中性子星の核パスタ

タイトル:天体材料科学と核パスタ

著者:M.E.Caplan,C.J.Horowitz

最初の著者の機関:インディアナ大学,米国

ステータス:arXiv.org、オープンアクセス

中性子星の内部

中性子星は宇宙で最も密度の高い物体です。 当然のことながら、それらの内部の問題はエキゾチックであり、地球上のものとは異なり、私たちの太陽の質量をわずか10kmの星に押しつぶすことを想像してみてください! 中性子星の名前から推測されるように、中性子星は主に中性子で構成されており、電子と陽子のごく一部もその質量に寄与しています。 中性子星は、強い力ではなく重力によって束縛された巨大な原子核に似ていると考えることができます。 重力によって加えられる圧力の下で、物質は原子の核と同じ密度に圧縮され、中性子星における高密度物質の性質はこのbiteで議論されている。

さて、中性子星の地殻を通って下降することを視覚化しましょう。 図1は、降下中に発生する階層化された層の概略を示しています。 外側の地殻では、中性子は固体格子を形成する核に結合する。 私たちが地殻に深く降りるにつれて、核はますます巨大で中性子に富むようになります。 一定の大きさを超えて、中性子は核から溢れ出して滴り落ち始め、核の格子が浸漬された自由中性子の海を形成する。 これは、私たちの内側の地殻への移行を意味します。 ここでは、地殻(または”マントル”)の基部に、今日の論文が関係している複雑な核構造を発見します。 通常、核は球形であると予想されますが、ここでは核が変形して融合し、”核パスタ”と呼ばれるエキゾチックな形のクラスターを形成します。 この点を超えて、我々は均一な核物質を見つける星のコアに入る:中性子超流動(摩擦なしで流れる物質)と陽子超伝導体(抵抗なしで電気を伝導する物質)が共存する。

図1:(a)中性子星の構造 記号N、n、p、e、πはそれぞれ原子核、流体中性子、陽子、電子、ミューオンに対応します。 (b)中性子星の内部地殻の組成。 ソース: https://compstar.uni-frankfurt.de/outreach/short-articles/the-nuclear-pasta-phase/

核パスタ

中性子星内部の極端な高密度条件下では、核引力とクーロン反発の間の競争は、核パスタと呼ばれるエキゾチックな構造をもたらす。 Ravenhall、Pethick、およびWilsonは、核物質のこれらの異常な構成を最初に調査しました。 核パスタは、チューブ、シート、気泡などの複雑で非球形のパターンによって特徴付けられ、これらの構成はエネルギーを最小限に抑えます(図2参照)。 “核パスタ”という名前は、ラザニア、ニョッキ、スパゲッティなど、さまざまな種類のパスタに似ているために生まれました!

現在、中性子星における核パスタの理解は、主に理論計算に基づいています。 しかし、地殻内の核パスタの存在を支持するいくつかの観測的証拠が存在する。 例えば、Pons、Vigano、Reaは、pasta相が回転する中性子星(パルサー)の最大スピン周期を制限すると仮定しています。 彼らは、スピン周期が12秒を超える孤立したX線パルサーが存在しないことが、核パスタの観測的証拠である可能性があることを示唆している。 核パスタ層の観測シグネチャの探求は大きな関心のある研究課題である。

図2:異なる核パスタ相の例。 図3は紙の中にあります。

結果

本稿では、核パスタの半古典的な分子動力学シミュレーションを行っている。 関連する挙動は数千の核子のクラスターを含み、これらの重いクラスターは古典的に扱うことができるので、半古典的なアプローチが正当化される。 より小さなスケールで存在する量子効果を半古典モデルのパラメータを通して手で入れた。

著者らは、図2に示されている複雑なパスタ構造の幾何学とトポロジーをモデル化し、熱伝導率や電気伝導率などの材料の有用な特性を抽出します。 中性子星の地殻の底にパスタ層が存在することが、超新星ニュートリノ、磁場崩壊、降着中性子星の地殻冷却などの天体物理現象の観測にどのように影響するかを議論した。

上記では、Ponsらによって書かれた論文について議論しました。 核相には不純物が含まれていると予想される。 不純物は中性子星の磁場を0.1-1Myrにわたって崩壊させ、スピン周期が12秒未満の孤立したX線パルサーの観測された集団と一致する。 今日の論文の分子動力学シミュレーションは、パスタが高い不純物パラメータを有するというPonの仮定を支持する証拠を提供する。 したがって、パズルの別の部分は一緒に収まると我々は核パスタが中性子星の内側に存在することを信じるためにさらに多くの理由があります。

  • 著者について

リサ-ドラモンド

について私は、コンパクトな物体と重力波に興味を持つ天体物理学の博士課程の学生です。 私はオーストラリアのメルボルン大学で修士論文のために中性子星のインテリアを学び、今はMITで博士号を取得しています。

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