[論文レビュー] Quasi-stationary sequences of hyper massive neutron stars with exotic equations of state

Sanika Khadkikar, Chatrik Singh Mangat+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 26被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、特異な状態方程式（EoS）を有する超質量中性子星（HMNS）の準安定連続的遷移状態を、微分回転、有限温度、およびハイパーメソン（BHBΛφ EoSによるΛハイパーメソン）を組み込んだものとして調査する。相対論的平均場（DD2）およびハイパーメソンを含むEoSを用いて、ハイパーメソンと熱的効果が回転加速と安定性を顕著に向上させ、微分回転から一様回転への遷移過程における角運動量損失を低減することを示した。特に、高温でハイパーメソンを多く含むHMNSは、中性子星合体後の残渣として観測される重力波およびX線データと整合する。

ABSTRACT

In this work, we study the effect of differential rotation, finite temperature and strangeness on the quasi stationary sequences of hyper massive neutron stars (HMNS). We generate constant rest mass sequences of differentially rotating and uniformly rotating stars. The nucleonic matter relevant to the star interior is described within the framework of the relativistic mean field model with the DD2 parameter set. We also consider the strange $\Lambda$ hyperons using the BHB$\Lambda\phi$ equation of state (EoS). Additionally, we probe the behaviour of neutron stars (NS) with these compositions at different temperatures. We report that the addition of hyperons to the EoS produces a significant boost to the spin-up phenomenon. Moreover, increasing the temperature can make the spin-up more robust. We also study the impact of strangeness and thermal effects on the T/W instability. Finally, we analyse equilibrium sequences of a NS following a stable transition from differential rotation to uniform rotation. The decrease in frequency relative to angular momentum loss during this transition is significantly smaller for EoS containing hyperons, compared to nucleonic EoS.

研究の動機と目的

• 特異な状態方程式（ハイパーメソンおよび有限温度を含む）を有する準安定的で微分回転する超質量中性子星（HMNS）をモデル化すること。
• ハイパーメソンおよび熱的効果がHMNSにおける回転加速現象と安定性に与える影響を調査すること。
• 微分回転から一様回転への遷移とその角運動量損失および周波数変化への影響を分析すること。
• さまざまな熱的および回転的条件下で、核子的EoSとハイパーメソンを含むEoSのHMNS平衡系列を比較すること。
• 高温でハイパーメソンを多く含むHMNSが、重力波およびX線観測で観測された中性子星合体後の残渣のモデルとして実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 核子物質にDD2パラメータセットを用いた相対論的平均場（RMF）モデルを用いて、微分回転および一様回転する中性子星の定rest質量系列を構築した。
• 密度の高い核心部における奇妙物質をモデル化するため、BHBΛφ状態方程式（EoS）を用いてハイパーメソンを組み込んだ。
• 特に約50 MeVの温度に相当する高温の合体後HMNSにおける熱的圧力を反映させるために、有限温度EoSを適用した。
• ケプラーマス剥離限界内での安定性を保証しつつ、微分回転状態から静止状態または一様回転状態への準静的進化を追跡した。
• 数値相対論的手法を用いて平衡系列を計算し、質量、周波数、角運動量、およびT/W（運動エネルギー対重力ポテンシャルエネルギー比）を安定性の指標とした。
• 微分回転から一様回転への遷移を比較し、遷移段階における周波数および角運動量の変化を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 状態方程式にハイパーメソンを組み込むことで、微分回転する超質量中性子星の回転加速挙動にどのような影響が生じるか？
• RQ2 有限温度効果が、微分回転する中性子星における回転加速の強度をどの程度向上させるか？
• RQ3 微分回転から一様回転への遷移が、さまざまなEoS組成を有するHMNSにおける角運動量損失および周波数変化に与える影響は何か？
• RQ4 奇異性（strangeness）および熱的圧力は、回転不安定性を示すT/W不安定性を抑制する役割を果たすか？
• RQ5 HMNSの最大質量および回転周波数は、微分回転の度合いおよびEoS組成にどのように依存するか？

主な発見

• 状態方程式にハイパーメソンを追加することで、微分回転するHMNSにおける回転加速現象が顕著に強化され、より高い回転周波数とより安定した構造が可能になった。
• 有限温度効果がさらに回転加速を促進し、高温でハイパーメソンを多く含むHMNSは不安定性に対してより強く、中性子星合体後の残渣をモデル化する上でより適した候補となった。
• 回転不安定性の指標であるT/W比は、エントロピーおよび奇異性の増加に伴い低下し、ハイパーメソンを多く含みかつ熱的に加熱された星では安定性が向上していることが示された。
• 微分回転から一様回転への遷移過程において、ハイパーメソンEoSでは核子的EoSと比較して周波数の低下率が角運動量損失に対して著しく低下し、より安定的で滑らかな減速過程が示された。
• ある特定の質量（例：DD2 s=2 EoSでは3.20 M☉、BHBΛφ EoSでは2.75 M☉）において、一様回転のケプラーマス剥離限界を越えない定rest質量系列が存在し、微分回転が減衰した場合に固有の不安定性を示す可能性があることを示唆した。
• 微分回転を有する高温でハイパーメソンを多く含むHMNSは、一様回転への遷移過程で安定性が向上し、角運動量損失も低減するため、二つの中性子星合体からの観測された後期残渣のモデルとして妥当性が裏付けられた。