[論文レビュー] Fast rotation of strange stars

Éric Gourgoulhon, P. Haensel+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 1999

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、星の表面における強い密度不連続性を正確に扱うために、新規のマルチドメインスペクトル法を用いて、一般相対性理論に基づく均一に回転する素粒子星の正確なモデルを提示する。この手法により、袋定数の関数として最大回転周波数、質量、半径の正確な解析的関係が導出され、急速に回転する素粒子星は中性子星よりも顕著に高い T/W 比を示すことが判明した。これは、三軸不安定性にさらされやすい可能性を示唆している。

ABSTRACT

Exact models of uniformly rotating strange stars, built of self bound quark matter, are calculated within the framework of general relativity. This is made possible thanks to a new numerical technique capable to handle the strong density discontinuity at the surface of these stars. Numerical calculations are done for a simple MIT bag model equation of state of strange quark matter. Evolutionary sequences of models of rotating strange stars at constant baryon mass are calculated. Maximally rotating configurations of strange stars are determined, assuming that the rotation frequency is limited by the mass shedding and the secular instability with respect to axisymmetric perturbations. Exact formulae which give the dependence of the maximum rotation frequency, and of the maximum mass and corresponding radius of rotating configurations, on the value of the bag constant, are obtained. The values of T/W for rapidly rotating massive strange stars are significantly higher than those for ordinary neutron stars. This might indicate particular susceptibility of rapidly rotating strange stars to triaxial instabilities.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論下での均一に回転する素粒子星の正確な数値モデルを構築し、慢速度近似の制限を克服すること。
• 標準的な数値スキームが不十分に扱う、素粒子星の表面における強い密度不連続性を正確に取り扱うこと。
• 袋定数が与えられた場合に、素粒子星の最大回転周波数、質量、半径を正確な手法で特定すること。
• T/W 比の分析を通じて、急速に回転する素粒子星における三軸不安定性の可能性を評価すること。
• 内部誤差推定器とスケーリング関係を用いて、数値手法の精度を検証すること。

提案手法

• Bonazzola ら (1998b) が開発したマルチドメインスペクトル法を用いて、回転する素粒子星のアインシュタイン場方程式を高精度で解く。
• この手法により、複数の領域で適応的かつ非一様なグリッドを用いることで、星の表面における密度不連続性を正確に取り扱える。
• 状態方程式は、1つのパラメータ（袋定数 B）を有する MIT 袋モデルに基づき、u 側と d 側のクォークを質量ゼロと仮定し、ストレンジクォークの質量を固定する。
• 構造的パラメータの回転依存性を追跡するために、一定のバリオン数質量で回転する素粒子星の系列を計算する。
• 最大回転周波数は、質量放出限界と長期間軸対称不安定性基準によって決定される。
• 異なる袋定数における極限的状態のスケーリング関係をテストすることで、数値精度を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 袋定数の関数として、素粒子星が達成可能な正確な最大回転周波数は何か？
• RQ2 回転する素粒子星の最大質量および半径は、袋定数にどのように依存するか？
• RQ3 急速に回転する素粒子星の T/W 比は中性子星と比べてどう異なるか？そしてこれは安定性にどのような意味を持つのか？
• RQ4 マルチドメインスペクトル法は、素粒子星における強い表面密度不連続性を正確にモデル化できるか？
• RQ5 異なる袋定数における極限的状態のスケーリング関係は、正確な数値的取り扱いのもとで有効であるか？

主な発見

• 袋定数が小さくなるほど素粒子星の最大回転周波数が増加し、その依存関係について正確な解析的関係式が導出された。
• 回転する素粒子星の最大質量および半径が袋定数に正確に比例することが判明し、正確な取り扱いのもとでスケーリング則が確認された。
• 急速に回転する高質量素粒子星の T/W 比は、中性子星よりも顕著に高く、三軸不安定性にさらされやすい可能性を示唆している。
• 数値手法は高い精度を達成しており、内部誤差推定器および異なる袋定数におけるスケーリング関係との整合性から検証された。
• 結果から、素粒子星は r モード不安定性の影響を受けないことが確認され、形成後に非常に高い回転速度を維持できることが示された。
• 本手法は、クリスタル層を含むモデルへも拡張可能であるが、複雑性の増加のため、ここではそのような構成は計算されていない。