[논문 리뷰] Instability of neutron star matter in high magnetic field: constraint on central magnetic field of magnetars

Monika Sinha, Banibrata Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|2010. 05. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 비선형 Boguta-Bodmer-Walecka 모델을 사용하여 극도로 강한 자기장 하에서 중성자별 물질의 안정성을 조사하며, 중심 자기장이 약 10^19 G를 초과할 경우 초핵물질이 밀도에 대한 병행 압력의 도함수가 음수가 되어 불안정해지므로, 매그네타르의 균일하게 분포된 내부 자기장에 대한 임계 상한선을 제시한다.

ABSTRACT

Compact stars with strong magnetic fields (magnetars) have been observationally determined to have surface magnetic fields of order of 10^{14}-10^{15} G, the implied internal field strength being several orders larger. We study the equation of state and composition of dense hypernuclear matter in strong magnetic fields in a range expected in the interiors of magnetars. Within the non-linear Boguta-Bodmer-Walecka model we find that the magnetic field has sizable influence on the properties of matter for central magnetic field B \ge 10^{17} G, in particular the matter properties become anisotropic. Moreover, for the central fields B \ge 10^{18} G, the magnetized hypernuclear matter shows instability, which is signaled by the negative sign of the derivative of the pressure parallel to the field with respect to the density, and leads to vanishing parallel pressure at the critical value B_{ m cr} \simeq 10^{19} G. This limits the range of admissible homogeneously distributed fields in magnetars to fields below the critical value B_{ m cr}.

연구 동기 및 목표

• 매그네타르 내부에 관련된 강한 자기장 하에서 고밀도 초핵물질의 상태방정식과 조성을 조사하기 위해.
• 10^17 G 이상의 자기장이 물질 성질에 미치는 영향, 특히 이방성과 안정성에 영향을 미치는지를 평가하기 위해.
• 매그네타르에서 안정적이고 균일한 물질 상태를 유지하기 위해 허용 가능한 중심 자기장의 최대치를 결정하기 위해.

제안 방법

• 강한 자기장 하에서 초핵물질을 기술하기 위해 비선형 Boguta-Bodmer-Walecka 모델을 적용하기 위해.
• 자기장에 수직 및 평행한 성분의 압력과 상태방정식을 계산하기 위해.
• 밀도에 대한 병행 압력 도함수를 평가하여 불안정성을 탐지하기 위해.
• 수치 분석을 통해 병행 압력이 사라지는 임계 자기장 강도를 특정하기 위해.
• 불안정성의 결과가 매그네타르의 내부 자기장 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매그네타르의 초핵물질이 자기장 영향으로 인해 불안정해지는 자기장 강도는 어느 정도인가요?
• RQ2 자기장은 고밀도 중성자별 핵에서 물질 성질의 이방성에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 병행 압력 도함수가 음수가 되어 불안정성을 나타내는 데 필요한 임계 자기장 강도는 얼마인가요?
• RQ4 균일한 분포 상태에서 매그네타르의 내부 자기장이 10^19 G를 초과할 수 있나요? 불안정성이 발생하지 않도록 하기 위해서는요?
• RQ5 물질의 불안정성이 매그네타르의 중심 자기장 최대치에 어떤 제약을 가하나요?

주요 결과

• 10^17 G 이상의 자기장은 초핵물질의 성질에 상당한 영향을 미치며, 상태방정식의 이방성을 유도한다.
• 중심 자기장이 10^18 G 이상일 경우, 밀도에 대한 병행 압력 도함수가 음수이므로 물질이 불안정해진다.
• 불안정성이 발생하는 임계 자기장은 약 10^19 G이며, 이 시점에서 병행 압력이 사라진다.
• 이 임계 값, B_cr ≈ 10^19 G는 매그네타르 내부의 균일하게 분포된 자기장 강도에 대한 상한선을 설정한다.
• 매그네타르는 균일한 구성에서 중심 자기장을 약 10^19 G를 초과할 수 없으며, 그렇지 않으면 불안정해진다.