[논문 리뷰] Fall-back crust around a quark-nova compact remnant I: The degenerate shell case with applications to SGRs, AXPs and XDINs

Rachid Ouyed, D. A. Leahy외 1명|2006. 08. 24.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 36인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 부드러운 감마선 반복 방사체(SGRs)와 이례적인 X선 펄서(AXPs)가 퇠퇴한 철-rich 껍질을 가진 쿼크-노바 잔재에 의해 구동된다고 제안한다. 이 껍질은 쿼크 별의 자기장에 의해 지지되어 있으며, 자기장 감쇠로 인해 내측으로 이동하면서 조각이 떨어져 쿼크 별 표면에 낙하하면서 에너지를 방출한다. 이 모델은 방사 유형, 스핀 업/다운 사이클, 철 선, X선/적외선 상관관계 등 여러 관측된 특징을 설명한다.

ABSTRACT

We explore the formation and evolution of debris ejected around quark stars in the Quark Nova scenario, and the application to Soft Gamma-ray Repeaters (SGRs) and Anomolous X-ray Pulsars (AXPs). If an isolated neutron star explodes as a Quark Nova, an Iron-rich shell of degenerate matter forms out of the fall-back (crust) material. Our model can account for many of the observed features of SGRs and AXPs such as: (i) the two types of bursts (giant and regular); (ii) the spin-up and spin-down episodes during and following the bursts with associated persistant increases in $\dot{P}$; (iii) the energetics of the boxing day burst, SGR1806$+$20; (iv) the presence of an Iron line as observed in SGR1900$+$14; (v) the correlation between the far-Infrared and the X-ray fluxes during the bursting episode and the quiescent phase; (vi) the hard X-ray component observed in SGRs during the giant bursts, and (vii) the discrepancy between the ages of SGRs/AXPs and their supernova remnants. We also find a natural evolutionary relationship between SGRs and AXPs in our model which predicts that only the youngest SGRs/AXPs are most likely to exhibit strong bursting. Many features of X-ray Dim Isolated Neutron stars (XDINs) are also accounted for in our model such as, (i) the two-component blackbody spectra; (ii) the absorption lines around 300 eV; and (iii) the excess optical emission.

연구 동기 및 목표

• 쿼크-노바 잔재 모델을 통해 SGRs와 AXPs의 반복적이고 거대한 방사의 기원을 설명하기.
• SGRs/AXPs와 그 초신성 잔해 간의 나이 불일치 문제를 쿼크-노바 사건과 연결함으로써 해결하기.
• 어두운 X선 고립 중성자별(XDINs)의 스펙트럼적 특징, 즉 블랙바디 성분, 흡수선, 적외선 과잉을 설명하기.
• 나이와 껍질 진화에 기반한 SGRs에서 AXPs로, 그리고 XDINs로의 자연스러운 진화 연속선을 설정하기.
• 자기장에 결합된 껍질 역학을 통해 방사 에너지와 스핀 진화의 물리적 메커니즘 제공하기.

제안 방법

• 쿼크-노바 폭발 후 중성자별의 껍질에서 기인한 퇠퇴성 철-rich 껍질의 형성 모델링.
• 프로펠러 메커니즘과 자기압력 구속을 적용하여 쿼크 별 주변에 공전하는 껍질 유지.
• Niebergal 등(2006)의 결과를 활용해 쿼크 별 주기와 결합된 자기장 감쇠를 적용하여 껍질의 내측 이동 유도.
• 자기장과 중력장이 정렬되는 중성선 위에서 조각이 분리되고, 이로 인해 응축과 에너지 방출이 가능해지는 조건 모의.
• Lugones & Horvath(2002)의 결과를 활용해 낙하하는 껍질 물질이 쿼크 물질로 전환되는 과정에서의 에너지 변환을 통한 방사 에너지 추정.
• 침묵 상태에서의 광도-스핀 감쇠율 관계 유도 및 고체 각도와 산란을 통한 껍질 기하학적 구조에 의한 적외선 과잉 연결.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SGRs/AXPs에서 관측된 두 가지 유형의 방사(정규형 및 거대형)가 동일한 물리적 메커니즘으로 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ2 방사 활동 중 관측된 스핀 업 및 스핀 다운 현상은 무엇에 기인하는가?
• RQ3 방사 및 침묵 상태에서 X선과 적외선 플럭스 간의 상관관계는 무엇인가?
• RQ4 거대 플레어에서 관측된 딱딱한 X선 스펙트럼과 철 K-알파 선은 어떻게 발생하는가?
• RQ5 어두운 X선 고립 중성자별(XDINs)에서 관측된 스펙트럼적 특징과 적외선 과잉은 무엇인가?

주요 결과

• 이 모델은 이동하는 자기장에 의해 구속된 껍질에서 조각이 응축되는 과정을 통해 SGRs/AXPs의 이중 방사 유형 행동을 설명한다.
• 관측된 스핀 업 및 스핀 다운 현상은 조각 응축 과정 중의 각운동량 이행과 자기장 브레이킹에 기인한다.
• X선과 적외선 플럭스 간의 상관관계는 껍질이 X선 방출을 열복사로 재처리한다는 점에서 자연스럽게 설명된다.
• 거대 플레어에서의 딱딱한 X선 성분은 낙하하는 껍질 물질이 CFL 쿼크 물질로 전환되는 과정에서 방출되는 고에너지 복사에 기인한다.
• SGR1900+14에서 관측된 철 K-알파 선은 철-rich 껍질의 표면에서 발생하는 광학적 특징으로 재현된다.
• RX J1856.5-3754와 같은 XDINs에서의 적외선 과잉은 모델이 예측하는 껍질의 고체 각도에 의한 블랙바디 꼬리 플럭스의 약 7배 수준으로 정량적으로 일치하며, 관측된 과잉 요소(5–7배)와 일치한다.