[論文レビュー] On the mass of moderately rotating strange stars in the MIT bag model and LMXBs

J. L. Zdunik, T. Bulik+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、MIT袋模型において、クォーク質量およびQCD結合効果を組み込んだ中程度に回転するドレッド星の最大質量を調査している。実際のパラメータ範囲において、ドレッド星は2.0 M☉を超える可能性があり、回転周期が1.6 ms以上であっても最大で2.6 M☉に達する。これは、質量が十分に高く、回転が中程度であれば、LMXBにおけるkHz QPO観測と整合的である。

ABSTRACT

We compute the maximum mass of moderately rotating strange stars as a function of the strange quark mass, of the QCD coupling constant, $α_c$, and of the bag constant (vacuum energy density), $B$, in the MIT bag model of quark matter with lowest order quark-gluon interactions. For a fixed value of $B$, the maximum stellar mass depends only weakly on $α_c$, and is independent of this coupling in the limit of massless quarks. However, if it is the value of the chemical potential of quark matter at zero pressure which is held constant, for example at the value corresponding to the stability limit of nucleons against conversion to quark matter, the maximum mass of the strange star is higher by up to 25% for $α_c=0.6$, than for non-interacting quarks, and this may be relevant in the discussion of kHz QPO sources. The maximum mass of a non-rotating strange star could be sufficiently high to allow an orbital frequency as low as 1.0 kHz in the marginally stable orbit. However, for all $α_c<0.6$, the stellar mass cannot exceed $2.6M_\odot$ at any rotational period $\ge1.6 $ms.

研究の動機と目的

• 実際のクォーク質量およびQCD結合を考慮したMIT袋模型における中程度に回転するドレッド星の最大質量を特定すること。
• このような星が、LMXBにおけるkHz QPOに関連する1.0 kHz程度のISCO周波数を支持できるかどうかを評価すること。
• 袋定数B、奇妙クォーク質量ms、QCD結合定数αcに依存する星の質量の依存性を調査すること。
• クォーク物質の安定性およびベータ平衡による、妥当なパラメータ空間への制約を評価すること。
• 質量および回転に関する制約に基づいて、ドレッド星がLMXBにおけるコンパクト天体として現実的かどうかを評価すること。

提案手法

• 回転するドレッド星のTolman–Oppenheimer–Volkoff方程式をMIT袋模型で数値的に解く。
• QCD結合定数αcを用いて、最低次のクォーク-グルーオン相互作用を組み込む。
• 非ゼロの奇妙クォーク質量を持つベータ安定な3フレーバークォーク物質の状態方程式を用いる。
• クォーク物質の安定性および核結合エネルギーからの制約を考慮して、B、ms、αcの関数として最大質量を計算する。
• ISCO周波数の式を適用し、コンパクト天体の質量と回転を観測されたkHz QPOと関連付ける。
• LMXBからの観測的制約およびクォーク物質の安定性から導かれるBの理論的限界と結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIT袋模型における中程度に回転するドレッド星は、1.0 kHz程度のISCO周波数を支持するのに十分な質量に達することができるか？
• RQ2 QCD結合定数αcは、特に非ゼロの奇妙クォーク質量がある場合に、ドレッド星の最大質量にどのように影響するか？
• RQ3 圧力がゼロのときのクォーク物質の化学ポテンシャルを一定に保つ（例えば、核物質からクォーク物質への転移点で）と、ドレッド星の質量にどのような影響があるか？
• RQ4 クォーク物質の安定性および観測された星の質量と整合する袋定数Bの上限および下限は何か？
• RQ5 回転周期が1.6 ms以上である場合に、2.0 M☉を超えるドレッド星が存在可能か？これはkHz QPO観測と整合的か？

主な発見

• 袋定数Bを固定した場合、回転するドレッド星の最大質量はQCD結合定数αcにほとんど依存せず、クォークが質量ゼロの極限ではαcに依存しない。
• 圧力がゼロのときの化学ポテンシャルを核安定限界で一定に保つと、αc = 0.6の場合、非相互作用クォークと比較して最大質量が最大25%まで増加する。
• 非回転のドレッド星の最大質量は、ISCO周波数1.06 kHzを支持するのに十分高い。
• すべてのαc < 0.6の場合、回転周期が1.6 ms以上であっても、最大星質量は2.6 M☉を超えない。
• 典型的な奇妙クォーク質量（150–300 MeV）では、質量ゼロのクォークの場合と比較して最大質量が10–20%低下する。
• 700 Hzまでの周波数でも、回転効果による最大質量の増加は4%未満であり、回転による支えは弱い。