[論文レビュー] Fall-back crust around a quark-nova compact remnant I: The degenerate shell case with applications to SGRs, AXPs and XDINs

Rachid Ouyed, D. A. Leahy+1 more|Aug 24, 2006

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 36被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、軟γ線反復源（SGRs）および異常X線パulsar（AXPs）が、クォーク星の磁場によって支えられる、密度の高い鉄を多く含む殻からなるクォーク新星残骸によって駆動されていると提唱する。磁場の減衰に伴い殻が内側へ移動すると、断片がクォーク星に落下し、バーストを放出する。このモデルは、バーストの種類、回転速度の上昇・下降サイクル、鉄の線、X線・赤外線の相関といった多数の観測特徴を説明する。

ABSTRACT

We explore the formation and evolution of debris ejected around quark stars in the Quark Nova scenario, and the application to Soft Gamma-ray Repeaters (SGRs) and Anomolous X-ray Pulsars (AXPs). If an isolated neutron star explodes as a Quark Nova, an Iron-rich shell of degenerate matter forms out of the fall-back (crust) material. Our model can account for many of the observed features of SGRs and AXPs such as: (i) the two types of bursts (giant and regular); (ii) the spin-up and spin-down episodes during and following the bursts with associated persistant increases in $\dot{P}$; (iii) the energetics of the boxing day burst, SGR1806$+$20; (iv) the presence of an Iron line as observed in SGR1900$+$14; (v) the correlation between the far-Infrared and the X-ray fluxes during the bursting episode and the quiescent phase; (vi) the hard X-ray component observed in SGRs during the giant bursts, and (vii) the discrepancy between the ages of SGRs/AXPs and their supernova remnants. We also find a natural evolutionary relationship between SGRs and AXPs in our model which predicts that only the youngest SGRs/AXPs are most likely to exhibit strong bursting. Many features of X-ray Dim Isolated Neutron stars (XDINs) are also accounted for in our model such as, (i) the two-component blackbody spectra; (ii) the absorption lines around 300 eV; and (iii) the excess optical emission.

研究の動機と目的

• クォーク新星残骸モデルを通じて、SGRsおよびAXPsにおける反復的および巨大バーストの起源を説明すること。
• SGRs/AXPsとその超新星残骸の年齢の不一致を、クォーク新星イベントと関連付けることで解消すること。
• X線が弱く孤立した中性子星（XDINs）のスペクトル的特徴、すなわち黒体成分、吸収線、光学過剰を説明すること。
• 年齢および殻の進化に基づいて、SGRsからAXPsへ、そしてXDINsへと自然な進化系列を確立すること。
• 磁場と結合した殻の力学を用いて、バーストエネルギーと回転速度の変化の物理的メカニズムを提供すること。

提案手法

• クォーク新星爆発後に中性子星の皮膚から形成される、密度の高い鉄を多く含む殻のモデル化。
• プロペラ機構および磁場圧力による閉じ込めを適用し、クォーク星の周囲に共回転する殻を維持する。
• クォーク星の周期（Niebergal et al. 2006）と関連した磁場の減衰を用い、殻の内向き移動を駆動する。
• 磁場と重力場が一致する中性線の上部で断片が剥離し、降着とエネルギー放出が可能になる条件をシミュレートする。
• 落下する殻物質がクォーク物質に変換されるエネルギー変換を用いて、バーストエネルギーを推定する（Lugones & Horvath 2002）。
• 静穏期における明るさ-回転減速率関係を導出し、光学過剰を立体角および散乱を介した殻の幾何学的形状と関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SGRs/AXPsにおける二種類のバースト（通常型と巨大型）を、同一の物理的メカニズムでどのように説明できるか？
• RQ2 バースト活動中に観測される回転速度の上昇および下降は、何によって引き起こされるか？
• RQ3 バーストおよび静穏期において、X線と遠赤外線の放射度に相関が見られるのはなぜか？
• RQ4 巨大フレアで観測される硬いX線スペクトルおよび鉄K-α線は、どのようにして生じるか？
• RQ5 X線が弱く孤立した中性子星（XDINs）に観測されるスペクトル的特徴および光学過剰は、どのように説明できるか？

主な発見

• 本モデルは、磁場で閉じ込められた磁場に伴い内向きに移動する殻からの断片降着によって、SGRs/AXPsにおける二種類のバースト行動を説明できる。
• バースト中の観測された回転速度の上昇および下降は、断片降着に伴う角運動量移動および磁場ブレーキングによって生じる。
• X線と赤外線の放射度の相関は、殻がX線放射を再放射して熱放射に変換するという点で自然に説明できる。
• 巨大フレアにおける硬いX線成分は、落下する殻物質がCFLクォーク物質に変換される際に放出される高エネルギー放射に起因する。
• SGR1900+14で観測された鉄K-α線は、鉄を多く含む殻の光球的特徴として再現される。
• RX J1856.5-3754などのXDINにおける光学過剰は、モデルが予測する殻の立体角による黒体尾部放射の約7倍の明るさと定量的に一致し、観測された過剰要因5–7と整合的である。