非平衡态下退禁闭物质对中子星热演化的影响

The study of the neutron star cooling theories compared with the observations is a hot research subject currently. Depending on the microphysics mechanisms, constructing different neutron star models, testing the cooling models with the new observations, researchers probe the state of super-density matter, and limit the temperature, inner structure and compositions of the star. In this work, we study the effect of deconfinement matter on the thermal evolution of the neutron star in non-equilibrium state，and consider the astrophysics processes in it. Investigating the influence of deconfinement phase transition to chemical departure and combining the evolution history of the star, we quantize the heating efficiency of chemical heating. Even more important, when quark matter is in the superconducting state, the chemical departure will cause a new PBF (pairs breaking and formation) process. Different from the traditional PBF process trigered by the low temperature, the new PBF process arises quickly in non-equilibrium state. The process will be a new way in chemical heating mechanism and affect the cooling of the neutron star. The research focuses on the physics mechanisms in the neutron star which containing deconfinement matter in non-equilibrium state, and studies the effect of them on the star evolutions. Through interpreting the observations, we investigate the properties of dense matter and the signals of quark matter in the neutron star. These are very important in the research of the cooling theories.

中子星的冷却理论和热辐射观测对比研究是当前热门前沿课题。人们通过研究微观物理机制，构造各种中子星模型，并不断将冷却理论模拟与新的观测进行比较，以探索超密物质状态方程，限定恒星的温度、内部结构和成分。本项目研究非平衡态下，退禁闭夸克物质对中子星热演化的重要影响及其内部天体物理过程。探索夸克的退禁闭相变对化学不平衡的影响，并联立星体演化历史重新考量星体内化学加热的效率。更重要的是，当夸克处于色超导态时，化学不平衡可引发一种新的库珀对不断配对与破坏的物理过程（PBF过程），对比传统的因温度而引发的PBF过程，新的PBF过程是在化学不平衡的情况下激烈发生的。此过程可能是一种新的化学加热途径，从而影响中子星热演化行为。项目综合深入研究非平衡态下含退禁闭物质中子星内一系列物理机制，及最终对星体热演化的影响，并试图解释观测，给出中子星内物质的特性及夸克物质信号，对于中子星的冷却理论研究有重要意义。

本项目按照研究计划顺利实施，达到研究预期目标。一般认为，脉冲星是由超密核物质构成的致密天体(中子星)，但其内部物质成分到底如何至今仍在探索中。中子星理论模型与观测对比研究是探究中子星内部致密物质性质的重要手段，近年来一些研究结果表明，中子星内极有可能存在奇异夸克物质。随着地面高能核物理的发展，高能重离子碰撞实验也预示夸克物质的存在，含有奇异夸克物质的中子星理论模型研究显得日益重要。项目研究了中子星内核子的退禁闭相变对化学偏离的重要影响，在均匀混杂星模型下计算了化学偏离量和表面温度演化情况，结果表明退禁闭相变加剧了中子星内各粒子的化学偏离程度，并明显提升化学加热的加热效率，加热效应更早出现。而且当星体内的核子分别发生直接Urca过程和修改Urca过程时，混合相中夸克、核子对热演化过程的主导地位并不相同。更进一步，通过考虑星体实际物态和结构，以及广义相对论效应，本项目给出了退禁闭效应存在时，混杂星内的化学偏离与热演化的严格计算方程，并选取一定的典型脉冲星与毫秒脉冲星参数，将理论曲线与观测进行对比。当选择典型的脉冲星参数时，我们发现没有退禁闭效应的化学加热效应并不明显，然而考虑退禁闭效应之后温度得到明显提升，化学加热效应在10^5年后仍明显。选取具有中等强度磁场，不同初始旋转周期的经典脉冲星参数计算热演化曲线与观测进行对比，可以看出不同周期的热演化曲线在10^6年后基本一致，尽管理论预言曲线温度要低于PSR B1929+10, PSR B0950+08和PSR B0108-1431观测的限制，但热演化的趋势相比没有退禁闭效应时有明显改善。当选择毫秒脉冲星参数时，计算出来的热演化曲线表明退禁闭效应明显提升加热效率，这与之前取均匀模型时计算的结果一致，准平衡态温度提升约28.5%。退禁闭相变使得温度在10^7年后仍然很高，且与毫秒脉冲星J0437-4715的观测限制一致。化学加热机制的研究提示我们，以往的研究主要考虑星体处于各种平衡态，而实际上非平衡态才是旋转中子星内的常态，非平衡态下中子星内的物理图象也与以往不同，可能出现一些新的物理现象和效应，值得深入研究。