[논문 리뷰] Effects of anisotropy on strongly magnetized neutron and strange quark stars in general relativity

Debabrata Deb, Banibrata Mukhopadhyay외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 152인용 수 75

한 줄 요약

이 연구는 일반 상대성 이론에서 비대칭성과 강한 자화된 중성자성 및 이상 쿼크성 별의 구조를 탈만-오페너하이머-볼코프(TOV) 방정식과 비대칭 압력을 사용하여 조사한다. 횡방향 자기장은 반발력 작용을 일으키는 비대칭력으로 질량과 반경을 증가시키며, 축방향 자기장은 흡인력으로 인해 질량과 반경을 감소시킨다. 수압평형은 국소 유체의 비대칭성과 자기장에 의해 유도되는 비대칭성을 동시에 고려해야 한다.

ABSTRACT

We investigate the properties of anisotropic, spherically symmetric compact stars, especially neutron stars and strange quark stars, made of strongly magnetized matter. The neutron stars are described by SLy equation of state, the strange quark stars by an equation of state based on the MIT Bag model. The stellar models are based on an a priori assumed density dependence of the magnetic field and thus anisotropy. Our study shows that not only the presence of a strong magnetic field and anisotropy, but also the orientation of the magnetic field itself, have an important influence on the physical properties of stars. Two possible magnetic field orientations are considered, a radial orientation, where the local magnetic fields point in the radial direction, and a transverse orientation, where the local magnetic fields are perpendicular to the radial direction. Interestingly, we find that for a transverse orientation of the magnetic field, the stars become more massive with increasing anisotropy and magnetic field strength and increase in size, since the repulsive, effective anisotropic force increases in this case. In the case of a radially orientated magnetic field, however, the masses and radii of the stars decrease with increasing magnetic field strength, because of the decreasing effective anisotropic force. Importantly, we also show that in order to achieve hydrostatic equilibrium configurations of magnetized matter, it is essential to account for both the local anisotropy effects as well as the anisotropy effects caused by a strong magnetic field. Otherwise, hydrostatic equilibrium is not achieved for magnetized stellar models.

연구 동기 및 목표

• 강한 자기장과 비대칭성이 일반 상대성 이론에서 밀집 별의 구조에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자기장 방향(축방향 대 횡방향)이 별의 질량, 반경, 안정성에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 오랫동안 제기된 의문, 즉 자기장이 밀집 별의 질량을 증가시키는지 감소시키는지에 대한 해답을 제시하는 것.
• 국소 유체 비대칭성과 자기장에 의해 유도되는 비대칭성을 동시에 고려함으로써 수압평형을 확보하는 것.
• 자기장이 있는 비대칭 별 모델의 물리적 일관성을 마그네토수압평형 안정성 분석을 통해 검증하는 것.

제안 방법

• 중성자성 별은 SLy 상태방정식을, 이상 쿼크성 별은 MIT 백색 모델 상태방정식을 사용하여 모델링한다.
• 밀도에 따라 변화하는 자기장 프로파일을 가정하며, 두 가지 다른 방향을 고려한다: 반경 방향에 수직인 횡방향과 축방향.
• 국소 유체 비대칭성과 자기장에 의해 유도되는 비대칭성을 모두 포함한 일반화된 탈만-오페너하이머-볼코프(TOV) 방정식을 해결한다.
• 중심 밀도, 압력, 질량, 반경, 표면 적색편이, 중력 결합 에너지 등의 물리적 매개변수를 계산한다.
• 효과적인 비대칭력과 그가 수압평형에서 차지하는 역할, 특히 별의 중심에서의 기여를 평가한다.
• 모델의 물리적 타당성을 확인하기 위해 마그네토수압평형 안정성 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 자기장의 방향(축방향 대 횡방향)이 비대칭 밀집 별의 질량과 반경에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 국소 유체 비대칭성과 자기장에 의해 유도되는 비대칭성이 별의 평형에 미치는 통합적 영향는 무엇인가?
• RQ3 비대칭성의 한 종류만 고려할 경우, 자기장이 있는 밀집 별에서 수압평형을 달성할 수 있는가?
• RQ4 자기장과 비대칭성은 상태방정식과 표면 적색편이, 밀집도와 같은 물리적 매개변수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 효과적인 비대칭력이 강한 자기장을 지닌 중성자성 및 이상 쿼크성 별의 안정성과 구조를 결정짓는 데 수행하는 역할는 무엇인가?

주요 결과

• 횡방향 자기장의 경우, 비대칭성과 자기장 강도가 증가할수록 반발력 작용을 일으키는 효과적인 비대칭력으로 인해 질량과 반경이 증가한다.
• 축방향 자기장의 경우, 자기장 강도가 증가함에 따라 효과적인 비대칭력이 감소하면서 질량과 반경이 감소한다.
• 자기장 방향에 따라 자기장이 있는 밀집 별의 최대 질량은 증가하거나 감소할 수 있으며, 이는 오랫동안 제기된 모순을 해결한다.
• 자기장이 있는 별에서 수압평형은 국소 유체 비대칭성과 자기장에 의해 유도되는 비대칭성을 동시에 고려할 때만 달성된다.
• 별 중심에서의 효과적인 비대칭력은 0이 아니며, 力 불균형과 불안정을 피하기 위해 고려되어야 한다.
• 모델은 구형 대칭성을 유지한다. 비대칭성에 의해 유도되는 편차는 심지어 강한 자기장에서도 중심 압력의 약 80–81% 이하로 극히 미미하다.