[논문 리뷰] Meissner Effect and Vortex Dynamics in Quark Stars -- A Model for Soft Gamma-Ray Repeaters

Rachid Ouyed, Ø. Elgarøy외 2명|ArXiv.org|2003. 08. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 44인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 부드러운 감마선 반복자(SGRs)가 임계 온도 이하에서 색-맛이 띠어진(CFL) 초전도 상태로의 단계 전이를 겪는 쿼크 별에서 기인한다고 제안한다. 이 과정에서 마그네틱 메이슨 효과가 발생해 표면 자기장의 일부가 밀려나가며, 이로 인해 자기장 재결합과 이어지는 쌍체 파괴가 발생해 거대한 감마선 폭발이 일어난다. 그 후에는 비틀림 격자 재구성과 표면 비틀림의 상호작용으로 약한 폭발이 발생하며, 이는 SGR의 빛의 세기와 활동 주기를 설명한다.

ABSTRACT

We present a new model for soft gamma-ray repeaters based on a quark star born with temperatures above the critical value (T_c) for the onset of the colour-flavor locked superconductivity. The quark star then quickly cools below T_c, expelling a fraction of the surface magnetic field via the Meissner effect. We show that if a small fraction (\leq 10%) of the surface magnetic field (10^{14} - 10^{15} { m G}) is expelled, it quickly decays via magnetic reconnection and heats up the quark star surface to temperatures > 10^9 { m K}. Created (e^{+},e^{-}) pairs annihilate into gamma rays emitted in a giant burst (the first burst in our model), with a luminosity of \sim 10^{45} { m ergs} { m s}^{-1}. Subsequent bursts result from the restructuring of the surface magnetic field following the formation and relaxation of a vortex lattice which confines the internal magnetic field. During this phase, energy is sporadically released as a consequence of magnetic reconnection events in the entangled surface magnetic field as it evolves into a smooth, more stable, configuration. The star eventually enters a quiescent phase in which energy is continuously supplied by vortex annihilation at the surface. As the star spins down, the outermost vortex lines will be pushed to the surface where they annihilate and release their confined magnetic field. We show that the corresponding luminosity is L_v \sim 10^{36} { m ergs} { m s}^{-1} for a typical soft gamma-ray repeater spinning with a period of 8 { m s} and a surface magnetic field not exceeding 10^{15} { m G}. Our model can be applied to any situation where a T>T_{ m c} quark star is generated. We discuss the connection between anomalous X-ray pulsars and soft gamma-ray repeaters in the context of our model.

연구 동기 및 목표

• 쿼크 별 단계 전이를 통한 새로운 메커니즘을 통해 소프트 감마선 반복자(SGRs)의 거대 폭발 기원을 설명하기.
• 중성자 별의 껍질에 기인하는 응력에 의존하지 않고도 SGRs와 이례적인 X선 펄서(AXPs)에서 관측된 고에너지 폭발과 지속적인 X선 방출을 설명하기.
• 초기 고온의 정상 상태 쿼크 별이 CFL 초전도 상태로의 전이를 통해 초기 및 반복적인 SGR 활동의 기원을 모델링하기.
• 비틀림 역학과 자기장 완화를 통한 폭발 빛의 세기와 시간 상수를 설명하여 관측된 SGR 폭발의 빛의 세기와 시간 스케일, 침묵기 방출을 설명하기.
• 쿼크 별 진화와 자기장 행동의 맥락에서 SGRs와 AXPs 간의 차이를 명확히 하기.

제안 방법

• 쿼크 별이 CFL 초전도 임계 온도 $T_c \sim 10^{12}$ K 이상에서 냉각되는 과정을 모의 실험하여, Haensel(1991)의 중성미자 방출량을 이용해 냉각 시간 상수를 추정한다.
• CFL 초전도 상태로의 전이 중 메이슨 효과를 적용하여 표면 자기장의 $\leq 10\%$ 가 밀려나가는 것으로 가정한다($10^{14}-10^{15}$ G).
• 유도되는 자기장 재결합과 에너지 방출을 시뮬레이션하고, $e^+e^-$ 쌍체 파괴에서 유래하는 폭발 빛의 세기($\sim 10^{45}$ erg s$^{-1}$)와 온도 변화를 계산한다.
• 잔류 자기장을 봉인하는 비틀림 격자의 형성과 진화를 모델링하며, 재구성 및 완화 과정 중에 방출되는 에너지를 분석한다.
• 표면 비틀림 선의 상호작용으로 인한 침묵기 빛의 세기를 계산하여, $P = 8$ s 및 $B \leq 10^{15}$ G 조건에서 $L_v \sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$ 를 유도한다.
• 후기 단계 전이가 수축 또는 자전 감속으로 인해 발생할 수 있는 다양한 형성 시나리오를 탐색하고, 횡방향 속도와 초신성 잔해와의 연관성에 대한 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼크 별에서 CFL 초전도 상태로의 전이 초기에 발생하는 메이슨 효과가 SGRs에서 관측된 거대 폭발을 설명할 수 있는가?
• RQ2 SGRs의 지속적인 침묵기 X선 빛의 세기는 무엇에서 기인하며, 이는 표면에서 비틀림 상호작용으로 인한 상실에 기인할 수 있는가?
• RQ3 초기 자기장 밀출 이후 자기장 구조는 어떻게 진화하며, 더 약한 폭발의 재발을 이끄는 원인은 무엇인가?
• RQ4 SGRs와 AXPs에서 쿼크 별 모델과 표준 마그네타 모델을 구별하는 관측적 징후는 무엇인가?
• RQ5 후기 단계에서의 쿼크 물질 형성은 일부 SGRs가 관련 초신성 잔해에서 벗어난 것으로 관측된 오프셋을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 1979년 3월 5일 SGR 0526-66의 거대 폭발은 메이슨 효과에 의해 표면 자기장의 $\leq 10\%$ 가 밀려나가며, 약 $\sim 1.3 \times 10^{44}$ erg의 에너지가 방출되며, 피크 빛의 세기는 $\sim 1.6 \times 10^{45}$ erg s$^{-1}$ 에 이른다.
• 초기 폭발은 자기장 재결합과 $e^+e^-$ 쌍체 파괴에 의해 추진되며, 특징적인 온도가 $\sim 246$ keV인 부드러운 감마선 폭발을 생성한다.
• 이후의 약한 폭발은 비틀림 격자가 더 안정한 구조로 진화하는 동안 표면 자기장 재구성에 의해 발생한다.
• 침묵기 빛의 세기 $\sim 10^{36}$ erg s$^{-1}$ 는 표면 비틀림 선의 상호작용으로 인해 발생하며, 이는 별이 자전을 감속시키면서 봉인된 자기장이 방출되는 방식으로 지속된다.
• 모델은 단 한 번의 CFL 초전도 상태 전이로 인한 단일 거대 폭발을 예측하며, 이러한 사건의 희귀성과 일치한다.
• 모델은 일부 SGRs의 높은 횡방향 속도를 표준 초신성 킥이 아닌 쿼크-하드론 단계 전이 중 이방성 중성미자 방출의 결과로 설명한다.