[论文解读] Impact of internal heating on the thermal evolution of neutron stars

Christoph Schaab, Armen Sedrakian+2 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Apr 10, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 15

一句话总结

本文研究了内部加热过程——特别是涡旋蠕变和质子涡旋运动——对脉冲星热演化的影响，表明这些过程显著提高了中年期和老年脉冲星的表面温度。通过采用现代微观物理输入的一维和二维冷却模拟，研究发现，在毫秒脉冲星中，钉扎涡旋的热蠕变和核心化学加热占主导地位，而强钉扎模型因观测到的温度上限被排除，从而改善了与增强冷却情景的一致性。

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.

研究动机与目标

• 评估不同内部加热过程对中子星热演化相对影响。
• 确定当存在角度依赖的加热速率时，一维冷却模拟是否仍具有效性。
• 将理论冷却模型与观测数据进行比较，尤其针对中年期和毫秒脉冲星。
• 利用观测到的表面温度约束微观物理参数，如钉扎能和超流能隙。
• 评估不同加热机制（涡旋蠕变、地壳破裂、化学加热）对表面温度演化的有效性。

提出的方法

• 采用完全相对论性的演化冷却代码，同时包含冷却和加热过程。
• 大多数情况下使用一维模拟，通过二维模拟验证一维近似的可靠性。
• 纳入了来自涡旋蠕变、质子涡旋运动、地壳破裂和核心化学反应的加热速率。
• 应用了相对论和非相对论的方程态以描述超致密物质。
• 假设磁矩和转动惯量恒定，以隔离加热效应。
• 通过使用新开发的数值代码进行完整二维模拟，验证了一维方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同内部加热过程如何影响中子星表面温度的演化？
• RQ2 加热速率的角度依赖性在多大程度上使一维冷却模拟失效？
• RQ3 在老脉冲星和毫秒脉冲星中，哪种加热机制——涡旋蠕变、核心化学加热或地壳破裂——对热演化影响最大？
• RQ4 观测到的表面温度上限能否排除特定的微观物理模型，例如强涡旋钉扎？
• RQ5 在模型中引入内部加热后，与增强冷却情景的一致性如何提升？

主要发现

• 内部加热，特别是来自钉扎涡旋热蠕变和质子涡旋运动的加热，显著提高了中年期和老年脉冲星的表面温度。
• 对于旋转参数 K ≈ 10⁻¹⁵ s 的脉冲星，与增强冷却情景相比，涡旋相关加热显著改善了与观测数据的一致性。
• 强钉扎模型被 PSR 0950+08 的观测温度上限排除，而较弱钉扎模型仍与观测一致。
• 对于毫秒脉冲星（K ≈ 10⁻²² s），钉扎涡旋的热蠕变和核心化学加热主导了表面温度的提升。
• 二维模拟证实，只要角度依赖性得到正确平均，一维冷却代码在与观测比较时仍具有效性。
• 地壳破裂加热的影响可忽略不计，这与早期研究结果相反，原因在于加热速率公式的差异。