[论文解读] Cooling neutron stars with localized protons

D. A. Baiko, P. Haensel|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文研究了在高密度下质子在中子星核心局域化的假设下中子星的冷却过程，该假设显著改变了其热学和输运性质。只有当包含一层轻质氢包层时，该模型才能重现Vela、PSR 0656+14和Geminga的观测表面温度，尤其对Geminga而言，这表明质子局域化可减缓冷却过程，使理论与观测相一致。

ABSTRACT

We analyze cooling of neutron stars, assuming the presence of localized protons in the densest region of their cores. Choosing a single threshold density for proton localization and adjusting neutron star mass, we reproduce the observational data on effective surface temperatures of Vela and PSR 0656+14, with or without an accreted hydrogen envelope. However, the presence of a tiny hydrogen envelope is mandatory, in this model, for reproducing the Geminga data.

研究动机与目标

• 评估中子星核心中质子局域化是否能解释孤立中子星的观测有效表面温度。
• 确定质子局域化对热导率、中微子发射率和冷却 timescales 的影响。
• 检验在质子局域化模型下，为匹配观测数据，轻质氢包层的存在是否为必要条件。
• 评估质子局域化情景与现有中子星冷却观测的一致性。
• 约束阈值密度和恒星质量的参数空间，使模型能拟合观测温度数据。

提出的方法

• 采用UV14+TNI方程态（EOS）描述中子星核心，以及NW73和BPS71 EOS描述地壳。
• 使用Levenfish等人（LSY99）的冷却代码，模拟中子星从诞生至今的演化过程。
• 应用论文I（Baiko & Haensel 1999）关于含局域质子物质输运性质的结果，包括热导率和中微子发射率。
• 假设质子局域化发生在临界密度ρlp ≈ 4ρ₀以上，且在高密度下质子分数xp下降。
• 通过调节中心密度ρc、阈值密度ρlp、质子分数xp0和包层质量ΔM，以拟合观测温度数据。
• 将冷却曲线与Vela、PSR 0656+14和Geminga的观测误差棒进行比较，采用无包层和有包层的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如果在高密度下质子在中子星核心局域化，中子星的冷却过程是否能与观测表面温度相一致？
• RQ2 在质子局域化模型下，轻质氢包层在解释像Geminga这样的中子星有效温度方面起什么作用？
• RQ3 与标准模型相比，质子局域化如何影响热导率和中微子发射率？
• RQ4 为使模型拟合观测数据，对阈值密度ρlp和中子星质量M可施加哪些约束？
• RQ5 质子局域化情景是否与Vela、PSR 0656+14和Geminga的观测温度相容？

主要发现

• 该含局域质子的模型在有无轻质氢包层的情况下，均能重现Vela和PSR 0656+14的观测有效表面温度。
• 对于Geminga，必须存在氢包层（质量ΔM = 10⁻¹⁰ M☉）才能解释其观测温度，且模型要求质量大于1.5 M☉。
• 当ρlp = 4.3ρ₀且M = 1.61 M☉时，冷却曲线能同时穿过三个源的大气温度误差棒。
• 若无包层，该模型无法解释Geminga的温度，表明包层效应对这一源至关重要。
• 在ρlp–M平面上，允许的参数带对包层质量ΔM ≥ 10⁻¹⁰ M☉的依赖性极弱。
• 质子局域化导致热导率具有T依赖性（κ ∝ T），而非标准的T⁻¹依赖性，使热平衡过程减缓约两个数量级。