[论文解读] Neutrino emission due to Cooper pairing of nucleons in cooling neutron stars

D. G. Yakovlev, A. D. Kaminker+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用 40

一句话总结

本文研究了超流中子星核心中中子与质子的库珀对配对引起的中微子辐射，表明中子配对在低温下显著增强了中微子发射率，从而加速了标准冷却与快速冷却过程。关键发现是，该机制使得在中等超流性条件下，通过标准冷却模型一致解释六颗中子星的观测表面温度成为可能，解决了冷却理论中长期存在的矛盾。

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.

研究动机与目标

• 分析超流中子星核心中中子与质子库珀对配对引起的中微子能量发射率。
• 评估库珀对诱导的中微子发射相对于标准过程和直接Urca过程在中子星冷却中的相对重要性。
• 确定该机制是否能够调和理论冷却模型与孤立中子星观测表面温度之间的矛盾。
• 为在中子星冷却模拟中包含库珀对中微子发射提供定量框架。

提出的方法

• 使用BCS型超流理论推导核子在单重态（1S0）和三重态（3P2）库珀配对下的中微子发射率。
• 计算三种情况下的发射率：(A) 单重态nn配对，(B) mJ=0 的三重态nn配对，(C) mJ=2 的三重态nn配对。
• 在不同密度和温度下，将推导出的发射率与标准过程（修正Urca、核子-核子辐射）及直接Urca过程进行比较。
• 将新发射率引入质量为1.30 M☉的中子星冷却模型中，采用固定状态方程，并在核心内保持Tcn和Tcp恒定。
• 使用氢大气模型将所得冷却曲线拟合六颗中子星的观测表面温度。
• 敏感性分析以评估超流参数（Tcn、Tcp）的微小变化对冷却演化及观测拟合的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子与质子的库珀对配对如何影响中子星核心中的中微子发射率？
• RQ2 库珀对诱导的中微子发射在超流中子星总中微子光度中占多大相对贡献？
• RQ3 该机制是否能在不引入直接Urca过程导致的快速冷却的前提下，解释孤立中子星的观测表面温度？
• RQ4 冷却演化对中子与质子超流临界温度的微小变化有多敏感？
• RQ5 若包含库珀对中微子发射，标准冷却模型是否能在中等超流性条件下重现观测热数据？

主要发现

• 与中子配对相比，单重态质子配对引起的中微子发射被强烈抑制，因此在大多数冷却情景中可忽略不计。
• 当 T ≲ Tcn ≪ Tcp 时，三重态中子配对（3P2）中 mJ=2 的中微子发射显著增强，并超过其他所有过程。
• 当 T ≲ Tcn ≪ Tcp 时，中子库珀对引起的中微子发射可使冷却速度加快数个数量级，即使在标准冷却情景下亦如此。
• 引入库珀对中微子发射后，一条冷却曲线可同时拟合五颗中子星的观测表面温度，而该机制缺失时则无法实现。
• 该模型通过中等超流临界温度（Tcn ~ 10^9 K，Tcp ~ 10^10 K）实现解释，与微观多体计算结果一致。
• 冷却曲线对Tcn和Tcp的微小变化具有高度敏感性，为从观测中约束超流参数提供了有力工具。