体的超流分数？
• RQ2 非晶态地壳能否维持足够的超流惯性以解释脉冲星跳变？
• RQ3 与纯中子物质相比，无序地壳中超流转动惯量的定量抑制程度是多少？
• RQ4 非晶态地壳中的超流分数与具有相干布拉格散射的晶态地壳相比如何？
• RQ5 为了解释观测到的跳变幅度，是否必须假定核心存在解耦的超流分量？

主要发现

• 在非晶态地壳中，地壳转动惯量的超流分数相比纯中子物质最多降低12%，结果约为88%。
• 在具有相干布拉格散射的晶态地壳中，超流分数被抑制至纯中子物质值的28.5%。
• 在非晶态地壳模型中，当积分至地壳-核心边界时，超流分数仍保持在地壳总转动惯量的78.2%。
• 在非晶态情况下，超流性仅在内层地壳的最高密度区域受到轻微抑制。
• 结果表明，地壳超流可完全解释观测到的跳变特征，而无需假设中子星核心存在解耦的超流分量。
• 深地壳中长的相干长度使其对成对破坏和无序效应最为敏感，但即便在此区域，非晶态下的超流性依然稳健。