[論文レビュー] Non-Identical Neutron Star Twins

Norman K. Glendenning, Christiane Kettner|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 30

ひとこと要約

本稿では、高密度物質における一次相転移によって、同一質量でも異なる半径と組成を示す、非同一の中性子星二重星—安定でコンactな星の第三族—が存在可能であると提唱している。一般相対性理論、因果律、微小安定性を用いて、このような星が通常の中性子星と同一質量で共存可能であり、高密度領域では方程式状態の硬化により安定性が回復することを示している。

ABSTRACT

The work of J. A. Wheeler in the mid 1960's showed that for smooth equations of state no stable stellar configurations with central densities above that corresponding to the limiting mass of ``neutron stars'' (in the generic sense) were stable against acoustical vibrational modes. A perturbation would cause any such star to collapse to a black hole or explode. Accordingly, there has been no reason to expect that a stable degenerate family of stars with higher density than the known white dwarfs and neutron stars might exist. We have found a class of exceptions corresponding to certain equations of state that describe a first order phase transition. We discuss how such a higher density family of stars could be formed in nature, and how the promising new exploration of oscillations in the X-ray brightness of accreting neutron stars might provide a means of identifying them. Our proof of the possible existence of a third family of degenerate stars is one of principle and rests on general principles like causality, microstability of matter and General Relativity.

研究の動機と目的

• 理論的不安定定理にかかわらず、中性子星よりも高い中心密度を持つ安定でデゲネレートした星の構成が可能かどうかを調査すること。
• 一次相転移によって、白色矮星や中性子星とは異なる、第三のコンパクト星族が形成される物理的条件を探索すること。
• このような星が質量-半径関係や振動モードを通じて通常の中性子星と観測的に区別可能かどうかを特定すること。
• このような星の存在が、因果律、微小安定性、一般相対性理論といった基本的物理原則と整合していることを確立すること。

提案手法

• 圧縮率モジュラス K = 290 MeV、有効核子質量比 m*/m = 0.66、バグ定数 B^{1/4} = 180 MeV を用いた核物理学的パrameterを用いて、ハドロンおよびクォーク物質の状態方程式（EoS）をモデル化する。
• ハドロン相とクォーク物質相の間の一次相転移を構築し、両相が共存する混合相領域を含める。
• 一般相対性理論的星構造方程式を適用して平衡状態を計算し、正規モード解析を用いて半径方向の安定性を分析する。
• 質量-中心密度関係を用いて転換点を特定し、安定性を評価する。両方の低密度および高密度分岐が正の dM/dρc を示し、安定な振動モードを持つことを示す。
• 二重星の可能性を評価する：同一質量、異なる半径および組成。高密度側の二重星は純粋なクォークコアを持つ。
• 低密度から高密度分岐へのコア崩壊または降着誘発転移による形成経路を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホイーラーらの不安定定理にかかわらず、中性子星よりも高い中心密度を持つ安定なコンパクト星が存在可能か？
• RQ2 高密度物質における一次相転移が、高密度星系列の安定性を回復させる条件は何か？
• RQ3 高密度系列の星が、同じ質量の中性子星と共存可能で、異なる組成と半径を持つ「二重星」として存在可能か？
• RQ4 このような非同一二重星を区別する観測的シグネチャは何か？
• RQ5 因果律や微小安定性といった基本的物理原則と整合する第三のコンパクト星族の存在は可能か？

主な発見

• 一次相転移によるクォーク物質への移行のおかげで、中性子星よりも高い中心密度を持つ安定でデゲネレートした星の第三族が原理的に存在可能である。
• 高密度分岐の星は、約5 kmまで延びる純粋なクォークコアを有し、その周囲に混合相とハドロン的外層が存在する。一方、低密度の二重星は純粋なクォークコアを持たない。
• 質量-半径関係は、正の dM/dρc を示す二つの明確な安定分岐を示し、それぞれが安定な径方向振動モードを持つ。これは、正の勾配のみが安定性を示すと仮定するのとは矛盾する。
• 非同一二重星が存在する：同じ質量の星が異なる半径と内部組成を持つ。高密度側の二重星はクォークコアにおける方程式状態の硬化により、顕著に小さい半径を持つ。
• コア崩壊または降着誘発転移によって高密度二重星が形成可能であり、余剰質量が放出される。白色矮星の崩壊に類似している。
• 観測的同定は、準周期的X線振動を用いて可能であり、質量と半径を約1 kmの分解能で区別可能である。