中子星冷却性质的研究

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中子星热演化的研究是当前核物理领域的前沿课题。本文主要是在相对论平均场理论(RMFT)框架下,对影响中子星冷却的因素进行了一些研究。这篇文章讨论了以下四个问题:首先,给出了中微子发射率的两种计算表达式。非相对论的中微子发射率自提出以来被广泛应用。可是实际上我们知道直接URCA过程发生的阈密度一般在几倍的核物质饱和密度处,在这个密度以上,重子在中子星核心的运动就是相对论的,因而有必要对重子直接URCA过程中微子能量损失的计算采用相对论的公式,而且我们所用的状态方程也是相对论的,这使理论计算的结果更自洽。相对论的结果表明,随着中子星密度的增加,直接URCA过程给出的中微子发射率不断增加,而非相对论的计算结果则相反,其中微子发射率随着密度的增加不断减少。事实上,星体密度越高越应该考虑相对论效应。上述结果表明用相对论公式计算得到的中微子发射率更可靠,而非相对论近似的结果随着密度的增加偏差越来越大。我们进一步计算了非超流中子星核心的冷却曲线,结果表明当不考虑重子超流作用时,核子直接URCA过程的冷却速度非常快。其次,我们研究了超子自由度及超子直接URCA(Y-DURCA)过程对核子直接URCA(N-DURCA)过程及中子星总中微子发射率的影响。研究结果可以分为两个方面:第一,超子出现对N-DURCA过程的影响。结果表明超子的出现抑制了N-DURCA过程的中微子发射率。这主要是因为,超子的出现,抑制了质子和轻子的丰度,使得N-DURCA过程的中微子发射率变小。第二,超子以及σ*和φ介子对Y-DURCA过程的影响。结果表明Y-DURCA过程虽然其量级低于N-URCA过程,但仍属于快速冷却过程。不同的ΛΛ相互作用能,如△B(?)≈1MeV和△B(?)≈5MeV会敏感的影响Y-DURCA过程的发射率,改变D反应:(?)-→(?)0+e+(?)发生的阈密度。ΛΛ相互作用越弱其Y-DURCA过程的中微子发射率越强,还能够促使反应D提前发生(如△B(?)≈1MeV时),并会加速星体冷却速度。最后Y-DURCA过程发生不需要超子含量达到一定的数值,而是超子出现后就可以发生反应。总之,我们可以得到这样的结论,超子自由度的出现,加快了小质量中子星的冷却速度,减慢了大质量中子星的冷却速度。接下来,我们研究了同位旋矢量-标量相互作用对N-DURCA过程的影响。结果表明,同位旋矢量-标量介子δ使得中子和质子的有效质量发生劈裂,这正是N-DURCA过程所需要满足的条件。包含δ介子后,质子丰度Yp比没有δ介子场时高,由电中性和β平衡条件可知,Yp增加必然导致轻子丰度的增加,也会使动量守恒条件在更低的密度处实现。因此,包含δ介子使得系统质子丰度和电子丰度同时增加,这是中微子发射率明显增加的主要原因。也就是说δ介子场的出现不但降低了N-DURCA过程发生的阈密度而且还增加了中微子发射率只有考虑核子或超子超流才有可能改变由于直接URCA过程造成的中子星迅速冷却的状况,从而与天文观测结果吻合。我们研究了强质子超流对N-DURCA过程的抑制作用,并且与天文观测对照。结果表明,只考虑质子超流而忽略中子超流的作用,星体的热容量和核心区域的中微子发射率受到了抑制,因而中子星的冷却速度会减慢。而且中子星的冷却速度会随中子星质量增加而变快。同一质量的中子星,包含δ介子的中子星会比没有包含δ介子的中子星冷却速度快。最后,我们把理论的冷却曲线与观测到的孤立中子星PSR J0205+6449, PSR J1119-6127,PSR J0538+2817,PSR B0656+14等八个脉冲星的表面热辐射比较,发现包含δ介子的中子星的理论冷却曲线与观测范围符合很好。最后,我们研究了Λ超子1S0超流对Y-DURCA过程所涉及的两个反应B:A→p+e+(?)和C:(?)-→A+e+(?)的发射率的影响。新实验数据表明∑超子势是排斥的,在我们的模型中排除了∑超子。这将会突显反应B和C的重要性,它们发生的密度不高,会贯穿质量不太大的中子星核心区域。我们计算了Λ超子1S0态能隙函数,其中超子—介子耦合常数我们选取了最新的实验结果双超核(?)6He的ΛΛ相互作用能△B(?)=1.01±0.20-0.11 +0.18MeV时的值,并且在计算中选取的ΛΛ相互作用势基于SU(6)对称的夸克模型,与实验数据△B(?)=1.01±0.20-0.11 +0.18MeV保持了致性。利用获得的能隙函数△(k)计算了中子星内Λ超子1S0对出现的密度范围(2.19≤n≤4.33),把它与B(2.19≤n≤5.15)和C(2.67≤n≤5.15)反应发生的密度范围比较,发现反应B和C发生的大部分区域都会伴随Λ超子1S0超流的作用,这样会使得Λ超子的热容量和这两个反应的中微子发射率受到抑制作用,从而减慢中子星的冷却速度。而且给出了Y-DURCA过程的冷却曲线。Λ超流出现,使得B和C的冷却曲线在温度低于TCΛ时受到抑制。最后我们把理论的冷却曲线与七颗天文观测到的脉冲星PSR B0531+21, PSR J0205+6449, PSR J0538+2817, PSR B0656+14等的表面温度对照,发现它们都与理论的结果相一致。或许人们认为超子存在超流态可以通过理论与观测的比较得到证实。
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