[논문 리뷰] Deconfinement transition in rotating compact stars

E. V. Chubarian, H. Grigorian외 2명|arXiv (Cornell University)|1999. 03. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 일반 상대성 이론의 축대칭 시스템에 대한 일반 상대론적 섭동 이론을 사용하여 회전하는 중성자별에서의 탈구속 전이를 조사한다. 스핀 다운 진화가 쿼크 물질 핵의 형성으로 이어질 수 있으며, 이는 펄서 브레이킹 인덱스가 n=3에서 벗어남으로써 감지될 수 있음을 보여주며, 질량 순환에 의해 유도된 스핀 다운에서 스핀 업 전이가 이러한 전이의 징후로 제안된다.

ABSTRACT

Using the formalism of general relativity for axially symmetric gravitational fields and their sources - rotating compact stars - a perturbation theory with respect to angular velocity is developed and physical quantities such as mass, shape, momentum of inertia and total energy of the star are defined. The change of the internal structure of the star due to rotation has been investigated and the different contributions to the moment of inertia have been evaluated separately. Numerical solutions have been performed using a two-flavor model equation of state describing the deconfinement phase transition as constrained by the conservation of total baryon number and electric charge. During the spin down evolution of the rotating neutron star, below critical values of angular velocity a quark matter core can appear which might be detected as a characteristic signal in the pulsar timing. Within the spin-down scenario due to magnetic dipole radiation it is shown that the deviation of the braking index from $n=3$ could signal not only the occurrence but also the size of a quark core in the pulsar. A new scenario is proposed where, due to mass accretion onto the rapidly rotating compact star, a spin-down to spin-up transition might signal a deconfinement transition in its interior.

연구 동기 및 목표

• 일반 상대성 이론을 사용하여 회전하는 밀집 별의 내부 구조와 물리적 성질을 모델링하기 위해.
• 회전이 중성자별의 관성 모멘트, 질량, 형상 및 총 에너지에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 스핀 다운 진화 중에 쿼크 물질로의 탈구속 전이가 발생할 수 있는 조건을 탐색하기 위해.
• 브레이킹 인덱스의 편차 또는 스핀 업 전이와 같은 관측 가능한 징후를 식별하여 쿼크 핵의 존재를 시사하기 위해.
• 질량 순환에 의해 유도된 스핀 업 전이가 탈구속 전이를 알리는 데 새로운 탐지 시나리오로 제안하기 위해.

제안 방법

• 축대칭 중력장에 대해 일반 상대성 이론 내에서 각속도에 대한 섭동 이론을 개발하였다.
• 핵수와 전하 보존에 의해 제약을 받는 이-플레이버러 쿼크 물질 상태방정식을 사용하였다.
• 수치적으로 아인슈타인 장 방정식을 해결하여 회전 조건 하에서의 항성 구조 파라미터를 계산하였다.
• 자기 듀플렉스 복사에 의해 유도되는 중성자별의 스핀 다운 진화를 추적하여 핵 형성 임계 조건을 평가하였다.
• 관성 모멘트 기여도를 별도로 추적하여 전이의 영향을 분리하였다.
• 질량 순환에 의해 유도된 스핀 다운에서 스핀 업 전이 시나리오를 제안하여 탈구속 전이의 잠재적 신호로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브레이킹 인덱스가 n=3에서 벗어나는 편차는 쿼크 물질 핵의 존재와 크기를 신호로 줄 수 있는가?
• RQ2 어느 임계 각속도에서 탈구속 전이가 회전하는 중성자별에서 에너적으로 유리하게 되는가?
• RQ3 회전은 밀집 별의 관성 모멘트와 총 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 질량 순환에 의해 유도된 스핀 다운에서 스핀 업 전이가 탈구속 전이의 감지 가능한 징후로 기능할 수 있는가?
• RQ5 쿼크 물질로의 전이 동안 별의 내부에서 발생하는 구조적 및 역학적 변화는 무엇인가?

주요 결과

• 스핀 다운 진화 중 브레이킹 인덱스가 n=3에서 벗어나는 것은 쿼크 물질 핵의 발생과 크기를 모두 시사할 수 있다.
• 임계 각속도 이하에서는 회전하는 중성자별에서 쿼크 물질 핵이 형성될 수 있으며, 이는 타이밍 잔차를 통해 감지될 수 있다.
• 수치적 해석 결과, 관성 모멘트는 탈구속 전이에 의해 크게 변화하며, 하드론계와 쿼크계의 기여도가 뚜렷하게 구분된다.
• 질량 순환에 의해 유도된 스핀 다운에서 스핀 업 전이 시나리오는 탈구속 전이의 새로운 관측 신호로 제안된다.
• 핵수와 전하 보존을 고려한 이-플레이버러 상태방정식은 회전 효과 하에서 쿼크 핵 형성에 기여한다.
• 모델은 회전과 전이에 의해 유도되는 항성 형상과 총 에너지의 측정 가능한 변화를 예측하며, 일반 상대성 이론의 제약 조건과 일치한다.