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中子星冷却性质的研究

许妍  
【摘要】: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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