[論文レビュー] Three-body crystallization diagrams and the cooling of white dwarfs

L. Ségretain|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 1995

Scientific Research and Discoveries被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、白色矮星内部の炭素/酸素/ネオン混合物に対して密度汎関数理論を用いて洗練された三成分結晶化ダイアグラムを提示し、ネオンの結晶化が冷却の後期段階にのみ顕著な影響を及えることを明らかにした。相図には x_Ne = 0.22 のアゼオトロープ点が存在し、これにより純粋なネオン-炭素固体が形成される。全重力エネルギー放出の遅延は約26億年であり、そのうち20%がネオンの分離（ドライビング）に起因する。

ABSTRACT

The 3-body crystallization diagrams of C/O/Ne ionic mixtures characteristic of white dwarf interiors are examined within the framework of the density-functional theory of freezing. The crystallization process is described more accurately than in former calculations where the three-component system was treated as an effective two-component mixture (Segretain et al. 1994). The distillation process due to neon-crystallization is found to occur only for the late stages of crystallization. At the beginning, the presence of neon plays only a minor role and the phase diagram resembles a pure carbon-oxygen diagram. The final phase diagram is found to exhibit an azeotropic point with a neon concentration $x_{Ne}=0.22$, a carbon concentration $x_{C}=0.78$ and an oxygen concentration $x_O=0$, so that during the distillation process, the fluid crystallizes into a pure neon-carbon solid. The critical temperature is $T_A=0.85\,T_C$, where $T_C$ is the pure carbon crystallization temperature. We use this accurate phase diagram to calculate the total gravitational energy released during white dwarf crystallization and the related time delay. The final result yields $Δτ\approx 2.6$ Gyr, among which about 20\% are due to the neon-distillation process.

研究の動機と目的

• 白色矮星内部の結晶化相図の精度を向上させるために、C/O/Ne混合物を有効な二成分系として扱うのではなく、真の三成分系として取り扱う。
• ネオンが白色矮星の結晶化プロセスおよび冷却進化に与える影響を調査する。
• 結晶化に伴う重力エネルギー放出とそれに伴う時間遅延を計算し、特にネオン分離の寄与に注目する。
• 相図にアゼオトロープ点が存在するか、その位置とその結晶化中の固体組成に与える影響を特定する。

提案手法

• 白色矮星内部のC/O/Neイオン混合物の熱力学をモデル化するため、凍結の密度汎関数理論を用いる。
• 炭素、酸素、ネオンイオンの相互作用を考慮した三成分結晶化ダイアグラムを構築する。
• 相図を用いて結晶化中に放出される全重力エネルギーとそれに伴う冷却遅延を計算する。
• 結晶化中に液体組成と固体組成が一致するアゼオトロープ点のような臨界点を特定する。
• 純炭素の結晶化温度 T_C に対して臨界温度を関数として計算する。T_A = 0.85 T_C である。
• 相図を応用して結晶化プロセスの期間と、ネオン分離に起因する遅延の割合を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真の三成分系として扱った場合、ネオンの存在が白色矮星内部の結晶化順序にどのように影響を与えるか？
• RQ2 結晶化プロセスにアゼオトロープ点が存在するか？もしあるならば、その組成と温度は何か？
• RQ3 白色矮星内のC/O/Ne混合物の結晶化に伴う全重力エネルギー放出と時間遅延はどの程度か？
• RQ4 ネオン分離は白色矮星の全体的な冷却遅延にどの程度寄与しているか？
• RQ5 結晶化の進行に伴い相図はどのように変化するのか？また、ネオンの分離はいつから顕著になるか？

主な発見

• 三成分結晶化ダイアグラムにより、ネオンの結晶化は結晶化の後期段階でのみ顕著に影響を及えることが判明し、初期段階では最小限の影響にとどまる。
• x_Ne = 0.22、x_C = 0.78、x_O = 0 のアゼオトロープ点が存在し、液体相と固体相の組成が同一である。
• アゼオトロープ点では純粋なネオン-炭素化合物が形成されるため、結晶化中にネオンが完全に分離することが示唆される。
• アゼオトロープ点の臨界温度は T_A = 0.85 T_C であり、T_C は純炭素の結晶化温度である。
• 結晶化に伴う全重力エネルギー放出により、冷却遅延が約26億年発生する。
• 全冷却遅延の約20%が、特定にネオン分離プロセスに起因する。