[論文レビュー] Highly magnetized white dwarfs: Implications and current status

Banibrata Mukhopadhyay, Mukul Bhattacharya+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、磁化度の高い白色矮星（B-WDs）が、磁場によって誘発される状態方程式の変更により、チャンドラセカール限界を超える質量に達可能であると提唱している。磁場が10^14 Gに達する場合、質量は約1.87 M⊙にまで達する。解析的モデルとSTARS星間進化シミュレーションを用いて、これらの星が磁化された主系列星から形成され、内部ではトロイダル型の磁場が支配的であり、過光度SNe Ia、SGRs、AXPs、およびLISAで検出可能な重力波源としての可能性を示している。

ABSTRACT

Over the last decade or so, we have been developing the possible existence of highly magnetized white dwarfs with analytical stellar structure models. While the primary aim was to explain the nature of the peculiar overluminous type Ia supernovae, later on, these magnetized stars were found to have even wider ranging implications including those for white dwarf pulsars, soft gamma-ray repeaters and anomalous X-ray pulsars, as well as gravitational radiation. In particular, we have explored in detail the mass-radius relations for these magnetized stars and showed that they can be significantly different from the Chandrasekhar predictions which essentially leads to a new super-Chandrasekhar mass-limit. Recently, using the stellar evolution code STARS, we have successfully modelled their formation and cooling evolution directly from the magnetized main sequence progenitor stars. Here we briefly discuss all these findings and conclude with their current status in the scientific community.

研究の動機と目的

• 磁化度の高い白色矮星（B-WDs）がチャンドラセカール限界を超える存在と安定性を調査すること。
• 標準モデルでは説明できない、最大2.8 M⊙の前身質量を持つ過光度型Ia超新星（SNe Ia）の起源を説明すること。
• B-WDsがソフトガンマ線ループラー（SGRs）、異常X線パulsar（AXPs）、および重力波放射に与える影響を検討すること。
• STARS星間進化コードを用いて、磁化された主系列星からB-WDsの形成と冷却進化をモデル化すること。
• LISAなどの重力波観測所や、将来のEinstein TelescopeやDECIGO/BBOといったミッションによるB-WDsの検出可能性を評価すること。

提案手法

• 強い磁場が及える影響を組み込んだ修正状態方程式を考慮した、ニュートン的および一般相対性理論的形式による磁化白色矮星の解析的星構造モデルを構築した。
• STARS星間進化コードを用いて、磁化された主系列星からB-WDsの形成と冷却をシミュレートし、磁場進化の拡散・対流方程式を構造的および組成的方程式と結合して解いた。
• ポロイダルおよびトロイダル型磁場成分の進化をモデル化し、トロイダル型が支配的である磁場が構造的に安定であり、中心部の磁場強度が表面磁場よりも数階級高い値に達可能であることを示した。
• 重力収縮に伴う磁束保存則に基づき、初期の種磁場（約10^8 G）が1000 kmの半径を持つ白色矮星で約10^14 Gにまで増幅可能であると推定し、化石磁場起源を支持した。
• 一般相対性理論における軸対称平衡配置を計算するXNSコードを用いて、歪んだ回転B-WDsからの重力波放射をシミュレートし、四極子および電気双極子放射の公式を用いて放射効率を導出した。
• 1年間の積分を仮定し、100 pcの距離におけるLISA、Einstein Telescope、DECIGO/BBOの重力波振幅と信号対雑音比（S/N）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白色矮星に強い磁場が存在すると、標準的なチャンドラセカール限界を超える質量に達可能となるか？
• RQ2 磁化度の高い白色矮星における磁場の起源と内部配置は何か？ また、星間進化の過程でどのように変化するか？
• RQ3 B-WDsは、最大2.8 M⊙の前身質量を持つ観測された過光度型Ia超新星の性質を説明できるか？
• RQ4 B-WDsは、LISAなどの宇宙望遠鏡型検出器で検出可能な重力波を放出できる程度に強いか？
• RQ5 脈動する回転B-WDsにおいて、磁気双極子放射と重力波放射の両方の効率がどのように共進化するか？ また、それらの時間スケールは何か？

主な発見

• 磁場が10^6–10^14 Gの範囲にあるB-WDsは、最大で約1.87 M⊙の質量に達可能であり、標準的なチャンドラセカール限界（約1.4 M⊙）を著しく超える。
• STARSコードを用いた数値シミュレーションにより、B-WDsの中心部ではトロイダル型磁場が支配的であり、表面磁場は主に双極子型であることが確認された。中心磁場は表面磁場よりも数階級高い強度に達する可能性がある。
• 重力収縮に伴う磁束凍結により、初期種磁場（約10^8 G）が1000 kmの半径を持つ白色矮星で約10^14 Gにまで増幅可能であると示され、化石磁場起源を支持する。
• 磁場の減衰に伴いB-WDsは本質的に暗く、直接観測が困難である。超チャンドラセカール状態での寿命は約10^5–10^6年と推定され、非常にレアな存在である。
• 回転するB-WDsは検出可能な重力波を放出可能であり、LISAでは1年間の積分で検出可能であると予想される。一方、LIGOのような地上型検出器では、周波数が低く、サイズが大きいため、孤立した白色矮星の検出は困難である。
• 磁気双極子放射と重力波放射の両方の効果が、回転周波数と磁場傾斜角の進化を駆動し、両者ともB-WDsのスピンダウンと最終的なパulsar死に寄与している。