[論文レビュー] Effects of anisotropy on strongly magnetized neutron and strange quark stars in general relativity

Debabrata Deb, Banibrata Mukhopadhyay+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 152被引用数 75

ひとこと要約

本研究では、一般相対性理論におけるトロルマン＝オッペンハイマー＝ヴォルコフ（TOV）方程式を用い、局所的流体の非等方性と磁場によって誘導される非等方性を含む非等方的・強い磁化を受ける中性子星および strange クォーク星を検討する。非等方的力が反発的である場合、横磁場は質量と半径を増大させる。一方、引力的である場合、径方向磁場はそれらを減少させる。静水的平衡には、局所的流体非等方性と磁場によって誘導される非等方性の両方を考慮する必要がある。

ABSTRACT

We investigate the properties of anisotropic, spherically symmetric compact stars, especially neutron stars and strange quark stars, made of strongly magnetized matter. The neutron stars are described by SLy equation of state, the strange quark stars by an equation of state based on the MIT Bag model. The stellar models are based on an a priori assumed density dependence of the magnetic field and thus anisotropy. Our study shows that not only the presence of a strong magnetic field and anisotropy, but also the orientation of the magnetic field itself, have an important influence on the physical properties of stars. Two possible magnetic field orientations are considered, a radial orientation, where the local magnetic fields point in the radial direction, and a transverse orientation, where the local magnetic fields are perpendicular to the radial direction. Interestingly, we find that for a transverse orientation of the magnetic field, the stars become more massive with increasing anisotropy and magnetic field strength and increase in size, since the repulsive, effective anisotropic force increases in this case. In the case of a radially orientated magnetic field, however, the masses and radii of the stars decrease with increasing magnetic field strength, because of the decreasing effective anisotropic force. Importantly, we also show that in order to achieve hydrostatic equilibrium configurations of magnetized matter, it is essential to account for both the local anisotropy effects as well as the anisotropy effects caused by a strong magnetic field. Otherwise, hydrostatic equilibrium is not achieved for magnetized stellar models.

研究の動機と目的

• 強い磁場と非等方性が一般相対性理論におけるコンパクト星の構造に与える影響を調査すること。
• 磁場の向き（径方向対横方向）が星の質量、半径、安定性に与える影響を特定すること。
• 長年の疑問である、磁場がコンパクト星の質量を増加させるか減少させるかを解消すること。
• 局所的流体非等方性と磁場によって誘導される非等方性の両方を考慮することで、静水的平衡を保証すること。
• 磁化された非等方的星モデルの物理的整合性を、磁気力学的安定性解析によって検証すること。

提案手法

• 中性子星のモデル化には SLy の状態方程式、Strange クォーク星のモデル化には MIT バッグモデルの状態方程式を用いる。
• 密度に依存する磁場プロファイルを仮定し、2つの異なる方向（径方向および横方向）を想定する。
• 局所的流体非等方性と磁場によって誘導される非等方性を両方含む一般化されたトロルマン＝オッペンハイマー＝ヴォルコフ（TOV）方程式を解く。
• 中心密度、圧力、質量、半径、表面赤方偏移、重力結合エネルギーといった物理的パラメータを計算する。
• 有効な非等方的力とその静水的平衡における役割、特に星の中心部での挙動を評価する。
• モデルの物理的妥当性を確認するため、磁気力学的安定性解析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場の向き（径方向対横方向）が非等方的コンパクト星の質量と半径に与える影響は何か？
• RQ2 局所的流体非等方性と磁場によって誘導される非等方性の両方が星の平衡に与える統合的効果は何か？
• RQ3 もし片方の非等方性（局所的流体非等方性または磁場によって誘導される非等方性）のみを考慮する場合、磁化されたコンパクト星で静水的平衡が達成可能か？
• RQ4 磁場と非等方性は、表面赤方偏移やコンパクトネスといった物理的パラメータおよび状態方程式にどのように影響を与えるか？
• RQ5 有効な非等方的力は、強い磁化を受ける中性子星および strange クォーク星の安定性と構造を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 横磁場の場合は、非等方性と磁場強度が増加するにつれて、反発的有効非等方的力のため、質量と半径が増大する。
• 径方向磁場の場合は、磁場強度が増加するにつれて、有効非等方的力が減少するため、質量と半径が減少する。
• 磁化されたコンパクト星の最大質量は、磁場の向きに応じて増大または減少しうり、長年の曖昧さが解消される。
• 磁化星の静水的平衡は、局所的流体非等方性と磁場によって誘導される非等方性の両方が同時に考慮された場合にのみ達成される。
• 星の中心部における有効非等方的力は非ゼロであり、力の不均衡と不安定性を避けるために考慮する必要がある。
• 非等方性によって誘導される歪みは、高磁場下でもわずか（中心圧力の80–81％未満）であり、球対称性を保つモデルは物理的に整合的である。