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超子星 内的直接 Urca 过程

超子星 内的直接 Urca 过程. 许妍 吉林大学理论物理中心. 超子星内的直接 URCA 过程. 一： 引言 二： 理论模型 三：数值结果 四：结论. 一 · 引 言. 中子星的预言和观测 中子星的结构 中子星的热演化过程 中子星冷却目前研究的状况 直接 Urca 过程 我们主要讨论的问题. 中子星的预言和观测. 1932 年， Chadwick 发现了中子，随后， Landau 预言了由中子构成的星体 --- 中子星。

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超子星 内的直接 Urca 过程

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  1. 超子星内的直接Urca过程 许妍 吉林大学理论物理中心

  2. 超子星内的直接URCA过程 一： 引言 二： 理论模型 三：数值结果 四：结论

  3. 一 · 引 言 • 中子星的预言和观测 • 中子星的结构 • 中子星的热演化过程 • 中子星冷却目前研究的状况 • 直接Urca过程 • 我们主要讨论的问题

  4. 中子星的预言和观测 • 1932年，Chadwick发现了中子，随后，Landau预言了由中子构成的星体---中子星。 • 1934年，Baade和Zwicky指出中子星可能产生于超新星爆发。 • 1939年，Oppenheimer和Volkoff第一次对中子星的性质进行了理论计算。 • 1967年，Hewish和Bell利用射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星。 • 1968年，Gold证实射电脉冲星就是旋转的中子星。 • 1968年底，Crab脉冲星和Velta脉冲星相继被发现，至今已经发现约1500颗射电脉冲星。 • 1973年， Holse和Taylor发现了第一颗脉冲双星PSR1913+16。

  5. 中子星的结构 1固体壳层： 厚度：约1km 组成：主要是原子核和自由电子 2液态均匀核物质： 组成： 3固体核心区： 组成：Hyperon? Quark? Condensition of k, 中子星内部的结构

  6. 一 · 引 言 • 中子星的热演化过程 中子星是恒星引力塌缩的产物。新生中子星内部温度高达 , 然后由于发射中微子而迅速冷却到 K ，星体达到热平衡状态。中子星冷却可以分为两个阶段, 的中微子冷却阶段和 时的光子冷却阶段。我们主要讨论第一阶段。 在中子星的核心会发生所有可能的中微子发射过程。这些过程可以分为两类: (1) 快中微子发射过程 ：主要是核子和超子的直接Urca过程。 (2) 慢中微子发射过程 ：修改Urca过程，重子軔致辐射过程等。

  7. 一 · 引 言 • 中子星冷却目前研究的状况 中子星冷却过程的研究是当前核天体物理领域的前沿课题。到目前为止，人们已经做了大量的工作。影响中子星冷却的因素主要有以下六个方面： (1) 内部的中微子发射率 (2) 中子星物质的热容 (3) 以上两个方面依赖于中子星内部的组成 (4)核子超流对中微子发射的影响(A&A, 2001, 373, L17) (5)超子超流对中微子发射的影响(NPA,2003,721,1003) (6)磁场对中微子发射的影响(Physics Reports,2001,354,1)

  8. 一 · 引 言 • 直接Urca（D-Urca）过程 在中子星的核心，核子的直接Urca(ND-Urca)过程导致了最大的中微子发射率，其次是超子的直接Urca(YD-Urca)过程 。当核子超流而超子正常时， YD-Urca 过程将成为中微子冷却阶段的主要机制。因此，研究上面六个因素对D-Urca过程的影响是很重要的。 中微子发射率的计算有两种方法： (1) 非相对论的中微子发射率，由Lattmer等提出 (PRL ,1991, 66 ,2701) (2)相对路论的中微子发射率，由L.B.Leinson提出 (NPA,2002, 707,543)

  9. 一 · 引 言 • 我们主要讨论的问题 （1）比较相对论和非相对论两种发射率的区别 （2）讨论YD-Urca过程在中子星冷却中的地位 （3）给出 介子对D-Urca过程的影响。

  10. 一 · 引 言 对双 超核( )的观测和分析表明超子之间存在吸引作用。 超子超子相互作用的强度 会明显的影响致密物质尤其 是中子星的整体性质。 (PRL 87 2001 212502)

  11. 一 · 引 言 另外，不同模型下的结果均表明在致密星体内部超子的丰度会超过核子的丰度。也就是说，在中子星内的核心区域超子会成为主要的粒子种类。 所以有必要引入额外的介子 来拟合得到超子-超子相互作用。目前为止，人们已经在RMFT中引入了超子超子相互作用并且做了大量的工作。本文主要讨论这两种介子的引入对中微子发射率的影响。

  12. 二. 理论模型 • 中微子发射率 • 相对论平均场理论（RMFT）

  13. 两种中微子发射率的表达 中微子发射率可以由Fermi Golden规则获得，具体表达式如下所示： (1) 非相对论 (2) 相对论

  14. 二.理论模型 • 相对论平均场理论 RMFT为相对论核多体的研究提供了基本的理论框架。这一理论的基本思想是把核子当做满足狄拉克方程的相对论粒子，而等效的二体力则被相应的等效介子场代替。（等效介子场指在体系的拉氏量中出现的各种介子质量和各种耦合常数均当做自由参数处理，待用实验值或某些成熟的理论结果确定了这些参数后，它们就成了不变的值。）

  15. 二.理论模型 在标准的RMFT 内 ,包含轻子的核物质的拉氏量有如下的形式：

  16. 介子相关的拉氏量如下:

  17. 二.理论模型 得到场方程如下:

  18. 其中：

  19. 二.理论模型 能量密度和压强

  20. 二.理论模型 TOV方程 其中M表示星体质量，r表示星体半径，G表示引力常数。

  21. 三.数值结果 • 分以下三种情况给出D-Urca过程的发射率 （一）中子星内部组成：n, p, e （二）中子星内部组成：n, p, e + hyperon（包含 YD-Urca过程，不包含 介子 ） （三）中子星内部组成：n, p, e + hyperon（包含 YD-Urca过程，包含 介子(5MeV)） （四）中子星内部组成：n, p, e + hyperon（包含 YD-Urca过程，包含 介子(1MeV)） 注意：不包含 三重态

  22. 图1：np物质ND-Urca过程的发射率随粒子数密度n的变化图1：np物质ND-Urca过程的发射率随粒子数密度n的变化 相对论的发射率远远大于非相对论的发射率并且趋势相反 数值结果(一) ND-Urca过程

  23. 数值结果(一) ND-Urca过程 图2：nph物质的ND-Urca过程随粒子数密度n的变化 （1）两种发射率都是下降的趋势 （2）n>0.261后 ( 3 ) 对发射率影响较小

  24. 数值结果（一）ND-Urca过程 图3：nph物质的ND-Urca过程随粒子数密度n的变化 （1）两种发射率都是下降的趋势 （2）n>0.261后， ( 3 ) 对 发射率影响较小。 图3

  25. 数值结果（一）ND-Urca过程 以上是ND-Urca过程的所有结果 （1）hyperon的出现抑制了ND-Urca过程的中微子发射率 （2） 介子对ND-Urca过程发射率的影响较小

  26. 数值结果（二）YD-Urca过程 • 以下我们主要比较ND-Urca过程和YD-Urca过程，从而说明YD-Urca过程的重要性。我们考虑的主要中微子发射过程如下：

  27. 数值结果（二）YD-Urca过程 图4：三种情况非相对论中微子发射率随粒子数密度的变化

  28. 数值结果（二）YD-Urca过程 图5：相对论中微子发射率随粒子数密度的变化

  29. 数值结果（二）YD-Urca过程 • 四个过程发生的临界密度如下表所示：

  30. 三. 数值结果 图6：星体质量随粒子数 密度的变化。

  31. 数值结果（二）ND-Urca和 YD-Urca过程 • 四个过程出现的临界密度和粒子出现的临界密度比较 (1) ， 出现就发生反应B,C (2) 出现稍晚，D过程才发生

  32. 数值结果（二）ND-Urca和 YD-Urca过程 • 为了突出YD-Urca过程对总的发射率的贡献，以下我们给出了几个比较的图形。

  33. 数值结果（二）ND-Urca和 YD-Urca过程 • 为了突出YD-Urca过程对总的发射率的贡献，以下我们给出了几个比较的图形。

  34. 数值结果（二）ND-Urca和 YD-Urca过程 • 为了突出YD-Urca过程对总的发射率的贡献，以下我们给出了几个比较的图形。

  35. 数值结果（二）ND-Urca和 YD-Urca过程 • YD-Urca过程在冷却过程中发挥了较大的作用，从图8可以看出，非相对论的D过程的发射率已经超过了ND-Urca过程的发射率。这将对大质量中子星的冷却曲线有很大的影响，为天文观测给出提示。 • YD-Urca过程的发生的临界密度与超子出现的阈密度几乎相同，超子出现后就会发生。 • 介子促使YD-Urca过程的提前发生。 • 我们所得到的结果依赖于选取的模型。

  36. 总 结 前人的工作表明，超子直接URCA过程虽然其量级远低于核子直接URCA过程，但仍属于快速冷却过程。本文在相对论平均场理论框架下研究了超子自由度及超子直接URCA过程对核子直接URCA过程及超子星总中微子发射率的影响。研究结果表明： • 尽管顾及了超子直接URCA过程，核子直接URCA过程仍在超子星冷却过程中起主导作用。但是，超子自由度的存在，改变了核子与电子的丰度，也改变了核子的有效质量。这些改变会对核子直接URCA过程产生重要影响。 • 在低密度区域，由于超子的丰度较小，对核子直接URCA过程的影响亦小。再加上超子直接URCA过程的贡献，使这一密度区域的中微子发射率增加，从而加速了小质量星的冷却过程。

  37. 总 结 • 随着密度的增加，超子自由度对核子直接URCA过程的影响更加明显，由于超子自由度的存在使核子与电子的丰度减小，从而压低了核子直接URCA过程的中微子的发射率，尽管计入了超子直接URCA过程的贡献，仍然使得中微子总的发射率随密度的增加而减小，使大质量超子星的冷却过程变慢。 • 随着密度的进一步增加，超子直接URCA过程会超过核子直接URCA过程的中微子的发射率。这种情况只存在于非相对论近似。D反应（ ）作用很大。将对大质量中子星冷却有重大影响。 • 介子对ND-Urca过程影响不大，对YD-Urca过程影响明显，能够促使反应提前发生。

  38. 谢 谢

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