[論文レビュー] Centrifugal buoyancy as a mechanism for neutron star glitches

Brandon Carter, David Langlois+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、中性子星の超流動核における相対運動に起因する遠心浮力欠損が、ビスケットピン留めと同等のスケールのクリーストレスを生成し得ることを提案している。これは中性子星のグルーブ現象を説明する代替メカニズムとして有効である。この研究は、ビスケットピン留めが存在しない場合でも、外向きの浮力力が大規模な応力解放を引き起こす可能性があることを示しており、ベラ型パルサーで観測されたグルーブ振幅を説明できる。

ABSTRACT

The frequent glitches (sudden increases of the apparent angular velocity) observed in certain pulsars are generally believed to be attributable to discontinuous angular momentum transfer to the outer neutron star crust from a differentially rotating superfluid layer, but the precise mechanism is not quite elucidated. Most explanations invoke vortex pinning as the essential mechanism responsible for the build up of strain in the crust that is relaxed, either by fracture of the solid structure or by discontinous unpinning, during the glitch. It is shown here that there is another mechanism that could give rise to strain, and subsequent fracture, of the solid crust, even if vortex pinning is ineffective: this is the effective force arising from the deficit of centrifugal buoyancy that will be present whenever there is differential rotation. This centrifugal buoyancy deficit force will be comparable in order of magnitude, but opposite in direction, to the force that would arise from vortex pinning if it were effective.

研究の動機と目的

• ビスケットピン留め以外の中性子星グルーブのメカニズムを調査すること。
• 相対運動中の遠心浮力力がクリーストレスをどのように生成するかを検討すること。
• 浮力欠損が、ベラ型パルサーのような天体における大規模グルーブを説明するのに十分な応力を生成できるかを評価すること。
• 浮力欠損による応力とビスケットピン留めによる応力の大きさと方向を比較すること。
• ピン留めが効果を失う状況において、浮力力がグルーブメカニズムにおいて優勢である可能性を評価すること。

提案手法

• 超流動核と固体クリーストを持つ中性子星における定常的かつ相対的に回転する状態を分析する。
• 遠心浮力欠損に起因する有効力の式 $ f_{\rm b}^{\,i} = \rho_{\rm c} (\Omega_{\rm n} - \Omega) \Omega_{\rm n} \nabla^{i} \varpi^{2} $ を導出する。ここで $ \rho_{\rm c} $ はクリースト密度である。
• ビスケットピン留めによるジューコフスキー＝マグヌス力と比較し、方向は逆だが大きさは同等であることを示す。
• 化学ポテンシャル過剰力 ($ f_{\rm x}^{\,i} $) の役割を評価し、特定の条件下では無視可能であると仮定する。
• ピン留めが効かない場合のクリーストレスをモデル化するため、応力密度の式 $ f_{\rm s}^{\,i} = f_{\rm b}^{\,i} + f_{\rm x}^{\,i} $ を用いる。
• 典型的な中性子星パラメータ（$ \rho_{\rm c} \sim \rho_{\rm n} \sim 10^{13} \, \text{g/cm}^3 $）を用いて力のオーダーを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠心浮力欠損は、中性子星におけるビスケットピン留めと同等のクリーストレスを生成できるか？
• RQ2 相対回転する中性子星における遠心浮力欠損に起因する有効力の大きさと方向は何か？
• RQ3 浮力欠損メカニズムは、ビスケットピン留めメカニズムと定量的に比較して、グルーブ振幅をどの程度説明できるか？
• RQ4 どのような条件下で浮力メカニズムが応力生成においてピン留めを上回るか？
• RQ5 化学ポテンシャル過剰力は、クリーストの応力分布にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 遠心浮力欠損による力 $ f_{\rm b}^{\,i} = \rho_{\rm c} (\Omega_{\rm n} - \Omega) \Omega_{\rm n} \nabla^{i} \varpi^{2} $ は、クリーストに外向きの応力を生成し、ビスケットピン留めによる内向きの力と逆方向に作用する。
• 化学ポテンシャル過剰力が無視できる場合、浮力欠損による応力 $ f_{\rm s}^{\,i} \simeq f_{\rm b}^{\,i} $ は、ビスケットピン留めによる応力 $ f_{\rm s}^{\,i} \simeq -f_{\rm J}^{\,i} $ と同程度のオーダーとなり、方向は逆だが大きさは同等である。
• 浮力駆動による応力の大きさはピン留めによるものと同等であり、$ \rho_{\rm c} \sim \rho_{\rm n} \sim 10^{13} \, \text{g/cm}^3 $ の条件下で物理的に妥当であることが示された。
• 本稿は、ベラ型パルサーで観測された大規模グルーブ振幅が、必ずしもビスケットピン留めを示唆するものではなく、浮力欠損のみで同程度の応力レベルを生成可能であると結論づけている。
• 従来のモデルで遠心浮力効果を無視することは正当化できない。特に、低粘性によりエクマンポンプ効果が発揮されない状況では顕著である。
• 浮力欠損メカニズムは、ビスケットピン留めの代替として、これまでに無視されてきた有効なメカニズムである。