[論文レビュー] Meissner Effect and Vortex Dynamics in Quark Stars -- A Model for Soft Gamma-Ray Repeaters

Rachid Ouyed, Ø. Elgarøy+2 more|ArXiv.org|Aug 10, 2003

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用数 21

ひとこと要約

本論文は、軟力性ガンマ線バースト源（SGRs）が、臨界温度未満で色・フレーバー鎖定（CFL）超伝導状態への相転移を経るクォーク星に起因すると提案する。この過程でマイスナー効果が発生し、表面磁場の一部が排除される。この排除が磁気再結合を引き起こし、その後の電子・陽電子対消滅によって巨大ガンマ線バーストが発生する。続く弱いバーストは、ボルテックス格子の再組織化と表面ボルテックスの消滅によって生じ、SGRsの放射能と活動サイクルを説明する。

ABSTRACT

We present a new model for soft gamma-ray repeaters based on a quark star born with temperatures above the critical value (T_c) for the onset of the colour-flavor locked superconductivity. The quark star then quickly cools below T_c, expelling a fraction of the surface magnetic field via the Meissner effect. We show that if a small fraction (\leq 10%) of the surface magnetic field (10^{14} - 10^{15} { m G}) is expelled, it quickly decays via magnetic reconnection and heats up the quark star surface to temperatures > 10^9 { m K}. Created (e^{+},e^{-}) pairs annihilate into gamma rays emitted in a giant burst (the first burst in our model), with a luminosity of \sim 10^{45} { m ergs} { m s}^{-1}. Subsequent bursts result from the restructuring of the surface magnetic field following the formation and relaxation of a vortex lattice which confines the internal magnetic field. During this phase, energy is sporadically released as a consequence of magnetic reconnection events in the entangled surface magnetic field as it evolves into a smooth, more stable, configuration. The star eventually enters a quiescent phase in which energy is continuously supplied by vortex annihilation at the surface. As the star spins down, the outermost vortex lines will be pushed to the surface where they annihilate and release their confined magnetic field. We show that the corresponding luminosity is L_v \sim 10^{36} { m ergs} { m s}^{-1} for a typical soft gamma-ray repeater spinning with a period of 8 { m s} and a surface magnetic field not exceeding 10^{15} { m G}. Our model can be applied to any situation where a T>T_{ m c} quark star is generated. We discuss the connection between anomalous X-ray pulsars and soft gamma-ray repeaters in the context of our model.

研究の動機と目的

• SGRsにおける巨大バーストの起源を、クォーク星の相転移に起因する新規メカニズムによって説明すること。
• 中性子星の殻の応力に依存せず、SGRsおよび異常X線パルサー（AXPs）における高エネルギーバーストと持続的X線放射の謎を解明すること。
• 高温で通常状態のクォーク星がCFL超伝導状態に転移する過程をモデル化し、初期および繰り返し発生するSGRs活動の原因を特定すること。
• ボルテックスダイナミクスと磁場緩和を用いて、SGRsバーストの観測放射能と時間スケール（静止状態放射も含む）を説明すること。
• クォーク星の進化と磁場挙動の文脈において、SGRsとAXPsの違いを明確にすること。

提案手法

• クォーク星の冷却をモデル化し、CFL超伝導の臨界温度 $T_c \sim 10^{12}$ K より高い温度で、Haensel (1991) のニュートリノ発光度を用いて冷却時間スケールを推定する。
• CFL超伝導状態への相転移中にマイスナー効果を適用し、表面磁場の $\leq 10\%$（$10^{14}-10^{15}$ G）が排除されると仮定する。
• 磁気再結合とエネルギー放出のシミュレーションを行い、バースト放射能（$\sim 10^{45}$ erg s$^{-1}$）と $e^+e^-$ 対消滅に起因する温度変化を計算する。
• 残存磁場を閉じ込めるボルテックス格子の形成と進化をモデル化し、再組織化と緩和中にエネルギーが放出されることを想定する。
• 表面ボルテックスの消滅による静止状態放射能を計算し、自転減速を伴う星に対して $L_v \sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$ を導出する（$P = 8$ s および $B \leq 10^{15}$ G の場合）。
• 後期の相転移（降着や自転減速による）を含む代替形成シナリオを検討し、横方向速度と超新星残骸（SNR）の関連性への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クォーク星におけるCFL超伝導状態への移行に伴うマイスナー効果が、SGRsで観測された巨大バーストを説明できるか？
• RQ2 SGRsにおける持続的静止状態X線放射能の起源は何か？ これは表面ボルテックスの消滅に起因すると考えられるか？
• RQ3 初期の磁場排除後の磁場配置はどのように進化するのか？ そして弱いバーストの再発を引き起こす要因は何か？
• RQ4 SGRsおよびAXPsにおいて、クォーク星モデルと標準的なマグネタールモデルを区別する観測的特徴は何か？
• RQ5 後期のクォーク物質形成が、一部のSGRsが関連超新星残骸からずれている現象を説明できるか？

主な発見

• 1979年3月5日におけるSGR 0526-66の巨大フレアは、マイスナー効果による表面磁場の $\leq 10\%$ の排除によって説明可能であり、$\sim 1.3 \times 10^{44}$ erg のエネルギーが、ピーク放射能 $\sim 1.6 \times 10^{45}$ erg s$^{-1}$ のバーストとして放出された。
• 初期バーストは磁気再結合と $e^+e^-$ 対消滅によって駆動され、特徴的な温度 $\sim 246$ keV のソフトガンマ線バーストを生成する。
• その後に続く弱いバーストは、ボルテックス格子がより安定な配置に緩和される過程における表面磁場の再組織化に起因する。
• 静止状態の放射能 $\sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$ は、星の自転減速に伴い、表面ボルテックス線が消滅することで、閉じ込められていた磁場フラックスが解放されることによって維持される。
• 本モデルは、CFL超伝導状態への一度限りの相転移に起因する単一の巨大バーストを予測しており、このような出来事がまれであることに整合する。
• 本モデルは、クォーク・ハドロン相転移中に非一様なニュートリノ放射が発生することで、一部のSGRsの高い横方向速度が生じることを説明でき、標準的な超新星キックとは異なるメカニズムを示唆する。