[论文解读] Transport properties and neutrino emissivity of dense neutron-star matter with localized protons

D. A. Baiko, P. Haensel|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 1999

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文研究了致密中子星物质中质子局域化对输运性质和中微子发射的影响。通过变分法求解输运方程，结果表明局域化的质子会抑制标准输运系数，并改变中微子发射率，将对关联轫致辐射中的T⁻²依赖关系替换为T⁶依赖关系，显著改变低温下中子星的冷却行为。

ABSTRACT

As pointed out by Kutschera and W{ó}jcik, very low concentration of protons combined with a specific density dependence of effective neutron-proton interaction could lead to a localization of ``proton impurities'' in neutron medium at densities exceeding four times normal nuclear matter density. We study consequences of the localization of protons for transport processes in dense neutron star cores, assuming random distribution of proton impurities. Kinetic equations, relevant for the transport of charge, heat and momentum, are solved using variational method. Localization of protons removes a T^{-2} factor from the transport coefficients, which leads, at lower temperatures, to a strong decrease of thermal conductivity, electrical conductivity and shear viscosity of neutron star matter, as compared to the standard case, where protons form a Fermi liquid. Due to the localization of protons a number of conventional neutrino emission processes (including modified URCA process) become inoperative in neutron star cores. On the other hand, the energy loss rate from neutrino-antineutrino pair bremsstrahlung due to electron and neutron scattering off (localized) protons, will have a specific T^6 dependence, which could modify the cooling of the neutron star core, as compared to the standard case. Possible astrophysical implications of the localization of protons for neutron star evolution and dynamics are discussed.

研究动机与目标

• 研究当质子因浓度较低及特定相互作用密度依赖性而局域化时，致密中子星物质的输运性质。
• 评估质子局域化对中子星核心中电导率、热导率和剪切黏度的影响。
• 评估局域化对中微子发射率的影响，特别关注修正URCA过程和轫致辐射过程。
• 探讨对中子星冷却与演化之天体物理影响。

提出的方法

• 在质子杂质随机分布且局域化的假设下，使用变分法求解电荷、热量和动量输运的输运方程。
• 建立中子与质子之间有效相互作用的模型，以考虑密度高于核饱和密度四倍时的局域化效应。
• 应用变分方法推导局域质子区域内的输运系数，消除标准的T⁻²温度依赖性。
• 计算电子和中子在局域质子上散射产生的中微子发射率，重点关注中微子-反中微子对轫致辐射。
• 将结果与质子形成连续费米海的标准费米液体模型进行比较。
• 利用推导出的发射率评估中子星核心中冷却速率及其温度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 质子局域化如何影响致密中子星物质的电导率和热导率？
• RQ2 与标准的T⁻²依赖关系相比，局域质子散射产生的中微子发射率的温度依赖性如何？
• RQ3 由于质子局域化，哪些传统中微子发射过程会失效？
• RQ4 修改后的发射率如何影响低温下中子星的冷却演化？
• RQ5 局域质子对中子星核心的动力学与热演化有何影响？

主要发现

• 质子局域化消除了输运系数中的T⁻²温度依赖性，导致低温下电导率、热导率和剪切黏度显著抑制。
• 由于缺乏连续的质子费米面，修正URCA过程及其他标准中微子发射机制失效。
• 电子和中子在局域质子上散射产生的中微子发射率遵循T⁶依赖关系，与标准的T⁻²依赖关系形成对比。
• 这种T⁶依赖关系可能显著改变低温下中子星的冷却速率，尤其是在超流相之后的阶段。
• 结果表明，在存在局域质子的情况下，中子星的冷却可能比标准模型预测得更慢。
• 该研究暗示局域质子可能导致中子星热演化和冷却曲线中可观测的偏离。