Abstract
We present a brief, observational review about the study of the cooling behaviour of accretion-heated neutron stars and the inferences about the neutron-star crust and core that have been obtained from these studies. Accretion of matter during outbursts can heat the crust out of thermal equilibrium with the core and after the accretion episodes are over, the crust will cool down until crust-core equilibrium is restored. We discuss the observed properties of the crust cooling sources and what has been learned about the physics of neutron-star crusts. We also briefly discuss those systems that have been observed long after their outbursts were over, i.e, during times when the crust and core are expected to be in thermal equilibrium. The surface temperature is then a direct probe for the core temperature. By comparing the expected temperatures based on estimates of the accretion history of the targets with the observed ones, the physics of neutron-star cores can be investigated. Finally, we discuss similar studies performed for strongly magnetized neutron stars in which the magnetic field might play an important role in the heating and cooling of the neutron stars.
Similar content being viewed by others
Notes
It still remains to be determined if the quiescent source studied by Asai et al. (1996a, b) is indeed the Rapid Burster and not an unrelated source in the same globular cluster (Liller 1). In addition, some of these other cluster sources might have contributed to the inferred flux of the Rapid Burster even if most of it originated from this source.
References
Altamirano, D., Homan, J., Linares, M. et al. 2010, The Astronomer’s Telegram, 2952.
Asai, K., Dotani, T., Kunieda, H., Kawai, N. 1996a, PASJ, 48. L27.
Asai, K., Dotani, T., Mitsuda, K. et al. 1996b, PASJ, 48, 257.
Asai, K., Dotani, T., Hoshi, R. et al. 1998, PASJ, 50, 611.
Bahramian, A., Heinke, C. O., Sivakoff, G. R. et al. 2014, ApJ, 780, 127.
Bahramian, A., Heinke, C. O., Degenaar, N. et al. 2015, MNRAS, 452, 3475.
Bassa, C., Jonker, P. G., Nelemans, G. et al. 2008, The Astronomer’s Telegram, 1575.
Bernardini, F., Cackett, E. M., Brown, E. F. et al. 2013, MNRAS, 436, 2465.
Bhattacharyya, S. 2008, MNRAS, 391, L117.
Bogdanov, S., Heinke, C. O., Özel, F., Güver, T. 2016, ApJ, 831, 184.
Bozzo, E., Falanga, M., Papitto, A. et al. 2007, A&A, 476, 301.
Bozzo, E., Romano, P., Falanga, M. et al. 2015, A&A, 579, A56.
Brown, E. F., Bildsten, L., Rutledge, R. E. 1998, ApJL, 504, L95.
Brown, E. F., Bildsten, L., Chang, P. 2002, ApJ, 574, 920.
Brown, E. F., Cumming, A. 2009, ApJ, 698, 1020.
Burderi, L., Di Salvo, T., Stella, L. et al. 2002, ApJ, 574, 930.
Cackett, E. M., Wijnands, R., Heinke, C. O. et al. 2005, ApJ, 620, 922.
Cackett, E. M., Wijnands, R., Heinke, C. O. et al. 2006a, MNRAS, 369, 407.
Cackett, E. M., Wijnands, R., Linares, M. et al. 2006b, MNRAS, 372, 479.
Cackett, E. M., Wijnands, R., Miller, J. M., Brown, E. F., Degenaar, N. 2008, ApJL, 687, L87.
Cackett, E. M., Brown, E. F., Miller, J. M., Wijnands, R. 2010a, ApJ, 720, 1325.
Cackett, E. M., Brown, E. F., Cumming, A. et al. 2010b, ApJL, 722, L137.
Cackett, E. M., Fridriksson, J. K., Homan, J., Miller, J. M., Wijnands, R. 2011, MNRAS, 414, 3006.
Cackett, E. M., Brown, E. F., Cumming, A. et al. 2013a, ApJ, 774, 131.
Cackett, E. M., Brown, E. F., Degenaar, N. et al. 2013b, MNRAS, 433, 1362.
Campana, S. 2009, ApJ, 699, 1144.
Campana, S., Stella, L. 2003, ApJ, 597, 474.
Campana, S., Mereghetti, S., Stella, L., Colpi, M. 1997, A&A, 324, 941.
Campana, S., Colpi, M., Mereghetti, S., Stella, L., Tavani, M. 1998a, A&ARv, 8, 279.
Campana, S., Stella, L., Mereghetti, S. et al. 1998b, ApJL, 499, L65.
Campana, S., Stella, L., Mereghetti, S., Cremonesi, D. 2000, A&A, 358, 583.
Campana, S., Gastaldello, F., Stella, L. et al. 2001, ApJ, 561, 924.
Campana, S., Stella, L., Gastaldello, F. et al. 2002a, ApJL, 575, L15.
Campana, S., Stella, L., Israel, G. L. et al. 2002b, ApJ, 580, 389.
Campana, S., Ferrari, N., Stella, L., Israel, G. L. 2005, A&A, 434, L9.
Campana, S., Stella, L., Israel, G., D’Avanzo, P. 2008, ApJL, 689, L129.
Catuneanu, A., Heinke, C. O., Sivakoff, G. R., Ho, W. C. G., Servillat, M. 2013, ApJ, 764, 145.
Chakrabarty, D., Krauss, M. I., Jonker, P. G., Juett, A. M., Markwardt, C. B. 2007, The Astronomer’s Telegram, 1096.
Chakrabarty, D., Jonker, P. G., Markwardt, C. B. 2014a, The Astronomer’s Telegram, 5894.
Chakrabarty, D., Tomsick, J. A., Grefenstette, B. W. et al. 2014b, ApJ, 797, 92.
Cheng, Z., Mendez, M., Diaz-Trigo, M., Costantini, E. 2017, MNRAS, submitted (arXiv:1706.04784).
Colpi, M., Geppert, U., Page, D., Possenti, A. 2001, ApJL, 548, L175.
Cornelisse, R., Verbunt, F., in’t Zand, J. J. M., Kuulkers, E., Heise, J. 2002, A&A, 392, 931.
Cornelisse, R., Wijnands, R., Homan, J. 2007, MNRAS, 380, 1637.
Coti Zelati, F., Rea, N., Papitto, A. et al. 2015, MNRAS, 449, 2685.
Cumming, A., Macbeth, J., in ’t Zand, J. J. M., Page, D. 2006, ApJ, 646, 429.
Cumming, A., Brown, E. F., Fattoyev, F. J. et al. 2017, PhRvC, 95, 025806.
Daigne, F., Goldoni, P., Ferrando, P. et al. 2002, A&A, 386, 531.
D’Angelo, C. R., Fridriksson, J. K., Messenger, C., Patruno, A. 2015, MNRAS, 449, 2803.
Deibel, A., Cumming, A., Brown, E. F., Page, D. 2015, ApJL, 809, L31
Deibel, A., Cumming, A., Brown, E. F., Reddy, S. 2017, ApJ, 839, 95.
Degenaar, N., Wijnands, R. 2009, A&A, 495, 547.
Degenaar, N., Wijnands, R. 2010, A&A, 524, A69.
Degenaar, N., Wijnands, R. 2011a, MNRAS, 412, L68.
Degenaar, N., Wijnands, R. 2011b, MNRAS, 414, L50.
Degenaar, N., Wijnands, R. 2012, MNRAS, 422, 581.
Degenaar, N., Wijnands, R. 2013, Feeding Compact Objects: Accretion on All Scales, 290, 113.
Degenaar, N., Wijnands, R., Wolff, M. T. et al. 2009, MNRAS, 396, L26.
Degenaar, N., Wolff, M. T., Ray, P. S. et al. 2011a, MNRAS, 412, 1409.
Degenaar, N., Brown, E. F., Wijnands, R. 2011b, MNRAS, 418, L152.
Degenaar, N., Wijnands, R., Altamirano, D. et al. 2011c, The Astronomer’s Telegram, 3604.
Degenaar, N., Patruno, A., Wijnands, R. 2012a, ApJ, 756, 148.
Degenaar, N., Wijnands, R., Cackett, E. M. et al. 2012b, A&A, 545, A49.
Degenaar, N., Linares, M., Altamirano, D., Wijnands, R. 2012c, ApJ, 759, 8.
Degenaar, N., Wijnands, R., Brown, E. F. et al. 2013, ApJ, 775, 48.
Degenaar, N., Wijnands, R., Miller, J. M. 2014a, ApJ, 787, 67.
Degenaar, N., Medin, Z., Cumming, A. et al. 2014b, ApJ, 791, 47.
Degenaar, N., Wijnands, R., Reynolds, M. T. et al. 2014c, ApJ, 792, 109.
Degenaar, N., Wijnands, R., Bahramian, A. et al. 2015, MNRAS, 451, 2071.
Degenaar, N., Ootes, L. S., Reynolds, M. T., Wijnands, R., Page, D. 2017, MNRAS, 465, L10.
Del Santo, M., Sidoli, L., Mereghetti, S. et al. 2007, A&A, 468, L17.
DÃaz Trigo, M., Boirin, L., Costantini, E., Méndez, M., Parmar, A. 2011, A&A, 528, A150.
Doroshenko, V., Santangelo, A., Doroshenko, R. et al. 2014, A&A, 561, A96.
Dotani, T., Asai, K., Wijnands, R. 2000, ApJL, 543, L145.
Elshamouty, K. G., Heinke, C. O., Morsink, S. M., Bogdanov, S., Stevens, A. L. 2016a, ApJ, 826, 162.
Elshamouty, K. G., Heinke, C. O., Chouinard, R. 2016b, MNRAS, 463, 78.
Fridriksson, J. K., Homan, J., Wijnands, R. et al. 2010, ApJ, 714, 270.
Fridriksson, J. K., Homan, J., Wijnands, R. et al. 2011, ApJ, 736, 162.
Fuerst, F., Kretschmar, P., Kajava, J. J. E. et al. 2017, A&A, in press (arXiv:1707.06496).
Fujimoto, M. Y., Hanawa, T., Iben, I., Jr., Richardson, M. B. 1984, ApJ, 278, 813.
Garcia, M. R., Callanan, P. J. 1999, AJ, 118, 1390.
Garcia, M. R. 1994, ApJ, 435, 407.
Haensel, P., Zdunik, J. L. 1990a, A&A, 227, 431.
Haensel, P., Zdunik, J. L. 1990b, A&A, 229, 117.
Haensel, P., Zdunik, J. L. 2003, A&A, 404, L33.
Haensel, P., Zdunik, J. L. 2008, A&A, 480, 459.
Halpern, J. P., Gotthelf, E. V. 2007, ApJ, 669, 579.
Han, S., Steiner, A. W. 2017, arXiv:1702.08452.
Haskell, B., Degenaar, N., Ho, W. C. G. 2012, MNRAS, 424, 93.
Heinke, C. O., Wijnands, R., Cohn, H. N. et al. 2006, ApJ, 651, 1098.
Heinke, C. O., Jonker, P. G., Wijnands, R., Taam, R. E. 2007, ApJ, 660, 1424.
Heinke, C. O., Jonker, P. G., Wijnands, R., Deloye, C. J., Taam, R. E. 2009a, ApJ, 691, 1035.
Heinke, C. O., Cohn, H. N., Lugger, P. M. 2009b, ApJ, 692, 584.
Heinke, C. O., Altamirano, D., Cohn, H. N. et al. 2010, ApJ, 714, 894.
Heinke, C. O., Cohn, H. N., Lugger, P. M. et al. 2014, MNRAS, 444, 443.
Homan, J., Fridriksson, J. K., Wijnands, R. et al. 2014, ApJ, 795, 131.
Homan, J., Sivakoff, G., Pooley, D. et al. 2016, The Astronomer’s Telegram, 8971.
Horowitz, C. J., Berry, D. K., Brown, E. F. 2007, PhRvE, 75, 066101.
Horowitz, C. J., Dussan, H., Berry, D. K. 2008, PhRvC, 77, 045807.
Horowitz, C. J., Berry, D. K., Briggs, C. M. et al. 2015, Physical Review Letters, 114, 031102.
Içdem, B., Inam, S., Baykal, A. 2011, MNRAS, 415, 1523.
in’t Zand, J. J. M. 2005, A&A, 441, L1.
in’t Zand, J. J. M., van Kerkwijk, M. H., Pooley, D. et al. 2001, ApJL, 563, L41.
in’t Zand, J. J. M., Homan, J., Keek, L., Palmer, D. M. 2012, A&A, 547, A47.
Lin, J., Nowak, M. A., Chakrabarty, D. 2009, ApJ, 706, 1069.
Jonker, P. G., Méndez, M., Nelemans, G., Wijnands, R., van der Klis, M. 2003, MNRAS, 341, 823.
Jonker, P. G., Wijnands, R., van der Klis, M. 2004a, MNRAS, 349, 94.
Jonker, P. G., Galloway, D. K., McClintock, J. E. et al. 2004b, MNRAS, 354, 666.
Jonker, P. G., Campana, S., Steeghs, D. et al. 2005, MNRAS, 361, 511.
Jonker, P. G., Bassa, C. G., Nelemans, G. et al. 2006, MNRAS, 368, 1803.
Jonker, P. G., Steeghs, D., Chakrabarty, D., Juett, A. M. 2007a, ApJL, 665, L147.
Jonker, P. G., Bassa, C. G., Wachter, S. 2007b, MNRAS, 377, 1295.
Jonker, P. G., Torres, M. A. P., Steeghs, D. 2008, ApJ, 680, 615-619.
Jonker, P. G., Torres, M. A. P., Steeghs, D., Chakrabarty, D. 2011, The Astronomer’s Telegram, 3559.
Linares, M., Altamirano, D., Chakrabarty, D., Cumming, A., Keek, L. 2012, ApJ, 748, 82.
Linares, M., Bahramian, A., Heinke, C. et al. 2014, MNRAS, 438, 251.
Lowell, A. W., Tomsick, J. A., Heinke, C. O. et al. 2012, ApJ, 749, 111.
Lyubarsky, Y., Eichler, D., Thompson, C. 2002, ApJL, 580, L69.
Malizia, A., Bassani, L., Sguera, V. et al. 2010, MNRAS, 408, 975.
Medin, Z., Cumming, A. 2014, ApJL, 783, L3.
Meisel, Z., Deibel, A. 2017, ApJ, 837, 73.
Mereghetti, S., Bignami, G. F., Caraveo, P. A., Goldwurm, A. 1987, ApJ, 312, 755.
Merritt, R. L., Cackett, E. M., Brown, E. F. et al. 2016, ApJ, 833, 186.
Miralda-Escude, J., Paczynski, B., Haensel, P. 1990, ApJ, 362, 572.
Mukherjee, U., Paul, B. 2005, A&A, 431, 667.
Muno, M. P., Baganoff, F. K., Arabadjis, J. S. 2003, ApJ, 598, 474.
Negoro, H., Furuya, K., Ueno, S. et al. 2015, The Astronomer’s Telegram, 7943.
Negoro, H., Nakajima, M., Ueno, T. F. S. et al. 2016, The Astronomer’s Telegram, 8513.
Negueruela, I., Reig, P., Finger, M. H., Roche, P. 2000, A&A, 356, 1003.
Nowak, M. A., Heinz, S., Begelman, M. C. 2002, ApJ, 573, 778.
Orlandini, M., Bartolini, C., Campana, S. et al. 2004, Nuclear Physics B Proceedings Supplements, 132, 476.
Ootes, L. S., Page, D., Wijnands, R., Degenaar, N. 2016, MNRAS, 461, 4400.
Ootes, L. S., Wijnands, R., Page, D., Degenaar, N. 2017, MNRAS, submitted.
Özbey Arabacı, M., Camero-Arranz, A., Zurita, C. et al. 2015, A&A, 582, A53.
Page, D., Geppert, U., Weber, F. 2006, Nuclear Physics A, 777, 497.
Page, D., Reddy, S. 2012, arXiv:1201.5602.
Page, D., Reddy, S. 2013, Physical Review Letters, 111, 241102.
Parikh, A. S. Wijnands, R. 2017, MNRAS, submitted (arXiv:1707.05606).
Parikh, A., Wijnands, R., Bahramian, A., Degenaar, N., Heinke, C. 2017a, The Astronomer’s Telegram, No. 10169, 169.
Parikh, A. S., Wijnands, R., Degenaar, N. et al. 2017b, MNRAS, 466, 4074.
Parikh, A. S., Homan, J., Wijnands, R. et al. 2017c, MNRAS, submitted.
Parmar, A. N., White, N. E., Giommi, P., Gottwald, M. 1986, ApJ, 308, 199.
Papitto, A., di Salvo, T., Burderi, L. et al. 2007, The Astronomer’s Telegram, 1133.
Pons, J. A., Rea, N. 2012, ApJL, 750, L6.
Ponti, G., Bianchi, S., Muñoz-Darias, T. et al. 2015a, MNRAS, 446, 1536.
Ponti, G., Morris, M. R., Terrier, R. et al. 2015b, MNRAS, 453, 172.
Potekhin, A. Y., Chabrier, G., Yakovlev, D. G. 1997, A&A, 323, 415.
Rea, N., Israel, G. L., Esposito, P. et al. 2012, ApJ, 754, 27.
Rea, N., Israel, G. L., Pons, J. A. et al. 2013, ApJ, 770, 65.
Reig, P. 2011, Ap&SS, 332, 1.
Reig, P., Doroshenko, V., Zezas, A. 2014, MNRAS, 445, 1314.
Rothschild, R., Markowitz, A., Hemphill, P. et al. 2013, ApJ, 770, 19.
Rouco Escorial, A., Bak Nielsen, A.-S., Wijnands, R. et al. 2017, MNRAS, in press (arXiv:1704.00284).
Rutledge, R. E., Bildsten, L., Brown, E. F., Pavlov, G. G., Zavlin, V. E. 1999, ApJ, 514, 945.
Rutledge, R. E., Bildsten, L., Brown, E. F., Pavlov, G. G., Zavlin, V. E. 2000, ApJ, 529, 985.
Rutledge, R. E., Bildsten, L., Brown, E. F., Pavlov, G. G., Zavlin, V. E. 2001a, ApJ, 551, 921.
Rutledge, R. E., Bildsten, L., Brown, E. F., Pavlov, G. G., Zavlin, V. E. 2001b, ApJ, 559, 1054.
Rutledge, R. E., Bildsten, L., Brown, E. F., Pavlov, G. G., Zavlin, V. E. 2002a, ApJ, 577, 346.
Rutledge, R. E., Bildsten, L., Brown, E. F. et al. 2002b, ApJ, 580, 413.
Rutledge, R. E., Bildsten, L., Brown, E. F. et al. 2007, ApJ, 658, 514.
Sakano, M., Warwick, R. S., Decourchelle, A., Wang, Q. D. 2005, MNRAS, 357, 1211.
Sato, K. 1979, Progress of Theoretical Physics, 62, 957.
Scholz, P., Ng, C.-Y., Livingstone, M. A. et al. 2012, ApJ, 761, 66.
Scholz, P., Kaspi, V. M., Cumming, A. 2014, ApJ, 786, 62.
Servillat, M., Dieball, A., Webb, N. A. et al. 2008, A&A, 490, 641.
Servillat, M., Heinke, C. O., Ho, W. C. G. et al. 2012, MNRAS, 423, 1556.
Schatz, H., Aprahamian, A., Barnard, V. et al. 2001, Nuclear Physics A, 688, 150.
Schatz, H., Gupta, S., Möller, P. et al. 2014, Nature, 505, 62.
Schulz, N. S., Kahabka, P., Zinnecker, H. 1995, A&A, 295, 413.
Shternin, P. S., Yakovlev, D. G., Haensel, P., Potekhin, A. Y. 2007, MNRAS, 382, L43.
Stella, L., Campana, S., Mereghetti, S., Ricci, D., Israel, G. L. 2000, ApJL, 537, L115.
Tomsick, J. A., Gelino, D. M., Halpern, J. P., Kaaret, P. 2004, ApJ, 610, 933.
Tomsick, J. A., Gelino, D. M., Kaaret, P. 2005, ApJ, 635, 1233.
Tomsick, J. A., Gelino, D. M., Kaaret, P. 2007, ApJ, 663, 461.
Tomsick, J. A., Chaty, S., Rodriguez, J., Walter, R., Kaaret, P. 2008, ApJ, 685, 1143-1156.
Tomsick, J. A., Heinke, C., Halpern, J. et al. 2011, ApJ, 728, 86.
Torres, M. A. P., McClintock, J. E., Garcia, M. R., Murray, S. S. 2004a, The Astronomer’s Telegram, 233.
Torres, M. A. P., McClintock, J. E., Garcia, M. R., Murray, S. S. 2004b, The Astronomer’s Telegram, 238.
Torres, M. A. P., Jonker, P. G., Steeghs, D. et al. 2008, ApJ, 672, 1079-1090.
Tsygankov, S. S., Mushtukov, A. A., Suleimanov, V. F. et al. 2017a, MNRAS, submitted (arXiv:1703.04528).
Tsygankov, S. S., Wijnands, R., Lutovinov, A. A., Degenaar, N., Poutanen, J. 2017, MNRAS, 470, 126.
Turlione, A., Aguilera, D. N., Pons, J. A. 2015, A&A, 577, A5.
Ushomirsky, G., Rutledge, R. E. 2001, MNRAS, 325, 1157.
van Paradijs, J., Verbunt, F., Shafer, R. A., Arnaud, K. A. 1987, A&A, 182, 47.
Vats, S., Wijnands, R., Degenaar, N., Ootes, L., Parikh, A., 2017, MNRAS, submitted.
Verbunt, F., Belloni, T., Johnston, H. M., van der Klis, M., Lewin, W. H. G. 1994, A&A, 285, 903.
Voskrensensky, D.N., Senatorov, A.V. 1986, Sobiet Pys. JETP, 63, 885.
Walsh, A. R., Cackett, E. M., Bernardini, F. 2015, MNRAS, 449, 1238.
Waterhouse, A. C., Degenaar, N., Wijnands, R. et al. 2016, MNRAS, 456, 4001.
Wijnands, R., Wang, Q. D. 2002, ApJL, 568, L93.
Wijnands, R., Degenaar, N. 2013, MNRAS, 434, 1599.
Wijnands, R., Degenaar, N. 2016, MNRAS, 463, L46.
Wijnands, R., Miller, J. M., Markwardt, C., Lewin, W. H. G., van der Klis, M. 2001, ApJL, 560, L159.
Wijnands, R., Kuiper, L., in ’t Zand, J. et al. 2002a, ApJ, 571, 429.
Wijnands, R., Heinke, C. O., Grindlay, J. E. 2002b, ApJ, 572, 1002.
Wijnands, R., Guainazzi, M., van der Klis, M., Méndez, M. 2002c, ApJL, 573, L45.
Wijnands, R., Nowak, M., Miller, J. M. et al. 2003, ApJ, 594, 952.
Wijnands, R., Homan, J., Miller, J. M., Lewin, W. H. G. 2004, ApJL, 606, L61.
Wijnands, R., Heinke, C. O., Pooley, D. et al. 2005a, ApJ, 618, 883.
Wijnands, R., Homan, J., Heinke, C. O., Miller, J. M., Lewin, W. H. G. 2005b, ApJ, 619, 492.
Wijnands, R., in’t Zand, J. J. M., Rupen, M. et al. 2006, A&A, 449, 1117.
Wijnands, R., Rol, E., Cackett, E., Starling, R. L. C., Remillard, R. A. 2009, MNRAS, 393, 126.
Wijnands, R., Degenaar, N., Page, D. 2013, MNRAS, 432, 2366.
Wijnands, R., Degenaar, N., Armas Padilla, M. et al. 2015, MNRAS, 454, 1371.
Wilson, C. A., Weisskopf, M. C., Finger, M. H. et al. 2005, ApJ, 622, 1024.
Yakovlev, D. G., Pethick, C. J. 2004, ARAA, 42, 169.
Zhang, G., Méndez, M., Jonker, P., Hiemstra, B. 2011, MNRAS, 414, 1077.
Acknowledgements
RW acknowledges support from a NWO Top Grant, Module 1. ND is supported by a NWO VIDI Grant. DPs work is supported by Grant No. 240512 from Conacyt CB-2014-1. The authors thank Aastha Parikh for making the most up-to-date version of Fig. 2. They thank Laura Ootes, Aastha Parikh, Alicia Rouco Escorial and Liliana Rivera Sandoval for comments on an earlier version of this review.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Wijnands, R., Degenaar, N. & Page, D. Cooling of Accretion-Heated Neutron Stars. J Astrophys Astron 38, 49 (2017). https://doi.org/10.1007/s12036-017-9466-5
Received:
Accepted:
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s12036-017-9466-5