[论文解读] Phase Transitions in Dense Baryonic Matter and Cooling of Rotating Neutron Stars

Fridolin Weber, Rodrigo Negreiros|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2009

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文研究了在致密强子物质中由旋转驱动的相变（如夸克-强子相变或凝聚态形成）如何影响中子星的热演化。通过耦合广义相对论恒星自转与热演化代码，研究发现，在自转加速/减速过程中潜热释放和冷却通道的变化会改变表面温度，从而为奇异核心态提供可观测的特征信号。

ABSTRACT

New astrophysical instruments such as skA (square kilometer Array) and IXO (formerly Constellation X) promise the discovery of tens of thousands of new isolated rotating neutron stars (pulsars), neutron stars in low-mass X-ray binaries (LMXBs), anomalous X-ray pulsars (AXPs), and soft gamma repeaters (SGRs). Many of these neutron stars will experience dramatic density changes over their active lifetimes, driven by either stellar spin-up or spin-down, which may trigger phase transitions in their dense baryonic cores. More than that, accretion of matter onto neutron stars in LMXBs is believed to cause pycno-nuclear fusion reactions in the inner crusts of neutron stars. The associated reaction rates may be drastically altered if strange quark matter would be absolutely stable. This paper outlines the investigative steps that need to be performed in order to explore the thermal response of neutron stars to rotationally-driven phase transitions in their cores as well as to nuclear burning scenarios in their crusts. Such research complements the exploration of the phase diagram of dense baryonic matter through particle collider experiments, as performed at RHIC in the USA and as planned at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany.

研究动机与目标

• 理解中子星自转变化（如在LXMB中自转加速或毫秒脉冲星中自转减慢）如何触发致密强子物质中的相变。
• 研究在旋转中子星核心中，夸克-强子或凝聚相变期间潜热释放的热后果。
• 评估奇异夸克物质小块的存在如何改变地壳中聚变核反应速率，从而影响热演化。
• 模拟吸积中子星在吸积-休眠周期中的热响应，特别是SAX J1808.4–3658等软X射线暂现源。
• 探讨核心-地壳边界不稳定性与结晶在原中子星演化后期的作用。

提出的方法

• 使用二维广义相对论恒星自转代码，计算度规函数、参考系拖曳频率、密度梯度及粒子组分随自转频率的变化。
• 将自转代码的输出结果耦合至求解能量守恒方程的二维广义相对论热演化代码，其中包含中微子发射率、热容量与热导率。
• 实现包含温度梯度、旋转诱导项（如∂rΩ, ∂θΩ）及具有广义相对论修正的各向异性热流的热演化方程。
• 通过潜热释放和冷却通道变化（如超子、夸克或凝聚态贡献）建模相变，作为密度与自转的函数。
• 模拟孤立脉冲星与吸积系统中自转加速/减速循环的热响应，包括瞬时吸积阶段。
• 通过改进的反应速率计算（图6），探索奇异夸克物质小块对地壳中聚变核反应速率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 自转能量的损失或获得如何在中子星致密核心中诱导相变，其热信号特征是什么？
• RQ2 在旋转中子星中，夸克-强子或凝聚相变期间的潜热释放会引发哪些可观测的表面温度变化？
• RQ3 若地壳中存在奇异夸克物质小块，内层地壳中的聚变核反应速率将如何变化，其热影响是什么？
• RQ4 软X射线暂现源（如SAX J1808.4–3658）的热演化是否能揭示由于自转加速和随后的去压缩导致的核心成分变化？
• RQ5 热电不稳定性与核心-地壳结晶在原中子星早期热演化中扮演何种角色？

主要发现

• 中子星核心中由自转驱动的密度变化可达60%，可触发相变，从而改变核心成分与冷却行为。
• 夸克-强子相变期间的潜热释放显著改变旋转中子星的热演化，可能产生可观测的温度脉冲。
• 地壳中奇异夸克物质小块的存在可极大改变聚变核反应速率，模拟显示56Fe与118Kr反应速率显著变化（图6）。
• 在LXMB中经历自转加速的吸积中子星可能因核心去压缩而破坏奇异相（如K−凝聚态、夸克物质），从而改变其热演化。
• 软X射线暂现源（如SAX J1808.4–3658）在休眠期的热辐射可作为探测核心成分的探针，尤其当自转变化改变中微子发射通道时。
• 核心-地壳边界处的热电不稳定性可能在原中子星的热演化中起重要作用，特别是在早期冷却阶段。