[논문 리뷰] Centrifugal buoyancy as a mechanism for neutron star glitches

Brandon Carter, David Langlois외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 04. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 중성자별의 초유체 핵에서 발생하는 비균일한 회전으로 인해 생기는 관성 부력 부족 현상이, 빈티클 핀딩과 유사한 크기의 지각 응력을 생성할 수 있으며, 중성자별의 급변동 현상에 대한 타당한 대안 메커니즘을 제공한다는 것을 제안한다. 이는 빈티클 핀딩이 없더라도, 외향적인 부력력이 대규모 응력 해제를 일으킬 수 있음을 보여주며, 벨라 유형 펄서에서 관측된 급변동의 크기를 설명할 수 있다.

ABSTRACT

The frequent glitches (sudden increases of the apparent angular velocity) observed in certain pulsars are generally believed to be attributable to discontinuous angular momentum transfer to the outer neutron star crust from a differentially rotating superfluid layer, but the precise mechanism is not quite elucidated. Most explanations invoke vortex pinning as the essential mechanism responsible for the build up of strain in the crust that is relaxed, either by fracture of the solid structure or by discontinous unpinning, during the glitch. It is shown here that there is another mechanism that could give rise to strain, and subsequent fracture, of the solid crust, even if vortex pinning is ineffective: this is the effective force arising from the deficit of centrifugal buoyancy that will be present whenever there is differential rotation. This centrifugal buoyancy deficit force will be comparable in order of magnitude, but opposite in direction, to the force that would arise from vortex pinning if it were effective.

연구 동기 및 목표

• 빈티클 핀딩 외의 중성자별 급변동 메커니즘을 탐구하기 위해.
• 비균일한 회전 중 관성 부력력이 지각 응력 생성에 미치는 역할을 검토하기 위해.
• 부력 부족 현상만으로도 벨라 유사 펄서에서 관측된 큰 급변동을 설명할 수 있을 정도의 응력 수준을 생성할 수 있는지 평가하기 위해.
• 부력 부족 현상과 빈티클 핀딩에서 유도되는 응력 힘의 크기와 방향을 비교하기 위해.
• 핀딩이 효과가 없을 경우 부력력이 급변동 메커니즘에서 지배적인 역할을 할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 초유체 핵과 고체 지각을 가진 중성자별에서 정적인 비균일한 회전 구성을 분석한다.
• 식 $ f_{\rm b}^{\,i} = \rho_{\rm c} (\Omega_{\rm n} - \Omega) \Omega_{\rm n} \nabla^{i} \varpi^{2} $ 를 사용하여 관성 부력 부족으로 인한 효과적 힘을 유도한다. 여기서 $ \rho_{\rm c} $ 는 지각 밀도이다.
• 빈티클 핀딩에서 기인하는 주코프스키-마그누스 힘과 부력 부족 힘을 비교하여, 서로 반대 방향이지만 유사한 크기를 가짐을 보여준다.
• 화학적 위치 에너지 초과 힘($ f_{\rm x}^{\,i} $)의 역할을 평가하고, 특정 조건 하에서는 그 기여가 무시 가능하다고 가정한다.
• 핀딩이 효과가 없을 경우를 대비해 응력 힘 밀도 공식 $ f_{\rm s}^{\,i} = f_{\rm b}^{\,i} + f_{\rm x}^{\,i} $ 를 사용하여 지각 응력을 모델링한다.
• 일반적인 중성자별 파rameter를 사용하여 힘의 주요 크기를 평가하며, 이는 $ \rho_{\rm c} \sim \rho_{\rm n} \sim 10^{13} \, \text{g/cm}^3 $ 를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관성 부력 부족 현상이 중성자별의 지각 응력에서 빈티클 핀딩에 의해 발생하는 응력과 유사한 크기로 생성할 수 있는가?
• RQ2 비균일하게 회전하는 중성자별에서 관성 부력 부족으로 인해 발생하는 효과적 힘의 크기와 방향은 무엇인가?
• RQ3 부력 부족 메커니즘과 빈티클 핀딩 메커니즘 간에 급변동 크기를 설명하는 데 있어 정량적 비교는 어떻게 이루어지는가?
• RQ4 어떤 조건에서 부력 메커니즘이 응력 생성에서 핀딩을 초월하여 지배적인 역할을 할 수 있는가?
• RQ5 화학적 위치 에너지 초과 힘은 지각 내 응력 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 관성 부력 부족 힘 $ f_{\rm b}^{\,i} = \rho_{\rm c} (\Omega_{\rm n} - \Omega) \Omega_{\rm n} \nabla^{i} \varpi^{2} $ 는 지각에서 외향 응력을 생성하며, 빈티클 핀딩에서 기인하는 내향력과 반대 방향이 된다.
• 화학적 초과 힘이 무시 가능할 경우, 부력 부족으로 인한 응력 힘 $ f_{\rm s}^{\,i} \simeq f_{\rm b}^{\,i} $ 는 빈티클 핀딩에서 기인한 응력과 유사한 주요 크기의 순서를 가지며, 방향은 반대이다.
• 부력에 의해 유도된 응력의 크기는 핀딩에 의해 발생하는 응력과 유사하며, $ \rho_{\rm c} \sim \rho_{\rm n} \sim 10^{13} \, \text{g/cm}^3 $ 의 조건에서 물리적으로 타당하다.
• 논문은 벨라 유사 펄서에서 관측된 큰 급변동의 크기가 빈티클 핀딩이 유일한 원인임을 의미하지는 않으며, 부력 부족 현상만으로도 유사한 응력 수준을 생성할 수 있다고 결론 내린다.
• 이전 모델에서 관성 부력 효과를 간과한 것은 정당하지 않으며, 특히 점성이 낮아 에크먼 펌프 작용이 효과가 없을 경우 더욱 그렇다.
• 부력 부족 메커니즘은 빈티클 핀딩의 대안으로 이전에 간과되었으나, 실제로 타당한 메커니즘으로, 급변동에서의 불연속적 각운동량 방출을 설명할 수 있다.