Остывание нейтронных звезд со сверхтекучими ядрами Левенфиш, Ксения Петровна

Введение к работе

Актуальность работы

Нейтронные звезды (НЗ) — уникальные астрофизические объекты, плотность вещества в центральных слоях которых порядка и выше ядерной. Такое вещество состоит, в основном, из нейтронов с примесью протонов и электронов, а также, возможно, других частиц. Нейтроны, протоны и другие барионы могут образовывать куперовские пары под действием ядерных сил и переходить в сверхтекучее состояние. Критические температуры Т_с возникновения сверхтекучести зависят от (неизвестных пока) деталей сильного взаимодействия и многочастич-кых эффектов. Строгая микроскопическая теория, позволяющая рассчитать Т_с, отсутствует, а модельные расчеты дают различные значения, лежащие в широком интервале Т_с = 10⁷-10¹⁰ К. Это — самая высокотемпературная сверхтекучесть, известная в природе. Экспериментальное определение Т_с в лаборатории в настоящее время невозможно. В то же время, независимое определение критических температур барионной сверхтекучести, в принципе, может быть выполнено в "природных лабораториях", каковыми являются НЗ. Такие исследования способствуют выбору наиболее реалистичных уравнений состояния (жесткое или мягкое?) и выяснению других физических свойств сверхплотного вещества. Этим объясняется актуальность темы диссертации.

Критические температуры можно определять, сопоставляя результаты теоретических расчетов остывания НЗ при различных Т_с с наблюдательными данными о тепловом излучении одиночных НЗ. Для численного моделирования остывания НЗ нужно знать, как сверхтекучесть влияет на теплоемкость звезды и скорость нейтринных потерь энергии в ее недрах. До публикации работ, вошедших в данную диссертацию, влияние сверхтекучести на указанные величины учитывалось либо качественно, либо на основе приближенных расчетов. В диссертации получены точные (в рамках теории Бардина-Купера-Шриффера) выражения, описывающие влияние сверхтекучести на теплоемкость звезды и нейтринное энерговыделение. Результаты использованы для моделирования остывания Н? и наложения ограничений на критические температуры сверхтекучести нейтронов и протонов в ядре рентгеновского пульсара Геминга.

Цель работы:

Исследование влияния сверхтекучести барионов на теплоемкость и нейтринные потери энергии в ядрах нейтронных звезд.

Получение ограничений на температуры перехода нуклонов в сверхтекучие состояние в ядрах нейтронных звезд.

Научную новизну отражают следующие результаты:

1. Рассчитаны и аппроксимированы простыми формулами факторы, описывающие влияние сверхтекучести барионов на теплоемкость вещества в ядрах 113.

1. Получены общие выражения и выполнен расчет факторов подавления нейтринных потерь энергии в реакции прямого урка-процесса в ядре НЗ при наличии сверхтекучести одного или обоих барионов; участвующих в реакции. Показано, что при сильной совместной сверхтекучести обоих барионов подавление, в основном, осуществляется наиболее сильной сверхтекучестью.

2. Выполнен расчет скорости нейтринного внерговыделения в реакции протонной ветви модифицированного урка-процесса в несверхтекучих ядрах НЗ. Впервые указано на важность вклада етой реакции в нейтринные потери энергии НЗ.

3. Получены выражения и произведен расчет факторов подавления нейтринных потерь энергии в реакциях модифицированного урка-процесса и нуклон-нуклонного рассеяния в случае сверхтекучести нуклонов одного сорта. Разработаны приближенные критерии подобия факторов подавления, позволяющие обобщить результаты на случай совместной сверхтекучести нейтронов и протонов.

4. Рассчитано остывание нейтронной звезды со стандартной и усиленной нейтринной светимостью при наличии сверхтекучести нуклонов в ее ядре. Выполнено сравнение результатов с данными наблюдений обсерваторией ROSAT теплового излучения рентгеновского пульсара Геминга и получены ограничения на критические температуры перехода нейтронов и протонов в сверхтекучее состояние в ядре Геминги.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Расчет и аналитическая аппроксимация факторов, описывающих влияние

сверхтекучести барионов на теплоемкость ядер НЗ. 2» Исследование подавления нейтринного энерговыделения в реакции прямого

урка-процесса в сверхтекучем ядре НЗ.

3. Вычисление скорости .нейтринного энерговыделения в реакции протонной ветви модифицированного урка-процесса в несверхтекучем ядре НЗ.

4. Разработка теории и расчет факторов подавления нейтринных потерь энергии в реакциях модифицированного урка-процесса и нуклон-нуклонного рассеяния в ядре НЗ.

5. Моделирование стандартного и ускоренного остывания НЗ со сверхтекучим ядром. Сравнение расчетов с наблюдениями теплового излучения рентгеновского пульсара Геминга и наложение ограничений на критические температуры нейтронов и протонов в ядре Геминги.

Научная и практическая значимость работы. Результаты диссертации необходимы для исследования фундаментальных свойств вещества сверхъядерной плотности в ядрах НЗ, для численного моделирования остывания нейтронных звезд со сверхтекучими ядрами, и адекватной интерпретации данных наблюдений теплового излучения НЗ.

Апробация работы. Основное содержагче работы докладывалось на семинарах сектора теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, семинаре кафедры астрофизики СПбГУ, на международных конференциях "Физика сильно неидеальной плазмы" (Рочестер, США, 1992), "Современные проблемы астрофизики" (Копенгаген, 1993), и на кратком рабочем совещании по физике нейтронных звезд (С.Петербург, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, июнь 1995).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в пяти печатных работах, приведенных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 129 страниц печатного текста, в том числе 19 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 123 наименования.