[論文レビュー] Keplerian frequencies and innermost stable circular orbits of rapidly rotating strange stars

Nikolaos Stergioulas, W. Kluźniak+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、一般相対論的モデルを用いて、急速に回転する素粒子星におけるケプラーモンの周波数および内側安定円軌道（ISCO）を調査している。1.3 M☉の素粒子星が質量放出限界に近い状態にある場合、ISCO周波数は0.9 kHzまで低下しうり、4U 1820-30で観測された1.066 kHzの上限を下回る。これは、現在のkHz QPO観測と矛盾せず、素粒子星が低質量X線連星（LMXB）の候補として成立することを示している。

ABSTRACT

It has been suggested that the frequency in the co-rotating innermost stable circular orbit (ISCO) about a compact stellar remnant can be determined through X-ray observations of low-mass X-ray binaries, and that its value can be used to constrain the equation of state of ultradense matter. Upon constructing numerical models of rapidly rotating strange (quark) stars in general relativity, we find that for stars rotating at the equatorial mass-shedding limit, the ISCO is indeed above the stellar surface, for a wide range of central energy densities at a height equal to 11% of the circumferential stellar radius, which scales inversely with the square root of the energy density, of self-bound quark matter at zero presure. In contrast to static stars, the ISCO frequencies of rapidly rotating strange stars can be as low as 0.9 kHz for a 1.3 solar mass strange star. Hence, the presence of strange stars in low-mass X-ray binaries cannot be excluded on the basis of the currently observed frequencies of kHz QPOs, such as the cut-off frequency of 1066 Hz in 4U 1820-30.

研究の動機と目的

• 急速に回転する素粒子星が、低質量X線連星における観測されたkHz QPOと整合するISCO周波数を持つかどうかを特定すること。
• 一般相対論的枠組みにおいて、ISCOの性質を分析することで、素粒子星がLMXBにおけるコンact残骸候補として実現可能かどうかを評価すること。
• 自己束縛クォーク物質の状態方程式と回転が、星の表面からのISCOの位置および周波数に与える影響を調査すること。
• 現在の観測的制約、特に4U 1820-30における1066 Hzの上限が、素粒子星がコンパクト天体候補として除外されることを示すかどうかを評価すること。

提案手法

• 自己束縛クォーク物質の現実的な状態方程式を用いて、一般相対論的枠組みで急速に回転する素粒子星の数値モデルを構築した。
• 重心力と遠心力が赤道で釣り合う質量放出限界での回転状態において、共回転フレームにおけるISCO半径および周波数を計算した。
• 中心エネルギー密度の範囲にわたって、ISCOの位置がエネルギー密度の平方根の逆数に比例して変化することを追跡した。
• 基準スケールとして周囲半径を用い、解析対象のモデルではISCOがこの半径の11%の位置に位置していることを定義した。
• 星の質量および回転速度に伴うISCO周波数の依存性を評価し、特に1.3 M☉の構成を焦点とした。
• ISCO周波数を観測されたkHz QPOの上限と比較し、特に4U 1820-30における1066 Hzの値と照らし合わせて、素粒子星モデルとの整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速に回転する素粒子星は、4U 1820-30で観測された1066 Hzの上限と整合するだけの低周波数のISCOを生成できるか？
• RQ2 回転が、素粒子星における星の表面からのISCOの位置および周波数に与える影響は何か？
• RQ3 質量放出限界に達した回転する素粒子星のISCOは、星の表面の上に位置しており、降着円盤のダイナミクスの安定性を保証するか？
• RQ4 素粒子星のISCO周波数は、低質量X線連星における観測されたkHz QPOの範囲にどの程度含まれるか？
• RQ5 中心エネルギー密度でパラメータ化された自己束縛クォーク物質の状態方程式は、ISCO周波数の測定による素粒子星の検出可能性に影響を与えるか？

主な発見

• 急速に回転する素粒子星が質量放出限界に近い状態にある場合、ISCOは星の表面の上に位置し、ISCO半径は周囲星半径のおおよそ11%に相当する。
• 1.3 M☉の素粒子星では、ISCO周波数が0.9 kHzまで低下しうり、4U 1820-30で観測された1.066 kHzの上限を著しく下回る。
• この低いISCO周波数は、現在のkHz QPOデータに基づく限り、素粒子星が低質量X線連星におけるコンパクト天体候補として除外されないことを示している。
• ISCO周波数は、自己束縛クォーク物質の中心エネルギー密度の平方根の逆数に比例しており、状態方程式に強く依存していることが示された。
• 結果として、回転は非回転状態と比較してISCO周波数を顕著に低下させ、X線タイミング観測による素粒子星の検出可能性を高めることを示した。
• 本研究は、回転する素粒子星の一般相対論的モデルが、観測と整合するISCO特性を生成できることを確認した。これにより、素粒子星の天体物理学的妥当性が支持された。